毛乌素沙漠风积沙的力学特性研究

因为土壤是岩石风化形成的分散矿物颗粒的集合体，所以土壤一般含有固、液、气三相。在其形成的漫长地质过程中，受风化、搬运、沉积、固结和地壳运动的影响，其应力应变关系十分复杂，与多种因素有关。一方面，土的应力应变特性具有非线性、弹塑性和剪胀性(收缩性)。一方面，土的应力应变特性受3S的影响很大，即应力水平、应力路径和应力历史)[46]]。

(1)压力水平

所谓应力水平，一般有两层含义:一是指围压的绝对值；二是指应力(通常是剪应力)与破坏值的比值，即S = Q/QF，其中应力水平指围压。

随着不同围压下中密度砂土三轴试验曲线中σ3的增加，砂土的强度和刚度明显提高，应力-应变关系曲线形状也发生变化。在非常高的围压下，即使是非常密实的土也类似于松散砂土的应力-应变关系曲线；没有剪胀和应变软化。

需要指出的是，土的抗剪强度τf或qf随法向应力σn或围压σ3的增大而增大，但砂土破坏时的应力比或内摩擦角φ往往随围压的增大而减小。

土的变形模量随围压增大的现象也称为土的压缩性。由于土是由分散的颗粒组成，围压提供的约束对其强度和刚度非常重要。这也是土壤区别于其他材料的重要特征之一。在1963中，Janbu用以下公式表示了三轴试验中土的初始模量Ei与围压σ3的关系:其中:k和n为试验常数；Pa为大气压，与σ3维相同。这个公式后来被应用于许多本构模型。

(2)应力路径

在中密度砂的真三轴试验中，σ3不变，中间主应力不同(每次试验中B不变)。试验表明，随着中间主应力的增大，曲线的初始模量增大，强度也增大，体积膨胀减小，应变软化加剧(图1.1)。

图1.1不同中间主应力下偏离应力(σ1-σ3)与轴向应变和体积应变εv的关系曲线。

(3)压力史

应力历史不仅包括过去地质年代中天然土体的固结和地壳运动，还包括土体在实验室(或工程建设和运行中)的应力过程。对于粘性土，一般指其固结历史。如果粘性土在其历史上经历的最大前期固结压力(有效应力)大于当前的固结压力，那么它就是超固结粘土。如果当前固结压力是其历史上最大的固结压力，那么它就是正常固结土。如前所述，土的流变性使粘性土在长期荷载作用下表现出超固结，尽管固结应力在历史上没有发生变化。这也是压力历史的影响。

砂土的应力-应变关系曲线具有应力路径相关性，不同应力路径下相同起止应力状态下砂土的应力-应变关系明显不同。在实际工程中，土体不同部位在不同施工阶段所经历的应力路径不同，导致土体的应力应变关系和强度复杂多样。目前，岩土数值计算中常用的土体本构模型大多基于常规三轴试验，其模型参数也是基于简单试验。而常规三轴试验只能反映土在三轴压缩下的强度和变形特性，与其他应力路径无关。此外，在许多土的本构模型中，采用了经典的应力剪胀理论。研究表明，该理论忽略了沙子内部状态的影响，不能应用于沙子的模拟。因此，如何通过一些实验手段有效地模拟真实的应力路径，从而再现土的强度和变形特性，是一个重要的研究课题。

目前，对毛乌素沙漠风积沙基本力学性质的研究大多是基于少量采样和测试，以解决实际工程中遇到的问题。采用的试验方法有击实试验、压缩试验和直剪试验，而能反映土在三轴压缩下强度和变形特性的三轴试验很少。然而，关于毛乌素沙漠风积沙在不同应力路径下的应力应变关系的研究还是空白。如何有效地模拟毛乌素沙漠风积沙的真实应力路径，从而再现土的强度和变形特性，是一个亟待解决的重要问题。