黄土的非线性强度特性

2022-09-10

姚仰平等基于摩擦材料的实验规律并在前人研究成果的基础上, 提出了广义非线性强度理论 (简称广义强度理论) , 它用一个表达式统一描述材料在π平面及子午面上的非线性强度特性。广义强度理论可以简单、合理地描述多类材料的非线性强度特性, 而黄土作为西北地区普遍存在的具有特殊性质的材料, 对其强度进行研究具有很强的工程意义。本文将重点讨论广义非线性强度理论对于黄土的适用性。

1 广义非线性强度理论

广义强度理论认为, 材料的破坏受八面体上的应力控制, 即其上的静水压力和剪应力的函数达到某一值时, 材料开始破坏。其数学描述为:

每一项代表含义参考相关文献[1]。

2 黄土非线性强度特性

黄土由于其较强的的结构性, 具有不同于一般黏土的强度特性, 黄土强度研究一直以来备受关注。邢义川等通过直接改变π平面上形状函数讨论了黄土的三维强度特性。而广义强度理论则利用4个相互独立的材料参数σ0、Mf、n、α来描述各种材料在复杂应力状态下的强度规律[1]。以下将分别从π平面和子午面两个方面来讨论黄土的非线性强度特征。

2.1 π平面

广义强度理论认为π平面上的破坏函数为介于SMP准则和Mises准则之间的光滑曲线。骆亚生等做了非饱和黄土的不排气不排水真三轴实验。土取自陕西杨凌渭河二级阶地, 比重为2.71, 干密度为1.26g/cm3, 含水量为22.6%, 试样为88.9×88.9×35.56mm的长方体, 围压σ3=150kPa, 试验采用应变式加载, 分别做了b=0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0时的剪切实验。分析试验结果, 取参考应力pr=100kPa, 确定其强度参数分别为:σ0=0kPa, Mf=1.57, n=0.81, α=0.27。π平面上广义强度理论预测结果和试验结果比较如图1所示, 几个点分别是不同b值试验时的破坏点, 可见广义强度理论可以较好地描述黄土π平面上的强度特性。

2.2 压缩子午面

广义强度理论在三轴压缩子午面上的破坏曲线为幂函数形式, 参数σ0、Mf、n可由不同围压下常规三轴实验确定。

笔者做了不同围压下原状和重塑黄土的三轴压缩CD实验。试样取自西安南郊, 比重为2.71, 天然干密度为1.41g/cm3, 天然含水量为17.88%。根据试验结果整理的广义强度理论强度参数分别为:原状黄土参考应力pr=100kPa, σ0=0kPa, Mf=1.49, n=0.61;重塑黄土参数为pr=100kPa, σ0=0kPa, Mf=1.14, n=0.87。原状黄土和重塑黄土强度预测结果和试验结果对比分别如图2, 图3所示。图中虚线为在主应力空间按围压30kPa确定的直线强度包线, 与实际强度规律差别较大, 而利用广义强度理论可以合理地描述黄土在三轴压缩子午面上的破坏规律。

李雯霞等做了兰州原状和重塑黄土的三轴压缩CD实验, 试样尺寸为Φ101mm×20mm。取参考应力pr=100kPa, 确定原状黄土强度参数为:σ0=0kPa, Mf=2.36, n=0.87;重塑黄土强度参数为σ0=0kPa, Mf=208, n=0.96。

比较上述原状和重塑黄土的强度参数, 可发现:

(1) 同一性状黄土, 取相同参考应力, 重塑土的强度参数Mf比原状的小, 而n则比原状的大。由于原状土具有强结构性以及先期固结压力的影响, 围压较小时的破坏应力比重塑土的大, 重塑土Mf自然就小, 还比较显著。而静水压力变化对重塑黄土强度的影响显然比原状土要强一些, n值自然就大一些。

(2) 在子午面上, 广义强度理论可以合理地描述具有强结构性的黄土的强度特征, 不用再单独考虑黄土的结构性。

3 结语

黄土由于具有较强的结构性, 其强度特性比一般黏土有较大差异。而黄土的工程应用又比较广泛, 对黄土强度的研究就比较重要。本文通过黄土的真三轴和普通三轴试验分别验证了在π平面和压缩子午面上用广义强度理论可以比较好的模拟黄土的强度特性。而且几个参数通过普通三轴压缩和拉伸实验就可以求出, 应用起来也比较方便。

摘要：广义非线性强度理论用一个表达式统一描述π平面及子午面上的非线性强度特性, 形成了一个全新的非线性强度理论系统, 适用于各类材料。本文通过黄土的真三轴和普通三轴实验, 讨论了π平面及子午面上黄土的强度特性, 结果表明广义非线性强度理论可以比较好地适用于具有强结构性的黄土。

关键词：非线性,广义强度理论,黄土,结构性