超固結比影響下飽和黏土力學特性試驗研究

魏 松，張文進，肖淑霞,3，陳 清

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2. 南京水利科學研究院 水利部土石壩破壞機理與防控技術重點實驗室，江蘇 南京 210024；3.重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

超固結比影響下飽和黏土力學特性試驗研究

魏 松1,2,3，張文進1，肖淑霞1,3，陳 清1

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009；2. 南京水利科學研究院 水利部土石壩破壞機理與防控技術重點實驗室，江蘇 南京 210024；3.重慶交通大學 水利水運工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

利用合肥地鐵站基坑黏土進行了5種超固結比(OCR)下的原狀和重塑飽和土快剪試驗，分析了原狀土和重塑土在不同OCR下的剪切性狀、抗剪強度及強度指標黏聚力(c)和內摩擦角(φ)的變化規律。結果顯示：不同OCR原狀土多為應變硬化性狀，重塑土超固結時多為應變軟化、欠固結多呈應變硬化性狀；同豎向應力時，重塑土峰值抗剪強度隨OCR增加而增大；同OCR時，重塑土峰值抗剪強度隨豎向應力增大而增大；同前期固結應力(pc)和OCR時，原狀土峰值抗剪強度較重塑土大；重塑土按同OCR求抗剪強度指標時，OCR增大c減小、φ增大；重塑土按同pc求抗剪強度指標時，pc增加c先增大后減小、φ增大；原狀土抗剪強度破壞曲線在pc值處呈明顯向下彎折性狀。

巖土工程；超固結比；重塑土；剪切性狀；抗剪強度

0 引 言

工程建設中，地基是影響工程安全的重要因素，尤其是隨著社會的發展和城市化進程的不斷加快，超高、超大建筑日益增多，也造成了地基所承受荷載的增大，從而需要人們對地基的工程特性進一步認知，以能正確把握地基的強度和變形，確保工程建設安全。在高邊坡、河渠道開挖工程中，開挖卸載作用下造成的土體應力狀態的改變也帶來了土體的工程特性的變化。上述工況下地基工程特性的改變，與土體的超固結比有較大關系，開展考慮超固結比影響的地基土力學特性研究具有較大理論和實踐意義。

研究表明，超固結比及力學狀態對土體力學性質有著顯著影響。李劍等[1]進行了大量不同應力歷史條件下重塑紅黏土的動三軸試驗，結果表明：在紅黏土的強度范圍內，提高土體圍壓、壓實度、振動頻率和超固結比，有助于提高土體動強度和動彈性模量；廖濟川[2]指出超固結性對膨脹土邊坡失穩的影響不容忽視；李新明等[3]通過應力路徑三軸試驗分析指出超固結比對膨脹土的力學特性有一定的影響；張冬梅等[4]、ZHU Jungao等[5]、T．C．SHEAHAN等[6]均通過三軸試驗研究了超固結比對土體強度、孔隙水壓力等土體力學特性的影響；徐舜華等[7]認為應力歷史對土體的固結性狀影響很大，正常固結和超固結土的剪切強度不同；R．J．CHANDLER[8]選取K0固結三軸不排水剪切強度與豎向有效固結荷載的比為定值0.33，對試驗數據進行了歸一化處理，提出了重塑土固有強度曲線ISuL；徐連民等[9]通過各種不同超固結比下的三軸試驗和伸長剪切試驗，對超固結土的變形特性做了研究，并給出相關狀態量的演化規則；此外，陳存禮等[10]、梁燕等[11]、張榮堂等[12]和江美英等[13]進一步探討了不同應力路徑和超固結比下土體的力學特性的歸一化特性；向杰等[14]研究得出：水庫水位上升和下降階段，水動力是影響其邊坡穩定性的重要因素；王俊杰等[15]利用GDS三軸試驗系統對松散堆積土體的強度和變形特性進行了試驗研究，結果表明：試驗圍壓和相對密實度對松散堆積土體的強度和變形特性有顯著影響；楊俊等[16]對膨脹土的改良進行了試驗研究，結果表明：摻砂比例和初始干密度能夠較大程度地改變土體膨脹力的變化幅度。上述研究成果豐富了人們關于超固結比對土體力學特性的認識，提供了大量的試驗和理論依據，為后續關于土體力學特性相關研究和工程項目奠定了一定基礎。

筆者以合肥某地鐵站黏土為研究對象，擬定了不同超固結比下的原狀土和重塑土的直剪試驗，分析了超固結比對土體抗剪強度及強度指標、土樣剪切性狀曲線的影響。

1 試樣制備和試驗方案

1.1 土料參數

本試驗所用土樣取自合肥某地鐵站基坑施工現場，取樣深度約8 m，地下水位約4 m，原狀土的基本參數：干密度ρd=1.54 g/cm3，液限wl=55.3%，塑限wp=24.6%，相對體積質量Gs=2.70。根據高壓固結試驗(采用卡薩格蘭德經驗作圖法)測得前期固結壓力約120 kPa，屬于正常固結土。為便于分析研究，筆者試驗中所用重塑樣土料采用原狀樣相同的土源。

1.2 試樣制備

本次主要進行原狀土和重塑土直剪試驗。原狀土試樣采取用環刀(φ=61.8 mm，h=20 mm)現場切土取樣。重塑樣土源同原狀樣，經風干、碾碎、過篩、配置含水率w=18%、靜置24 h以上使得土料含水率均勻，再采用控制同原狀樣干密度(ρd=1.54 g/cm3)進行直剪試樣的制備。兩種試樣均需進行抽氣飽和。

為得到不同超固結比的原狀土樣和重塑土樣，本試驗中采用了如下處理方法：① 對原狀土，根據其前期固結壓力pc設定了直剪試驗的不同豎向壓力p0，試驗時需要在豎向應力作用下變形穩定；② 對重塑土，設定預固結壓力先固結完成，再設定直剪試驗的不同豎向壓力p0，試驗時應在豎向應力作用下變形穩定。

土料固結試驗顯示：在豎向固結荷載(40～720 kPa)作用下，3 h左右試樣可以達到不大于0.005 mm/h的固結變形速率。為此，原狀土和重塑土的初始應力狀態的獲得采用≯0.005 mm/h的固結變形速率作為在某豎向應力作用下變形穩定的標準。為便于研究，對重塑土在某豎向壓力作用下固結達到穩定，則將該豎向壓力視為前期固結壓力pc[17]，采用固結24 h。

1.3 試驗方案

本次剪切試驗為快剪。為便于試驗結果分析，重塑土采用與原狀土相同的OCR值。原狀樣的前期固結壓力為120 kPa，重塑樣的前期固結壓力通過固結24 h得到。

根據前期固結壓力值，設定原狀土剪切的豎向應力分別為360，240，120，60，40 kPa，相應超固結比OCR分別為1/3，1/2，1，2，3(表1)。重塑土試驗采用與原狀土相同的OCR值，具體試驗方案見表2。

表1 原狀土試驗方案

表2 重塑土試驗方案

2 試驗結果與分析

2.1 試樣剪切性狀分析

圖1為原狀土試樣剪切應力變形曲線。由圖1看出：對前期固結應力為120 kPa的原狀土試樣，在不同超固結比下，直剪所得應力位移曲線整體上是應變硬化型性狀；圖中超固結(OCR=2，3)和欠固結(OCR=1/2，1/3)狀態下的土樣剪切性狀均為該性狀，而正常固結(OCR=1)狀態下的應力位移曲線稍有應變軟化性狀；由于試驗土體干密度不是很大，分析認為正常固結狀態下的軟化性狀應該是試驗中其他因素影響的結果。

圖1 原狀土試樣剪切性狀Fig. 1 Shear properties of the undisturbed specimen

圖2為重塑土樣在不同超固結比下的剪切應力變形曲線。

圖2 重塑土剪切性狀Fig. 2 Shear properties of the remolded soil specimen

由圖2可看出：在超固結(OCR=2，3)狀態下，土樣的剪切應力隨著剪切位移的增加均出現峰值，剪切性狀曲線均表現出弱應變軟化性狀，OCR=3時曲線應變軟化現象稍明顯一些；而對于正常固結(OCR=1)和欠固結(OCR=1/2，1/3)的剪切應力變形曲線，除個別試樣在剪切過程中出現剪切應力峰值外，其余試樣均表現為剪切應力隨著剪位移增加而持續增大，未出現峰值，應力位移曲線呈現出應變硬化特性。上述現象應該比較符合一般欠固結土和超固結土的力學行為。

為對比在相同前期固結壓力條件下的重塑土和原狀土試樣剪切性狀的差異，圖3中列出了重塑土中前期固結壓力(視為前期固結壓力)為120 kPa的3個固結比剪切試驗結果。由圖3可看出，在不同固結比情況下，重塑土試樣的強度較原狀土小，這也說明了該黏性土在重塑后存在強度降低。

圖3 重塑土剪切性狀(pc=120 kPa)Fig. 3 Shear properties of the remolded soil specimen (pc=120 kPa)

對前述重塑土在超固結比較大時土樣的剪切性狀與原狀樣有所不同，而在欠固結狀態下又基本一致的現象，可做如下分析：

1)原狀土：在歷史荷載長期作用下，土體的結構性較好，黏性土顆粒之間膠結作用、重結晶作用較強。當在欠固結狀態下進行剪切時，由于原狀土樣具有較強的結構穩定性，所施加豎向荷載不足以破壞原土體結構的穩定性，故呈現應力硬化特征；當在超固結狀態下進行剪切時，在外荷載作用下，原狀土樣的結構依然具有較強穩定性，呈現應力硬化特征。

2)重塑土：一般情況下，重塑土結構性稍差，土體顆粒間的膠結作用、重結晶作用以及顆粒間摩擦咬合作用較弱，在預固結壓力(視為前期固結壓力)作用下，顆粒因發生移動、轉動，甚至破壞而重新排列，土體也達到新的穩定狀態，但較脆弱，在預壓應力卸除后，土體顆粒結構可能發生改變。當在固結比稍大狀態下進行剪切時，由于所施加豎向荷載小于預固結壓力，土體顆粒間在預固結壓力作用下已經形成的咬合作用將減弱。故在試驗過程中，土體在達到一定承載能力后易于失穩，造成結構的破壞，從而造成強度的降低、發生應變軟化，剪切荷載與預壓荷載間差值越大，剪切軟化就越顯著。當在欠固結狀態或和正常固結狀態下進行剪切時，由于所施加豎向荷載大于或等于預固結壓力，土顆粒間已有的膠結、咬合、排列、定向作用進一步加強，土體結構漸趨穩定，故試樣呈現應變硬化性狀。

2.2 抗剪強度分析

圖4列出了不同OCR值下重塑土試樣快剪的豎向壓力和抗剪強度值。由圖4可見：在相同豎向應力作用下，超固結比越大，土體的抗剪強度越大；相同固結比時，豎向應力越大，土體的抗剪強度也越大。同時也發現，在OCR<1情況下，抗剪強度破壞線非直線，而為上升下彎曲線。

圖4 重塑土抗剪強度Fig. 4 Shear strength of the remolded soil

圖5為前期固結應力pc=120 kPa時，原狀土和重塑土試樣快剪豎向壓力與抗剪強度值曲線。由圖5可看出：原狀土的抗剪強度均比重塑土大，但隨著剪切豎向壓力的增加，二者的差距逐漸減小。同時，原狀土的抗剪強度破壞線也是非直線，而為上升下彎曲線，拐點約在OCR=1附近。

圖5 原狀和重塑試樣抗剪強度(pc =120 kPa)Fig. 5 Shear strength of the undisturbed and remolded specimen (pc=120 kPa)

根據上述結果，從研究角度可做如下分析：

1)重塑土：在相同的豎向壓力作用下，隨著OCR值的增大，也即為土體的前期固結壓力增大了，這也使得土體更加密實。若需破壞土體已形成的密實結構需要更大的外部作用，故表現出的土體抗剪強度隨OCR值的增加而增大。相同固結比時，豎向應力越大，土體的抗剪強度也越大。

2)原狀土：在長期壓力和自然沉降作用下，由于土顆粒直接接觸處礦物質的重結晶作用，土體顆粒膠結在一起，然而這種膠結作用在重塑土試樣中被破壞后不能立即回復；其次，相較于原狀土而言，重塑土的結構性較弱，這也是其抗剪強度較小的原因之一。因此，在試驗中原狀土試樣的抗剪強度比相應重塑試樣高。

3)原狀樣和重塑樣約均在OCR=1附近出現抗剪強度破壞線非直線，并出現拐點，這應是由于在欠固結情況下，土體表現出在本身抗剪強度增長因欠固結而有所放緩的現象。

應特別指出，黏性土抗剪強度影響因素眾多，上述分析仍較初步，有待進一步深入研究。

2.3 抗剪強度指標分析

根據重塑土的試驗結果，通過同一超固結比下的剪切試驗數據作為一組，可獲得某一超固結比下的抗剪強度指標。圖6分別列出了重塑土抗剪強度指標c，φ值隨OCR值的變化規律。隨著OCR值的增大，土體黏聚力c值逐漸減小，而內摩擦角φ值逐漸增大。

圖6 重塑土抗剪強度指標與OCR關系Fig. 6 Relationship of shear strength index and OCR of the remolded soil

若將同一前期固結應力下的剪切試驗數據作為一組，可獲得重塑土對應的抗剪強度指標，如圖7。隨著前期固結應力增加，土體黏聚力c值先逐漸增加后減小，而內摩擦角φ值逐漸增大。

圖7 重塑土抗剪強度指標與pc關系Fig. 7 Relationship of shear strength index and pc of the remolded soil

圖8給出了前期固結應力為120 kPa的原狀土試樣的抗剪強度值。

圖8 原狀土τ-p0關系曲線Fig. 8 Relation curve of τ and p0 of the undisturbed soil

由圖8可看到，對于原狀土，在po=pc處，強度曲線呈現明顯彎折。在OCR≤1狀態下，土體的黏聚力較大，內摩擦角較小，分別為57.4 kPa和2.3°；在OCR≥1狀態下，土體黏聚力較小，內摩擦角較大，分別為41.6 kPa和10.1°。該規律與圖6中的重塑土規律基本一致。

對兩種重塑土獲得土體抗剪強度指標的方法可看出，采用等前期固結壓力組試驗結果所得抗剪強度指標較等OCR情況下的更接近原狀土的指標，這也說明采用等前期固結壓力試驗用于模擬某一原位土體的抗剪強度是比較合理的。

針對考慮固結比的土體抗剪強度試驗結果，可從摩爾-庫倫強度理論進行分析。根據摩爾-庫倫強度理論，土體的強度由黏聚強度c和摩擦強度σtanφ組成。摩擦強度通過土體內摩擦角φ反映，其影響因素主要有兩個：一是土體顆粒之間的滑動摩擦；二是咬合摩擦。隨著OCR值增大，土體顆粒間產生滑動破壞時產生的摩擦力就越大；再者，OCR值增大迫使土顆粒間的間距變小，使之以一種更加緊密的方式咬合在一起，其間的咬合力也因此增加。因此在試驗中，隨著OCR值的增加，土體內摩擦角φ呈現出遞增規律。

土體黏聚力是土體顆粒間斥力和引力的綜合反映。隨著OCR值增大，其土體顆粒重新排布的同時，土體顆粒間原有的引力被減弱或破壞，而新的引力在短時間內尚無法形成，因此隨著OCR值的增大，土體黏聚力c值呈現出遞減的規律。

圖7中，將同一前期固結應力下的剪切試驗數據作為一組，獲得重塑土對應的抗剪強度指標。隨著前期固結壓力的增大，土體黏聚力先增大后減小的情況，筆者認為隨著前期固結壓力的增大，飽和重塑土中的孔隙水被擠出，顆粒間周圍的水膜逐漸變薄，土體顆粒間距變小，通過公共水膜的水膠連接作用逐漸增強，黏聚力也因此相應增大。但當前期固結壓力超過一定值時，土體的黏聚力也會因土體顆粒的重新排布呈現出減小的趨勢。

3 結 論

試驗結果表明：超固結比對飽和黏土剪切性狀、抗剪強度及強度指標c，φ值等力學特性均有較大影響，可得出如下結論。

1)超固結狀態下，重塑土樣呈現出弱應變軟化特性，且OCR值越大，應變軟化更加顯著；正常固結和欠固結狀態下，重塑土樣呈現應變硬化特性；固結狀態對原狀土樣的剪切性狀影響較小，均呈現應變硬化特性。

2)在相同豎向荷載下，重塑土和原狀土的抗剪強度均隨OCR值增大而增大；在相同OCR值下，二者抗剪強度隨豎向荷載增加而增大；前期固結壓力(重塑土為預固結壓力)與剪切豎向壓力均相同條件下，原狀土抗剪強度較重塑土大；二者抗剪強度破壞線均非直線，約在OCR =1出現拐點。

3)對重塑土，按同OCR求抗剪強度指標時，OCR增大，c減小、φ增大；按同pc求抗剪強度指標時，前期固結壓力增加，c先增大后減小、φ增大。對原狀土，與超固結狀態下相比，在欠固結狀態下的c較大，φ較小，該規律與重塑土基本一致。

筆者僅針對5種超固結比OCR值下的原狀土和重塑土進行了力學特性部分試驗和探討，且試驗數據有限，探究超固結比OCR值對土體力學特性影響的普遍規律還有待進一步研究。

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(責任編輯：劉 韜)

Mechanical Properties of Saturated Clay under Effect of over Consolidation Ratio

WEI Song1, 2, 3, ZHANG Wenjin1, XIAO Shuxia1, 3, CHEN Qing1

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, Anhui, P. R. China;2.Key Laboratory of Failure Mechanism and Safety Control Techniques of Earth-Rock Dam of the Ministry of Water Resources, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210024, Jiangsu, P. R. China; 3.Key Laboratory of Hydraulic and Waterway Engineering of the Ministry of Education, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China )

Quick shear tests were performed on the undisturbed and remolded clay of a subway station foundation-pit in Hefei under 5 over consolidation ratio (OCR) states. The change regulations of the shear behavior, shear strength and strength indexes (cohesioncand internal friction angleφ) of the above soils under different OCR were investigated. The results show that: under different OCR, the undisturbed clay mostly shows strain hardening performance, and the remolded clay mostly shows strain softening performance at over-consolidation state and strain-hardening performance at under-consolidation state. With the same vertical stress, the peak shear strength of remolded clay would increase with the increase of OCR. Under the same OCR, the peak shear strength of remolded clay would increase with the increase of vertical stress. With the same pre-consolidation stresspcand OCR, the peak shear strength of the undisturbed clay was larger than that of the remolded clay. For the remolded clay, when solving shear strength indexes is according to the same OCR samples, with the OCR increase, the value ofcwill decrease and the value ofφwill increase. For the remolded clay, when solving shear strength indexes is according to the samepcsamples, with thepcincrease, the value ofcwill increase at first but decrease later, and the value ofφwill increase. The undisturbed clay shear strength failure curves show significant bending performance atpc.

geotechnical engineering; over consolidation ratio (OCR); remolded soil; shear behavior; shear strength

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.05.12

2015-10-23；

2015-11-14

國家自然科學基金項目(51579063)；水利部土石壩破壞機理與防控技術重點實驗室開放研究基金項目(YK913005)；重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室暨國家內河航道整治工程技術研究中心開放基金項目(SLK2011B02)

魏 松(1970—)，男，安徽霍邱人，副教授，博士，主要從事巖土工程及水利工程方面的研究。E-mail：910884583@qq.com。

張文進(1988—)，男，山東單縣人，碩士研究生，主要從事巖土工程及水利工程方面的研究。E-mail：1275226143@qq.com。

TU43

A

1674-0696(2017)05-064-07