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黄土各向异性及其力学特征是目前国内外土力学领域内高度关注的问题之一。本文依托西安理工大学真三轴试验仪,对原状黄土分别进行大、中、小主应力面与水平沉积面一致的三个方向加载,研究了原状黄土在不同方向加载三向主应力时所反映出来的力学特性的差异,讨论了原状黄土应力应变各向异性以及强度各向异性的变化特性。并尝试在此基础上,引入SMP空间滑动面旋转来反映黄土的强度变化建立了强度准则,并与测试结果进行了比较;同时基于邵生俊建立的非等倾静态空间滑动面强度准则进行了反映原状黄土各向异性的强度论证。具体的工作和结论如下:
(1)对西安理工大学自主研发的真三轴仪进行简单介绍,分析以往的试验过程中存在的问题,提出技术解决措施。
(2)通过对原状黄土进行的真三轴试验,对试样的水平沉积面分别施加大、中、小三个主应力,得到三个方向不同围压、不同中主应力比的应力应变关系曲线。分别讨论了固结围压、应力路径对原状黄土应力应变关系以及体变发展规律的影响。随着固结压力增大,应力应变关系逐渐呈应变硬化型;随着b值得增大,应力应变关系曲线逐渐呈强硬化型。
(3)相同条件下对比不同方向加载试验结果,表明大主应力面与水平沉积面一致时的抗剪强度大于中、小主应力面与水平沉积面一致时的抗剪强度。通过不同应力路径中、小主应力面分别为水平沉积面时两者抗剪强度差异的不一致性,一方面揭示了黄土具有不均匀性,另一方面揭示临近边坡黄土除竖向裂隙之外还存在卸荷裂隙的可能性。
(4)球应力的压缩作用可削弱土的各向异性,剪应力的剪切作用可诱导各向异性。试验结果表明:当b值较小时,随着固结围压的增大,球应力随之增大,压缩作用削弱了土的各向异性,从而导致三个方向加载广义剪应力q随大主应变的变化趋于一致;而当b值较大时,尽管随着固结围压的增大,球应力压缩作用随之增大,中、小主应力之间的剪切作用增大,诱发中、小主应力平面内各向异性,从而又重新出现大、中、小主应力面分别与水平沉积面一致时三个方向的强度差异。
(5)分析了三个方向邓肯-张模型五个参数随中主应力比的变化规律。结果表明,破坏比Rf随着中主应力比b值的变化不大,均在0.7~0.9范围内变化,三个方向加载得到的Rf,值差异较小;K值随b值的增大先增大而后出现减小,在0.5~0.75之间大幅度增大,而后至1.0明显减小,且大主应力作用面与水平沉积面一致时的K值明显大于其他两个方向加载的值:n作为反映土性特征的参数随着中主应力比b值的变化不大,均在0.1~0.5范围内,同时三个方向加载得到的n值差异较小。
(6)沉积历史和加荷方式是引起黄土强度各向异性的主要因素。结合试验资料,讨论了三个方向加载时黄土的Mohr-Coulomb强度指标粘聚力和内摩擦角与中主应力比的关系。分析表明,原状黄土颗粒间具有较强的粘结作用,故三向加载作用下得到较高的粘聚强度,且中主应力对土体颗粒间原有的排列具有显著的影响,主要体现在消除土体颗粒间粘聚作用的差异;原状黄土的摩擦角变化范围集中在22°~33°之间,中主应力对土颗粒间原有的排列具有显著的影响,且主要体现在诱发土颗粒间摩擦作用的差异。
(7)通过真三轴试验得到了三个方向加载剪切条件下π平面上原状黄土的破坏面,不同方向加载得到的强度破坏面形状和大小均存在差异。就其破坏面形态方面,当大、中主应力面与水平沉积面一致时加载强度破坏面均近似为抹圆曲边三角,当小主应力面与水平沉积面一致时加载强度破坏面近似为抹圆曲边倒三角;就破坏面大小方面,大主应力面与水平沉积面一致时的强度破坏线依次略大于其它两个方向加载得到的强度破坏线。原状黄土三个方向加载条件下π平面内强度破坏面分别可以用拓展的松冈-中井准则(SMP)以及旋转的SMP空间滑动面强度准则来近似描述。
(8)针对原状黄土的各向异性,应用邵生俊建立的轴对称三轴挤伸和三轴压缩固定静态滑动面强度准则,进行了其反映各向异性强度特性的验证分析。其中原状黄土水平沉积面分别为大、小主应力加载的强度破坏面可以分别由轴对称压缩静态空间滑动面准则近及轴对称挤伸静态空间滑动面强度准则近似描述。