郝飞 陆云 杨健

中图分类号:TU41 文献标识码:A文章编号:1673-0992(2009)12-159-01

摘要:建过对直剪试验中土样破坏面情况和试验数据的分析,提出了确定试样破坏点的新方法,找到了莫尔—库仑准则中土壤的两个强度参数随干密度和含水量的变化规律,利用Excel对数据进行非线性拟合,给出了具有较好相关性的拟合公式。

关键词:直剪试验;破坏点;莫尔—库仑准则;强度参数;非线性拟合

不同的压实工况,土干密度和含水量是不同的。根据莫尔—库仑准则[1],有必要对土壤的两个强度指标、随干密度和含水量变化规律进行研究。前人研究指出:粘土的值随土壤的含水量增加而减少[2]。本文通过对长安大学工程机械学院动力学实验室级配土(图1)进行直剪试验研究,寻求该级配下土的两个强度指标随干密度和含水量变化规律。

1 实验原理与方法

莫尔—库仑准则剪应力表达式[3](见图2)

式中: —土的抗剪强度,;

—作用在剪切面上的法向应力,;

—土的强度指标,摩擦角,°;

—土的强度指标,凝聚力, ;

根据准则和直剪实验方法,制备同样性质土样在不同的垂直荷载N1、N2、N3、N4作用下,得到不同的 利用线性回归的办法,作出回归直线,可求得、两个强度指标的数值。

2 实验数据处理与拟合

2.1破坏点的确定

在直剪实验中,剪切位移与剪应力关系曲线可能出现三种形式(图3),根据土工试验技术手册:Ⅰ型曲线取峰值点a剪应力作为破坏点;Ⅱ型曲线取稳定值点b为破坏点;Ⅲ型曲线取剪切位移为4㎜的c点作为破坏点[4]。然而,在级配土直剪试验过程中发现,除了出现Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型曲线外,还出现了如图4所示的曲线形式。此曲线的规律是,当剪切位移接近4时,手轮转动1圈(或数圈)剪应力却没有随着剪切位移的增加而增加,即曲线上出现了一个平台;一般,在4附近会出现多个这样的台阶;4之后,剪应力随剪切位移继续增加。在试验数据处理过程中发现,取最后一个台阶终点对应的剪切位移为破坏点,数据具有较好的相关性,较固定地取4㎜点作为破坏点能更好地反映土体的破坏。为此,专门开展了相关的试验。在最后一个台阶终点处结束试验,发现试样已经具有明显的剪切破坏面,如图5所示。

2 某试样剪切位移-剪应力关系

2.2数据处理与拟合

根据土壤两个强度参数随干密度(含水量不变)和含水量(干密度不变)变化的关系可以得出以下结论:

2.2.2干密度固定不变,该级配土的摩擦角、凝聚力均随着含水量的增大而减小;

2.2.2.1含水量固定不变,该级配土的摩擦角、凝聚力均随着干密度的增大而增大。

通过对多组数据在Excel环境下进行拟合,发现在干密度一定时,用对数曲线拟合土的两个强度参数随含水量变化关系精度比较高;而在含水量一定,用指数曲线拟合土的两个强度参数随干密度变化关系精度比较高。故作如下假设:

2.2.3对应于每一个固定的干密度,该级配土两个强度参数随含水量按对数曲线(a<0)规律变化;

2.2.4对应于每一个固定的含水量,该级配土两个强度参数随干密度按指数曲线规律变化。

表1曲线拟合残差对比

对上述两个假设进行实验验证,验证用土的基本参数为干密度、含水量。实验测定该土的摩擦角为;利用拟合曲线计算得其摩擦角为:。而凝聚力误差较大,导致较大误差的主要原因有:实验误差、土的各向异性。

3 结语

通过对不同干密度和含水量组合下的土壤直剪试验研究,得出以下几个结论:

1.对于Ⅲ型曲线,取剪切位移在3～4mm之间曲线上最后一个台阶终点对应的剪切位移作为破坏点较固定地取4㎜点作为破坏点能更好地反映土体的破坏;

2.采用实验的方法,找到了土壤两个强度基本参数与含水量和干密度之间的变化关系;

3.利用Excel拟合功能找到变化规律的拟合曲线,在以后的实验中只要每一个含水量(或干密度)做两个点就可以知道其整个的变化规律。

参考文献

[1] 赵成刚、白冰、王运霞,土力学原理,北京:清华大学出版社,2004

[2] 杨士敏、张铁,工程机械地面力学与行驶理论,西安:陕西科学技术出版社,2000

[3] 屈智炯,土的塑性力学,成都:成都科技大学出版社,1987

[4] 南京水利科学研究院土工研究所,土工试验技术手册,北京:人民交通出版社,2003

作者简介:郝飞,男,1982年出生,江苏滨海人,工学硕士,助理实验师,研究方向:振动压实土壤应力分布、机电一体化技术。