关于边坡区的偏移结构性试验

　　【摘 要】对偏移边坡黄土进行真三轴试验，在保持中主应力、小主应力不变的情况下，增大大主应力，研究围压、初始中主应力及初始含水率对非饱和黄土结构性的影响规律。试验结果表明：结构强度随着围压、初始中主应力的增大而增大，随着初始含水率的增大而减小；结构性参数随着围压、初始中主应力及初始含水率的增大而减小。
　　【关键词】真三轴试验；结构性；强度指标
　　一、试验设备及试样规格
　　试验设备为日本谷藤机械工业株式会社生产的TS-526型多功能三轴仪。方柱形试样的尺寸为88.9mm×88.9mm×35.56mm，如下图所示。
　　试验过程中，可在水平和垂直方向对试样施加各自独立的应力采用移动边板可对试样进行K0固结，其位移可用位移传感器测出。水平应力σ3用液压通过橡皮膜加到试样上，而液压作用在侧板上；水平应力σ2用可移动侧板来施加。这两个水平应力的加载都由应力控制。轴向荷载通过量力环及传压板加到试样上，并由轴向加载装置控制，采用应变式加载。
　　二、试样的制备及试验方法
　　（一）试样的制备
　　试验所用黄土取自陕西三原县塬边偏移区，取土深度距原坡向的侧向位移。
　　共进行了 3组试验，每组均包含同等数量的原状样重塑样（与原状样同容重、同含水率）和饱和原状样。第一组是等向固结，固结压力分别为100、200、300 kPa， 研究等向固结时围压对非饱和黄土结构性的影响规律。第二组研究初始中主应力对非饱和黄土结构性[1]的影响规律，在天顶约 50 m，属Q3 黄土，烘干法测得天然含水率为 22.28% ，天然干密度为 1.60 g/cm3天然孔隙比为0.71、天然饱和含水率为 26%。非饱和黄土土样的物理性质指标见表 1。原状样采用削样方法，严格控制试样的形状和尺寸。重塑样制样方法和常规三轴样相似。配备不同含水率的试样时，采用风干法和水膜转移法，控制含水率的误差在0.02%以内。配水完成后用保鲜膜包裹，放在干燥器内密封3d，待水分均匀后备用。
　　（二）试验方法
　　采用真三轴固结不排水剪切试验。首先对试样进行排水固结，固结时间为 2 h， 待固结稳定后进行剪切，剪切时保持中主应力、小主应力不变，增大最大主应力。增大最大主应力时采用等应变速率加载，加载速率为 0.1 mm/min。剪切过程中记录量力环的变形量、轴向位移、两个水平方然含水率 w=22.28%的情况下，保持σ1= 300 kPa、σ3=100kPa不变，通过增大中主应力σ2来增大中主应力比率b，初始值b分别为0.3、0.6、0.9。第三组研究初始含水率对非饱和黄土结构性的影响规律。保持 b= 0.6、σ3 =100 kPa不变， 含水率依次取14.5%，17.49%，22.28%.
　　三、试验结果分析
　　（一）围压对非饱和黄土结构性的影响规律
　　天然含水率下，等向固结时，通过针对围压对非饱和黄土结构性的影响分析可知：剪应力随着应变和围压的增大而增大。应变较小时，土样被压密，结构强度得到充分发挥；应变较大时，结构遭到破坏，强度进而减小；应变一定时，结构强度随着围压的增大而增大。整个过程中，结构性参数先减小，后又慢慢增大，最后趋于平稳。在应变一定时，结构性参数随着围压的增大而减小围压越大，固结完成后土体密度越大，孔隙比减小，原始黏聚力增大，故破坏时的剪应力增大；联结强度增大，m2减小，结构可稳性增强，围压增大，结构可变性减弱。但围压对可变性和可稳性的影响并不同步，在应变[2]较小时，围压的增大对可稳性的影响较大；当应变较大时，围压对可变性的影响较大。依据综合结构性参数的定义，结构性参数mε减小。
　　（二）初始中主应力对非饱和黄土结构性的影响规律
　　真三轴试验中考虑了中主应力σ2 对非饱和黄土力学特性的影响。固结时，σ1 和 σ3 保持不变， 增加σ2， 即增加 b。通过研究初始中主应力对非饱和黄土结构性的影响规律，结果显示：应力随应变的增大而增大，剪应力随着初始中主应力 σ2的增大而增大。应变一定时，结构强度随着初始中主应力σ2的增大而增大。常规三轴试验认为，非饱和黄土的力学特性与 b值无关， 即与中主应力无关。真三轴试验表明， 黄土的力学特性与中主应力关系不可忽视，随着σ2 接近 σ1 ， 即随着初始 b值的增大，剪切应力和结构强度都增大。中主应力的增加，平均主应力也随着增加，从而使土体密实；另一方面， 破坏时σ2 方向的应力较大，增加了对土颗粒的约束和咬合作用。中主应力增大， 围压也增大，非饱和黄土的结构可稳性增大，结构可变性减弱。
　　（三）初始含水率对非饱和黄土结构性的影响规律
　　黄土结构的破坏，除了力的作用外，水的作用也不容忽视，发生偏移的很大一部分原因就是水的因素。通过研究含水率[3]对非饱和黄土结构性的影响规律，结果显示：应力随应变的增大而增大；在应变一定时，结构强度随着含水率的增大而减小。水率增大， 黏聚力减小， 联结强度降低，结构不稳定，结构强度减小。含水率增大，饱和黄土的剪应力不受影响，故 m1 减小，结构可变性增强。由于原状黄土具有一定的结构性， 随着含水率的增大， 结构弱化，剪应力减小，而重塑黄土没有结构性，水对它的影响要小于对原状黄土的影响，因此重塑黄土剪应力减小量要小于原状黄土剪应力的减小量，故结构性参数mε减小。
　　四、结论
　　以三原县塬边偏移区黄土为研究对象，利用真三轴仪对其力学特性进行深入研究，结果表明：（1）結构强度随着围压、初始中主应力的增大而增大，结构性参数随着围压、初始中主应力的增大而减小。围压增大，初始中主应力增大，结构可变性减弱，可稳性增强。围压先影响可稳性、后影响可变性，这种不同步性使得结构性参数减小。（2）结构强度、结构性参数随着含水率的增大而减小。含水率增大，结构可变性增强。由于原状黄土具有一定的结构性，随着含水率的增大，结构弱化，剪应力减小，而重塑黄土没有结构性，水对它的影响要小于对原状黄土的影响，结构可稳性减弱，因此结构性参数mε减小。
　　【参考文献】
　　[1]李广信.高等土力学[M].北京：清华大学出版社，2004.
　　[2]党进谦.非饱和黄土的结构强度及其作用研究[J].西北农业大学学报，1998，26（5）：48 -51.
　　[3]骆亚生，谢定义，李鹏.非饱和黄土结构变化特性的主要影响因素[J].水土保持通报，2005，25（2）：36-39.