荊州城區(qū)黏性土三軸與直接剪切試驗(yàn)強(qiáng)度對(duì)比分析

王勝杰

（成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059）

袁登才

（四川省阿壩州國(guó)土資源局，四川 馬爾康 624000）

韓文喜

（成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059）

土體有明顯的地域性，對(duì)土體力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試分析研究是基礎(chǔ)性工作。土體強(qiáng)度指標(biāo)的測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室主要是采用直接剪切試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)2種方法［1］。侯世偉等［2］對(duì)北京地區(qū)重塑黏質(zhì)粉土試樣分別進(jìn)行了固結(jié)排水和固結(jié)不排水的三軸壓縮試驗(yàn)，得到了該種土的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，并給出了土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與模型參數(shù)；尹驥等［3］采用三軸試驗(yàn)研究了上海第②層粉質(zhì)黏土非飽和強(qiáng)度與變形模量；楊金鐘等［4］對(duì)天津市上部地基土強(qiáng)度進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)研究。

近年來(lái)，隨著荊州經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，高層建筑與深大基坑不斷出現(xiàn)，施工過程中復(fù)雜的邊界條件對(duì)土體強(qiáng)度的測(cè)試提出了更高的要求。目前，在荊州地區(qū)主要采用直接剪切試驗(yàn)得到土體強(qiáng)度指標(biāo)，該方法不能考慮排水邊界條件，也不能考慮應(yīng)力路徑，這樣得到的土體強(qiáng)度指標(biāo)并不科學(xué)，在實(shí)際運(yùn)用中存在著一定的誤差。為此，筆者對(duì)荊州黏性土分別進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)與不同排水條件下三軸剪切試驗(yàn)，比較不同試驗(yàn)方法對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響。

1 取樣場(chǎng)區(qū)概況

取樣場(chǎng)區(qū)位于荊州水務(wù)集團(tuán)原金鳳水廠內(nèi)，場(chǎng)地地形較平坦，屬長(zhǎng)江一級(jí)階地地貌單元，其覆蓋層成因類型為沖、洪積。自然地面標(biāo)高為31.47～32.56m，根據(jù)鉆探揭露及靜力觸探測(cè)試成果，按其成因類型自上而下共分為6層:填土、粉質(zhì)黏土 、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂、細(xì)砂與卵石。筆者研究的土樣為粉質(zhì)黏土 ，褐黃－黃褐色，可塑狀，含少量鐵錳質(zhì)結(jié)核；巖心切面較光滑，局部夾薄層粉土或粉砂；干強(qiáng)度中等，韌性中等，承載力較高，壓縮性較低。該層土全場(chǎng)分布，厚0.6～5.9m，平均厚度為3.1m。

2 試驗(yàn)方法

三軸試驗(yàn)采用南京土壤儀器有限公司生產(chǎn)的TSZ－3型應(yīng)變控制式三軸剪切儀對(duì)土樣分別進(jìn)行不固結(jié)不排水試驗(yàn) （UU）和固結(jié)不排水試驗(yàn) （CU），試驗(yàn)時(shí)圍壓分別100、200、300kPa，?。é?－σ3）（σ1、σ3分別為作用在土體上的大主應(yīng)力、小主應(yīng)力）為峰值點(diǎn)的應(yīng)力值，若無(wú)明顯峰值點(diǎn)出現(xiàn)則取軸向應(yīng)變?yōu)?5%～20%時(shí)的應(yīng)力差為破壞點(diǎn)。

直接剪切試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制直接剪切儀對(duì)土樣進(jìn)行快剪試驗(yàn) （不排水剪），試樣在垂直應(yīng)力施加后立即進(jìn)行快速剪切，試驗(yàn)全過程都不允許有排水現(xiàn)象產(chǎn)生，直接剪切試驗(yàn)時(shí)作用于試驗(yàn)土樣上的垂直應(yīng)力分別為100、200、300kPa。

根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程［5］對(duì)黏性土進(jìn)行UU試驗(yàn)、CU試驗(yàn)以及對(duì)照組的直接剪切試驗(yàn)。三軸試驗(yàn)試樣直徑39.1mm，高80mm，直接剪切試驗(yàn)試樣直徑61.8mm，高20mm。試驗(yàn)所用黏性土的基本物理參數(shù)如表1所示。

表1 土體物理參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 UU試驗(yàn)結(jié)果

通過在不同圍壓 （100、200、300kPa）下的UU試驗(yàn)得到3組應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系圖，如圖1所示。根據(jù)UU試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到不同圍壓時(shí)的大小主應(yīng)力對(duì)繪制3個(gè)莫爾圓，如圖2所示。UU試驗(yàn)土體黏聚力C＝52.43kPa，內(nèi)摩擦角φ＝1.01°。

圖1 在不同圍壓下UU試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線

1）試樣破壞形套 試樣在受荷作用下，沿最薄弱的位置出現(xiàn)破壞面。一般情況下，相對(duì)于平面應(yīng)變條件，三軸試驗(yàn)比較難出現(xiàn)剪切帶。由于試驗(yàn)條件的限制，筆者對(duì)土體剪切帶的研究?jī)H從試驗(yàn)過程通過觀察試樣的破損過程以及試樣破壞后的形態(tài)做初步的探討。在三軸試驗(yàn)過程中，試樣剪切破壞是逐漸的，基本沿著試樣中的微小裂隙逐漸破損。試驗(yàn)中土體基本上呈鼓狀破壞，并出現(xiàn)一定的徑向變形。主要為單一剪切破壞，破壞面不夠清晰，但在主要破壞面周圍還有一些微小的剪切帶，各剪切帶破壞形態(tài)各異，沒有明顯規(guī)律，仔細(xì)觀察各剪切帶在三軸試樣中出現(xiàn)的位置和延伸方向，可以發(fā)現(xiàn)三軸剪切帶滑裂面出口通?？梢匝由斓皆嚇佣瞬客杆恢?。

圖2 UU試驗(yàn)強(qiáng)度包絡(luò)線

2）變形特性 黏性土試樣在偏應(yīng)力作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線是研究黏性土強(qiáng)度和變形的基礎(chǔ)。從圖1中可以看出，曲線可以分為4段:第1段為初始線性段，該段變形較小，反映結(jié)構(gòu)保持完好狀態(tài)下的變形；第2段為非線性段，該階段試樣發(fā)生塑性變形，顆粒之間產(chǎn)生滑移；第3段近似為線性，其斜率較第1階段為小，為加工硬化段，實(shí)質(zhì)為土體內(nèi)部顆粒發(fā)生重分布后形成了相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；第4段為下降段，為應(yīng)變軟化，表明試樣已發(fā)生破壞。

3）剪切強(qiáng)度參數(shù) 在應(yīng)力應(yīng)變曲線中若出現(xiàn)明顯的峰值點(diǎn)則取 （σ1－σ3）為峰值點(diǎn)的應(yīng)力值，若無(wú)明顯峰值點(diǎn)出現(xiàn)則取 （σ1－σ3）為應(yīng)變20%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。通過對(duì)圖1應(yīng)力應(yīng)變曲線計(jì)算得到黏性土土樣在進(jìn)行UU三軸試驗(yàn)時(shí)3組不同圍壓大小下所能承受的最大軸向應(yīng)力 （σ1－σ3）。

3.2 CU試驗(yàn)結(jié)果

通過在不同圍壓 （100、200、300kPa）下的CU試驗(yàn)得到3組應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系圖，如圖3所示。根據(jù)CU試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到不同圍壓時(shí)的大小主應(yīng)力對(duì)繪制3個(gè)莫爾圓，如圖4所示。UU試驗(yàn)土體黏聚力C＝47.03kPa，內(nèi)摩擦角φ＝12.60°。

圖3 不同圍壓下CU試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線

1）試樣破損形態(tài) 試樣破損形態(tài)與不固結(jié)不排水情況類似。試樣發(fā)生漸進(jìn)剪切破壞，基本沿著試樣中的微小裂隙逐漸破損。試驗(yàn)土體基本上呈鼓狀破壞，并出現(xiàn)一定的徑向變形，徑向變形較不固結(jié)不排水為大。主要為單一剪切破壞，破壞面不夠清晰，但在主要破壞面周圍還有一些微小的剪切帶，各剪切帶破壞形態(tài)各異，沒有明顯規(guī)律，仔細(xì)觀察各剪切帶在三軸試樣中出現(xiàn)的位置和延伸方向，可以發(fā)現(xiàn)三軸剪切帶滑裂面出口通?？梢匝由斓皆嚇佣瞬客杆恢?。

2）變形特性 黏性土試樣在偏應(yīng)力作用下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線是研究黏性土強(qiáng)度和變形的基礎(chǔ)。試驗(yàn)黏性土的三軸剪切試驗(yàn)曲線與UU試驗(yàn)曲線有較大區(qū)別。從圖3中可以看出，曲線可以分為4段:第1段為初始線性段，該段變形較小，其斜率較UU為小；第2段為硬化線性段，該階段試樣表現(xiàn)為線彈性；第3段為非線性段，該階段發(fā)生塑性變形，顆粒之間產(chǎn)生滑移；第4為段下降段，為應(yīng)變軟化，表明試樣已發(fā)生破壞。

圖4 CU試驗(yàn)強(qiáng)度包絡(luò)線

3）剪切強(qiáng)度參數(shù) 在應(yīng)力應(yīng)變曲線中若出現(xiàn)明顯的峰值點(diǎn)則取 （σ1－σ3）為峰值點(diǎn)的應(yīng)力值，若無(wú)明顯峰值點(diǎn)出現(xiàn)則取 （σ1－σ3）為應(yīng)變20%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。通過對(duì)這3組應(yīng)力應(yīng)變曲線計(jì)算得到黏性土土樣在進(jìn)行CU三軸試驗(yàn)時(shí)3組不同圍壓大小下所能承受的最大軸向應(yīng)力 （σ1－σ3）。

3.3 直接剪切試驗(yàn)結(jié)果

1）與UU作對(duì)照的直接快剪試驗(yàn)結(jié)果分析 土樣的含水率為19.93%，直接剪切試驗(yàn)時(shí)作用于試驗(yàn)土樣上的垂直應(yīng)力分別為100、200、300kPa。

圖5 直接剪切試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度與垂直應(yīng)力關(guān)系曲線

與UU對(duì)照的直接剪切試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度與垂直應(yīng)力關(guān)系曲線如圖5（a）所示。由圖5（a）可知，土樣在直接剪切試驗(yàn)下的黏聚力C＝36.68kPa，內(nèi)摩擦角φ＝9.34°。

2）與CU作對(duì)照的直接快剪試驗(yàn)結(jié)果分析 土樣的含水率為20.12%，直接剪切試驗(yàn)時(shí)作用于試驗(yàn)土樣上的垂直應(yīng)力分別為100、200、300kPa。

與CU對(duì)照的直接剪切試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度與垂直應(yīng)力關(guān)系曲線如圖5（b）所示。由圖5（b）可知，土樣在直接快剪試驗(yàn)下的黏聚力C＝34.58kPa，內(nèi)摩擦角φ＝9.29°。

4 結(jié)論

1）將UU試驗(yàn)和CU試驗(yàn)對(duì)比，UU試驗(yàn)的黏聚力大于CU試驗(yàn)，而內(nèi)摩擦角遠(yuǎn)小于CU試驗(yàn)。

2）將直接剪切試驗(yàn)與UU試驗(yàn)對(duì)比，UU試驗(yàn)的黏聚力大于直接剪切試驗(yàn)，而內(nèi)摩擦角小于直接剪切試驗(yàn)。

3）將直接剪切試驗(yàn)與CU試驗(yàn)對(duì)比，CU試驗(yàn)的黏聚力和內(nèi)摩擦角均略大于直接剪切試驗(yàn)。

4）將這4組試驗(yàn)作對(duì)比，相同土樣的情況下UU試驗(yàn)的黏聚力最大，CU試驗(yàn)的內(nèi)摩擦角最大。

不同的剪切方式和對(duì)排水條件的控制都影響了土體的抗剪強(qiáng)度系數(shù)，UU試驗(yàn)相對(duì)CU試驗(yàn)黏聚力較大，而內(nèi)摩擦角則明顯小于CU試驗(yàn)，可能原因是由于UU試驗(yàn)在整個(gè)試驗(yàn)過程中都嚴(yán)格控制了土樣的排水；無(wú)論UU試驗(yàn)還是CU試驗(yàn)得到的黏聚力都大于直接剪切試驗(yàn)的黏聚力，這與三軸試驗(yàn)過程中的圍壓施加有關(guān)；直接剪切試驗(yàn)排水情況難以控制、小主應(yīng)力σ3假定為零、豎向壓力分布不均勻、有效剪切面積逐漸減小且剪切面也不一定是試樣的最弱面，這些因素都可能使得直接剪切試驗(yàn)的黏聚力、內(nèi)摩擦角偏離實(shí)際情況且均小于CU試驗(yàn)結(jié)果。

［1］常士驃 .工程地質(zhì)手冊(cè) ［M］.北京:建筑工業(yè)出版社，1993:50－103.

［2］侯世偉，路德春，杜修力，等 .北京地區(qū)黏質(zhì)粉土三軸試驗(yàn)與分析 ［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2010，43（增）:548－553

［3］尹驥，陳寶，李煜，等 .上海第②層粉質(zhì)黏土非飽和強(qiáng)度與變形模量的三軸試驗(yàn)研究 ［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2009，31（10）:1619－1625

［4］楊金鐘，王艷宏 .天津市上部地基土三軸剪切試驗(yàn)強(qiáng)度的研究 ［J］.天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，21（3）:86－88

［5］SL237－1999，土工試驗(yàn)規(guī)程 ［S］.