期刊：Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering
年份：2024
作者： Xinyu Liu, Yu Miao, Xianwei Zhang, and Song Yin
摘要
残余土的岩土工程行为与沉积土的岩土行为存在本质差异，因为沉积土的风化成因作用，对土体响应的预测存在很大困难。本研究通过使用空心圆柱体设备进行的系统单调和循环简单剪切试验，评估了天然花岗岩残余土的抗剪强度和刚度。直剪测试提供了有关平面应变条件下土体行为的关键信息，并涉及主应力旋转，这超出了三轴剪切测试的范围。研究发现，在单调简单剪切下测量的花岗岩残余土的力学性能与通过其他常规实验室测试（如三轴剪切和平振柱测试）获得的力学性能不同。传统的三轴压缩试验给出了不保守的较高的土体强度参数，而简单剪切试验的参数似乎比三轴试验结果更合理。简单剪切时残余土的循环行为主要由循环应力比为主，循环应力比值越高，变形越大，孔隙水压力积累越大，刚度退化越快。当循环应力比超过0.125–0.1875范围内的临界值时，情况尤其如此。对于加载频率如何影响 0.01–1.0 Hz 范围内的土壤响应，无法建立一致的模式。本研究丰富了残余土表征技术，并提供了有关其力学行为的新数据集。
图表
图：单剪试验原理：（a）常规SS装置的原理图;（b） 在未排水状态下实现HCA（空心圆柱）中的SS;（c）常规SS测试中土样的变形;（d）HCA中的应力分量;及（e）使用HCA进行的SS测试中土样的变形。
图：花岗岩的典型风化剖面：（a）颗粒组成;（b）孔隙率，e;（c）矿物含量;（d） 材料指标ID;（e）横波波速，Vs。
图：（a、b）立体显微镜揭示天然GRS（花岗岩残余土）的多层次结构特征;（c）偏振光显微镜;（d和e）X射线计算机断层扫描;（f和g）扫描电子显微镜。
图：自然GRS的简单剪切路径：（a）MSS（单调简单剪切）测试过程中γθz的变化;（b和c）τθz随CSR值和频率值的变化而变化。
图：测试可靠性的验证：（a） MSS 测试期间应变分量随时间的典型变化;（b） MSS测试期间轴向力和扭矩的变化;（c） 将测得的τθz值与预定波形进行比较;（d） MSS（单调简单剪切）（实线）和 CSS（循环简单剪切）（虚线）测试期间 α 和 b 的变化。图（d）中的阴影区域是根据Porovic（1995）、Yoshimine等人（1998）和Premnath等人（2023）确定的。
图：自然GRS归一化剪切模量的演化。数据来自（a）Seed等人（1986年）;（b）Vucetic和Dobry（1991年）;（c） Zhang等人（2005年）;（d） Liu et al.（2021b）。
结论
通过风化形成的天然花岗岩残余土的特征是与沉积砂和粘土的岩土工程行为有本质的不同。要了解这种非教科书式土体的力学响应，需要的不仅仅是传统的三轴剪切试验，尤其是在涉及主应力方向旋转的平面应变条件下获得的信息。本文首次研究了中国南方地区大分级胶结、有小裂隙的残余土的单调性和循环性不排水简单剪切行为。荷载条件涉及有效固结应力、循环应力比和频率的各种组合。得出以下结论：
在MSS测试中，自然GRS表现出平面破坏，出现应变局部化和近水平剪切带，这与天然土胶结分布不均匀以及水平裂隙有关。在一般应力空间内，发现SS对应于唯一的失效线，并在三轴压缩和拉伸测试结果之间提供了中间强度参数。不同方法（TC、TE和MSS）测得的φ′值最大差值达到13°，测得的Su值超过270 kPa。这种差异凸显了如果要进行准确的土壤强度表征，就必须考虑PSR和平面应变条件。
在可比的扭转剪切应变下，MSS中的割线剪切模量比RCT或原位情况下的割线剪切模量低约70%。该现象的控制因素包括加载率、HCA应力分布的均匀性、试样-基体耦合、机器可压缩性和剪切应变测量分辨率。虽然前三个因素不太可能是降低剪切刚度的主要原因，但后两个因素应该是未来研究的主题。在这方面，应高度重视对设备扭转剪切刚度的研究以及局部应变测量的应用。
CSS 测试的临界 CSR 在 0.125–0.1875 之间，超过该值后，γθz 在短短 30 个周期内迅速增加到 20%。此外，还观察到PWP的广泛波动作为结构变化的指标。在这种情况下，q-p′曲线接近MSS测试中确定的失效线和τθZ–σ′z的有效应力路径Z平面是叶状的，但向τθz=0线弯曲。
在0.01–1.0 Hz范围内，循环负载频率的影响不一致，这一现象在文献中被广泛报道。0.01 Hz 的极低频率对应于较慢的应变发展速率，如 Nf=69 所示;相反，其他频率值对应于 Nf<30。在0.5 Hz频率下进行CSS的GRS表现出剪切膨胀和更快的刚度退化。
与文献中的其他风化材料相比，所研究的土壤在τcy/Suc–τav/Suc图中以稳定区域面积测量的循环负荷抵抗力相对较低。在拉伸应力范围内，天然GRS比沉积黏土更能抵抗循环荷载。需要对GRS的循环响应进行更多的研究，以更清晰地划分GRS的稳定区域边界，特别是纳入τav的变化。
参考文献
Liu, X., Miao, Y., Zhang, X., Yin, S., 2024. Mechanical Behavior of Natural Granite Residual Soil in Simple Shear. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 150, 04024083.
点击下方|关注我们
