一种纤维红黏土应力应变关系的预测方法

技术领域

本发明属于土木建筑工程技术领域，具体涉及一种纤维红黏土应力应变关系的预测方法。

背景技术

红黏土是指碳酸盐类岩石经强烈化学风化后形成的高塑性黏土，广泛分布于云贵高原、四川东部、两湖及两广北部等地区，具有含水量大、塑性指数高、水稳定性与压实性差、易收缩开裂等特点，严重影响地基的稳定性。因此，红黏土地基需经过适当的地基处理，方能进行上部建筑结构的施工。

现有研究结果表明，纤维加筋法可有效改善土体的力学特性，显著提高地基的强度、刚度、抗液化能力及稳定性。纤维加筋法是通过在土体中添加一定质量的纤维而形成的一种复合材料，纤维在土体中呈随机均匀分布，纤维与土颗粒进行有效接触，通过纤维自身的抗拉性能以及与土颗粒间的摩擦咬合作用，来限制土体的各向变形，阻止破裂面的发展，从而提高土体的抗剪强度。学者们的研究结果表明，纤维加筋法可以显著提高土体的抗剪强度，抗拉性能及抗液化能力，并且受纤维种类、纤维含量、纤维长度、围压、颗粒级配等诸多因素的影响，但是针对黏土开展的研究较少，尤其是针对红黏土抗剪强度方面的研究相对较少。

专利申请CN115098921A公开了一种建筑固废-红黏土混合路基填料永久变形预估模型及建模、预估方法，通过击实试验、加州承载比试验确定不同建筑固废掺入率下的建筑固废-红黏土混合路基填料的最大干密度、最佳含水率和CBR值；制备不同建筑固废物掺入率的建筑固废-红黏土试样，对其进行干湿循环试验，对经过预设干湿循环次数的试样进行三轴试验，测定其回弹模量和永久变形；建立综合考虑建筑固废掺入率、干湿循环次数的弹变增量预估模型，进而得到综合考虑应力-应变关系、物理状态、循环加载次数、建筑固废物掺入率、干湿循环次数的永久变形预估模型，然后利用该永久变形预估模型进行建筑固废-红黏土混合路基填料的永久变形的准确、快速预估；但是该发明应用范围较局限，抗剪强度有待提高。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种纤维红黏土应力应变关系的预测方法，通过在SLB-1型应力应变控制式三轴剪切渗透试验仪针对围压、纤维长度与纤维含量下，对纤维红黏土的应力应变关系进行描述，通过对试验结果的拟合分析，建立可以考虑纤维含量、纤维长度、围压影响的双曲线本构模型；为纤维加筋红黏土地基的设计与施工提供参考与借鉴。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种纤维红黏土应力应变关系的预测方法，具体包括以下步骤：

步骤一、根据邓肯-张双曲线建立表示土体的应力-应变关系的模型

式中：σ

σ

σ

ε

a、b—试验参数

将式(1)变换为

步骤二、通过将试验结果绘制成ε

将式(3)代入式(2)整理得

式中：a

所述步骤二中的模型参数a

相对于现有技术，本发明有益效果如下：

1、根据邓肯-张双曲线建立表示土体的应力-应变关系的模型，对于不同围压、纤维长度及纤维含量下的回归分析结果，可见二者相关性较好，可以采用线性表达式表达，表明双曲线模型适用于描述纤维加筋红黏土的应力-应变关系，模型的适用性和有效性更高。

2、采用上述计算方法得出参数的估计值a

3、通过试验数据进行回归分析，试验结果与模型计算结果吻合较好，最大误差不超过10％，证明了建立模型的可靠性，表明该模型适用于描述纤维加筋红黏土的应力-应变关系。。

附图说明

图1为围压200kpa时不同纤维长度下纤维含量对红黏土强度的影响曲线，其中，图1(a)纤维长度7mm时曲线，图1(b)纤维长度13mm时曲线，图1(c)纤维长度19mm时曲线。

图2为围压200kPa时不同纤维含量下纤维长度对红黏土强度的影响曲线，其中，图2(a)纤维含量0.15％时曲线，图2(b)纤维含量0.25％时曲线，图2(c)纤维含量0.35％时曲线，图2(d)纤维含量0.5％时曲线，图2(e)纤维含量0.8％时曲线。

图3为不同纤维含量、纤维长度下围压对红黏土强度的影响，其中，图3(a)为纤维长度7mm时不同纤维含量曲线，图3(b)为纤维长度13mm时不同纤维含量曲线，图3(c)为纤维长度19mm时不同纤维含量曲线。

图4为3种纤维含量试样破坏后的照片，其中，图4(a)为纤维含量0％时试样破坏后的照片，图4(b)为纤维含量0.25％时试样破坏后的照片，图4(c)为纤维含量0.80％时试样破坏后的照片。

图5为200kPa下3种纤维长度与五种纤维含量下的试验结果，其中，图5(a)为纤维含量0％时曲线，图5(b)为纤维含量0.25％时曲线，图5(c)为纤维含量0.80％时曲线。

图6为纤维加筋红黏土抗剪强度试验与模型计算结果对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明作进一步详细说明。

一种纤维红黏土应力应变关系的预测方法，具体包括以下步骤：

步骤一、根据邓肯-张双曲线建立表示土体的应力-应变关系的模型：

式中：σ

σ

σ

ε

a、b—试验参数

将式(1)变换为

步骤二、通过将试验结果绘制成ε

将式(3)代入式(2)整理得

式中：a

两个模型参数a

实施例1

200kPa围压下，纤维长度为7mm、13mm以及19mm时与纤维含量为0.15％、0.25％、0.35％、0.50％以及0.80％时的纤维加筋红黏土应力—应变回归分析曲线，基于公式(2)，绘制曲线纵坐标为ε

如图5所示，随着ε

通过对其余试验数据的回归分析可以得出参数a、b、a

通过对表1模型参数的统计分析，发现如下规律：

(1)相同围压下，不同纤维长度及纤维含量时，参数a

(2)相同围压下，当纤维长度一定时，参数a

(3)相同围压下，当纤维含量一定时，参数a

采用上述计算方法得出参数的估计值a

表1模型参数

/>

在200kPa围压下，含水率为8.5％时，纤维长度为7mm、13mm及19mm时红黏土与纤维加筋红黏土应力-应变曲线。如图1所示，表明红黏土加纤维后，强度得到显著提高。且纤维红黏土具有应变硬化特征，且随纤维含量增加，硬化现象愈加明显，

在200kPa围压下，纤维含量为0.15％、0.25％、0.35％、0.50％以及0.80％时红黏土与纤维加筋红黏土应力-应变曲线。如图2所示，在相同纤维含量下，随着纤维长度的逐渐增加，曲线切线模量在增加，说明纤维越长，纤维红黏土的抗剪能力越强。由于纤维所能提供的拉力大小与纤维在剪破面两侧锚固长度有关，当纤维未达到抗拉强度时，纤维长度越长，拉力越大，抗剪强度越大。为了验证上述推测，表2列出不同试样的固结不排水抗剪强度指标。

表2纤维加筋红黏土固结不排水抗剪强度指标

纤维含量为0.25％与0.50％，纤维长度为7mm、13mm以及19mm时红黏土与纤维加筋红黏土应力-应变曲线。如图3所示，随围压增加，纤维红黏土强度相应增加。而相同围压下，随着纤维含量的增大，强度随之相应增加，特别是在较大轴向应变时更为明显。

纤维含量为0％、0.25％以及0.80％时的试样破坏后的照片，如图4所示。对于红黏土而言，应力-应变曲线具有峰值，属于典型的应变软化特征，试样破坏时具有剪破面，属于典型的破坏模式。对于纤维红黏土而言，当纤维含量较少时(0.25％)，试样破坏时无明显剪破面，试样中部外凸，属鼓胀型破坏模式。当纤维含量较大时(0.80％)，即使在较大轴向应变下(15％)，亦未出现破坏，足见高纤维含量显著提高了试样的抗剪强度。可见红黏土加纤维后，其破坏模式受纤维含量、纤维长度、围压及试验条件等多种因素影响，导致其破坏模式存在多种形式。

纤维加筋红黏土抗剪强度试验与模型计算结果对比，将表1中的参数估计值代入公式4中，由图6可见，由给定的轴向应变通过计算可以得出纤维加筋红黏土的偏应力，对于不同围压，纤维长度及纤维含量下的纤维加筋红黏土而言，试验结果与模型计算结果吻合较好，最大误差不超过10％，证明了建立模型的可靠性，表明该模型适用于描述纤维加筋红黏土的应力-应变关系。