某边坡土体本构模型参数试验

【摘 要】本构模型参数是岩土工程数值模拟必不可少的输入条件.本文针对某边坡土体,采用应力路径三轴仪,完成了四个试样的“压缩-回弹-再固结-剪切”的试验过程,获得了土体的应力-应变-体变关系曲线,确定了土体的剑桥模型参数,为数值分析奠定基础.

【关 键 词 】剑桥模型 三轴试验

1.前言

岩土工程的数值模拟需要本构模型作为基础,而选用合理的模型参数是计算的先决条件.建立在现代塑性理论基础上的弹塑性本构模型是土本构模型中发展最完善、应用最广泛的一类模型[1-3].最具有代表性的弹塑性模型是英国剑桥大学的Roscoe和Burland等提出的剑桥模型（Cambridge Model）,该模型从理论上阐明了土体弹塑性变形特性,标志着土的本构模型研究新阶段的开始.

本文采用应力路径三轴仪,测定边坡土体的剑桥模型参数,为边坡的变形分析和模拟提供参数.

2.土体基本物性参数

试验土样取自抗滑桩开挖基坑,取出50×50×50cm3原状土样,现场观察可知,土样呈黄略显红色,粉砂质泥岩夹少量碎石,有明显的滑动擦痕,存在带状土层被挤成定向排列,密实度高,离土层稍远土体逐渐疏松.然后现场采用蜡纸密封.

试样运回实验室后,将蜡纸拆除干净.由于原状土易碎裂,应采用蜡封法测定其容重,并取出少量测定其初始含水率.然后先将剩余原状样风干并置于橡皮板上用木锤碾散.从风干碾散的土样取出代表性的土样作颗粒分析试验,按要求用筛析法加上密度计法得到完整的颗粒分配.

根据试验所需土样数量,将碾散后的土样过筛,物性指标试验如液限、塑限等试验过0.5mm筛,而比重试验需过5mm筛后用比重瓶法测定,其他力学试验指标过2mm筛.试验结果见表1.

3.试验设备及试验步骤

试验设备采用能够自动实时采集数据的三轴试验系统,该系统能够分别伺服控制围压、反压和轴压,精度为1kPa；且自动测定试样的排水体积,精度为1mm3.因此,可以根据实验需要设定应力路径,如图1所示,具体试验步骤和压力取值分三步,见表2.

（1）所有的试样都在相同的初始状态下开展试验.各试样均在10kPa的较小围压下固结,从而排除试样与橡皮膜之间的气泡,使二者接触紧密,此时的排水不作为试样的体积变形；然后同步增大围压p和反压uw,使净围压p’ （等于p–uw）保持10kPa不变,试样内部的气泡被压缩,水分进入试样从而达到反压饱和的效果.

（2）净围压逐步增大使试样得到固结,如图3中的OAB阶段；随后净围压从B点减少至A点,水分流回,试样部分回弹；然后净围压再沿ABC的路径逐渐增大,达到一个比前期压力更高水平的固结压力.每级固结完成的标准为排水速率小于10mm3/h.

（3）为了分别研究净围压σ3’ 和偏应力 （σ1–σ3）对试样体积变形的影响,剪切阶段沿CD路径完成,此时的净围压保持常数,q/ p’等于3.