第一章绪论
1.1引言
从不同的角度出发,很多学者给出了粗粒土的定义,较常用的粗粒土定义为:粒径0.075inm?60mm的颗粒含量(质量比)大于50%的土石混合料⑴。通常认为,粗粒土的特性研究是建立在细粒土的特性研究基础之上的[2]。细粒土粒径分布范围较窄,颗粒细小,相同质量或体积内颗粒数量多,比表面积大,亲水性强,水对其工程特性影响较大;而粗粒土粒径分布范围宽,粒径大,亲水性较弱,颗粒组成是决定其工程性质的主要原因,且粗粒土较低围压下也会因剪应力作用和压实而产生破碎现象。粗、细颗粒土不同的性质使得我们不能将二者同等对待。
作为一种填料,粗粒土具有压实性能好、承载力高、抗剪强度高、填筑密度大、透水性强、沉陷变形小、地震荷载作用下不易产生液化等非常优良的工程特性,已在高速铁路路基、高层建筑物地基、大型水利水电工程中高土石规工程、海港护岸抛石工程、人工筑岛等工程中得到广泛应用。
随着粗粒土的应用越来越广泛,对其工程特性的研究也越来越深入。自上世纪40年代以来,各国学者开始从仪器设备、试验材料、模拟方法、强度和变形特性、渗透及渗透稳定性、试验资料的整理分析、尺寸效应等方面对粗粒土的工程性质进行了系统性的研究。尤其是二十世纪60年代以来,各国学者研制了一系列的可用于粗粒土的试验仪器,例如大型三轴剪切仪、大型管涌渗透仪、大型击实仪、大型直剪仪、大型振动密实仪等[3],对粗粒土抗剪切强度特性、渗透特性、压实特性等特性进行了深入分析,提出了很多在工程建设当中具有较好实用价值成果,发挥了重要作用。
但目前一些土力学专著和教科书多是以细粒土为主要研究对象,即使涉及粗粒土的内容,也多限于砂土;虽然也有少量关于粗粒土的著作,且对粗粒土的研究己取得了较大的成就,但还存在诸多难点。对于粗粒土研究这门学科而言,仍然缺乏全面、系统的论述专著。对粗粒土的力学特性而言,由于粗粒土粒径范围广,排列方式复杂、存在颗粒破碎效应及剪胀效应,从本质上说是不连续的,其力学性质极其复杂。对粗粒土的本构关系而言,虽然学者们或直接通过粗粒土的特性直接建立本构关系,或将细粒土本构模型引入、修改作为粗粒土本构模型,但至今还没有一个大家广泛认可的、可用于各种粗粒土的本构模型及破坏准则,所以这些课题都有极大的研究空间。
1.2粗粒土研究现状
1.2.1抗剪强度产生机理
目前,对于粗粒土抗剪强度的产生机理尚没有统一的数学模型来描述。很多学者基于各自研究,对于剪切强度产生的机理提出了不同的见解。主要是以下三种不同解释。
Taylor[4]于1948年,提出了粗粒土抗剪强度机理的两分量学说,认为抗剪强度是由两部分组成的:一是土颗粒间的摩阻力,另外,剪切时土体要发生膨胀而抵抗周围土颗粒相互力作用,需要消耗能量,从而构成了另一部分抗剪强度。
Rowe[5]基于对砂土的研究,通过分析能量平衡方程,认为粗粒土抗剪强度由三部分组成。一是由于土颗粒滑动摩阻力所发挥的强度;二是由于土颗粒重新定向和重新排列所需能量而发展的强度;三是由于剪胀耗能而发展的强度。对同一种土料而言,土颗粒的滑动摩擦角都是一样的,抗剪强度主要是由颗粒的重排列、剪胀效应与重新定向作用形成的。压实度较低时,土料强度主要由颗粒的重新定向作用和重排列所引起,压实度较高时土料强度则主要由剪胀性引起。
粗粒土剪切过程中会产生颗粒破碎现象,Lade和lee[6]认为颗粒破碎对强度的影响类似于Rowe所提出的颗粒重排列和重新定向。颗粒破碎将吸收能量,而且在高压力下的颗粒破碎会加剧,从而增加了颗粒重新定向和重排列所需能量,强度会随着颗粒破碎率增大而增大。但是大量试验证明,随着颗粒破碎的加剧,很多粗粒土在剪切时的抗剪强度将不是增大,而是降低了。概括起来,粗粒土的抗剪强度主要由三部分构成:
(1)颗粒间摩擦力所发挥的强度。该强度是由于土颗粒接触面粗糖不平而产生,不产生明显的剪胀现象。
(2)剪胀效应引起的强度。颗粒间并非平面接触,而是彼此咬合、交错排列,阻碍了土颗粒间的相对移动。剪切过程中,土颗粒会向更加稳定的排列方向发展而发生提升、转动、错动、拔出,从而引起颗粒重排列和重新定向。因此,在克服咬合作用时,会产生剪胀现象。
(3)颗粒破碎引起的强度。产生颗粒破碎时,粗粒土的承载结构遭到破坏,从而引起颗粒间接触点荷载的重分配,应力集中现象被缓解,形成了更加稳定的结构。同时,颗粒间粘聚强度变弱,易于颗粒移动,反而阻碍了剪胀效应,因而会降低内摩擦角。
第二章不同粗料含量粗粒土静力特性大型三轴试验研究
诸多学者研究表明,粗料含量对粗粒土的强度、变形性质有着很大的影响。工程实际中,需要得到粗料含量对强度、变形的影响,从而指导具体工程中配置强度达标、变形较小、经济适用的粗粒土土料。
第三章不同压实度粗粒土静力特性大型三轴试验研究.............23
3.1试验土料..........23
3.2试验方案..........23
3.2.1试验仪器..........23
3.2.2试验步骤..........25
3.3试验结果分析..........27
3.4小结..........32
第四章常用模型适用性分析及邓肯-张E-v模型改进..........33
4.1粗粒土常用模型介绍..........33
4.1.1邓肯-张模型..........33
4.1.2 Rowe剪胀模型..........36
4.3邓肯-张E-v模型的改进..........40
4.4小结..........46
第五章改进模型验证分析及其参数讨论..........48
5.1引言..........48
5.2对本文所做三轴试验数据的验证.......... 48
5.2.1对模型假设的验证.......... 48
5.2.1对模型效果的验证..........49
5.3对文献[68]中承德中密砂试验数据的验证..........50
5.4对模型参数Z的讨论..........52
5.5小结..........54
结论
本论进行了 5种不同粗料含量及3种不同压实度土料的静力特性大型三轴试验研究,分析了不同粗料含量及不同压实度对粗粒土静力特性的影响,并依据试验结果提出了改进了的邓肯一张E-v模型。研究过程中获得以下主要结论:
(1)粗料含量与最大干密度呈抛物线关系,粗料含量Ps=52.57%时,击实干密度最大;粗料含量与最优含水率呈线性关系,随粗料含量增多,最优含水率减小。
(2)内聚力c、内摩擦角(p随粗料含量的增大而增大。粗料含量为30%-50%时,内聚力随粗料含量增加而增长较快;内摩擦角与粗含量基本呈线性增长关系。
(3)所有应力应变关系曲线均为应变硬化型,围压越高,曲线愈陡,应变硬化特性越明显,峰值强度也越大。随着粗料含量的增加,试样有向应变软化方向发展的趋势,试样剪缩作用逐渐减弱,而剪胀作用逐渐增强,围压越低,剪胀作用越明显。围压越高,累积体应变越大。
(4)粗粒土压实度大于93%时,土体强度主要决定于周围压力大小,压实度对土体强度影响不大,但增加压实度可以明显减小土体破坏时的累积应变。
(5)邓肯-张模型能很好反映粗粒土应力应变特性,但不能较好反映其变形特性。Rowe剪胀模型在轴向应变较小时(<0.03),不能很好反映粗粒土性质。
(6)改进的邓肯-张E-v模型沿用了邓肯-张E-v模型中切线弹性模量Et的表达式。同时认为轴向应变的平方与侧向应变符合过原点的抛物线关系。
(7)改进的邓肯-张E-v模型能够很好反映土体变形特性。改进模型切线泊松比趋于常数根号L分之一 (L为模型常数),低围压切线泊松比增长更为迅速,更易发生剪胀,与试验结果相吻合。
(8)L=4可作为土体有无剪胀性的判定标准,时,土样一定不会发生剪胀现象;Z<4时,低围压下可发生剪胀现象,且Z越小,越容易发生剪胀现象,剪胀、剪缩的临界围压也越高,同围压下发生剪胀时对应的累积轴向应变也越小。
参考文献:
[1]土工试验规程SL237-1999[M].北京:中国水利水电出版社,1999.
[2]粗粒料大三轴试验研究进展刘萌成,高玉峰,刘汉龙,费康(河海大学岩土工程研究所,江苏南京.
[3]邬爱清,柳赋铮.岩石力学试验技术及其工程应用的进展[A].见:中国岩石力学与工程学会主编,第六次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C].北京:中国科学技术出版社,武汉,2001,11,31-35.
[4]D. W Taylor, Fundamentals soil Mechanics[M]. John Wiley&Sons,Inc. 1948.
[5]P.W.Rowe, The Stress-Dilatailcy Relations for Static Equilibrium of an Assemblyof Panicles in Contact. Prec. [J].Royal Society. London, Series A1962,269:500-527.
[6]K.L.Lee and H.B. Seed. Drained strength Characteristics of Sand [J], Journal ofthe Soil Mechanics and Foundations pision.ASCE. 1976,93?No.SM6.
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[9]王朝东,潘招湘,喻小生.在普通土大三轴仪上进行土的应力路径试验的探讨[J].岩土力学,1991,12(1):57-63
[10]梁军.不同应力路径堆石料的抗剪强度特性[J].四川水利,1996,17(4):32-37.