飽和粉土變形特性三軸試驗

宋丹青，張洪瑞，馮興波

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200030；2.鄭州大學 土木工程學院，河南 鄭州 450001)

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飽和粉土變形特性三軸試驗

宋丹青1，張洪瑞2，馮興波1

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200030；2.鄭州大學 土木工程學院，河南 鄭州 450001)

對取自南京市某擬建高速公路路基的粉土，在室內按不同的干密度和含水率進行了試樣重塑。按不同干密度和不同初始制樣含水率進行飽和三軸固結排水剪切試驗，測得不同圍壓條件下的固結排水剪應力-應變曲線以及有效應力比曲線形態等工程特性。分析了粉土干密度、初始制樣含水率和圍壓對飽和粉土強度的影響。試驗結果表明：粉土的強度隨干密度的增加而變大，隨圍壓增大而增加；初始制樣含水率對粉土的強度有不同程度的影響；粉土的應力應變表現為弱應變軟化型。

粉土；干密度；含水率；三軸試驗

0　引言

《巖土工程勘察規范》[1]規定：粒徑大于0.075 mm，顆粒含量等于或小于總質量的50%，塑性指數小于或等于10的土，稱之為粉土。由于粉土的工程性質較為復雜，與黏性土和砂土相比，粉土顆粒與水的相互作用具有明顯區別，主要表現出“粉粒”的特征，其工程性質隨著顆粒組成的不同表現為轉折性變化[2]。

目前,許多學者針對粉土進行了研究。文獻[2]通過不固結不排水三軸剪切試驗和固結不排水三軸剪切試驗，對變齡期和變摻量條件下粉土及穩定土的強度和變形特性進行了研究。文獻[3]研究了液化程度和干密度對粉土液化后變形特性的影響，并考慮試驗動加載前不規則動加載和小幅預振對粉土液化后變形特性的影響。文獻[4]分析了粉土細粒含量和干密度對飽和粉土抗液化強度的影響。文獻[5]分析了動應力比、飽和度及固結圍壓對非飽和粉土動力液化特性、強度特性及孔壓特性的影響。文獻[6]使用吸力可測或可控的非飽和土振動三軸試驗儀，對飽和及非飽和粉土進行了動力變形試驗，在不同初始含水率和凈圍壓應力的條件下，得到了非飽和粉土及飽和粉土試樣的動應力應變骨架曲線、阻尼比和動彈性模量。文獻[7-8]研究了黏粒含量對粉土的若干動力性質和抗液化強度的影響。文獻[9]采用多功能靜動液壓剪切儀進行了室內動力循環試驗，分析了飽和重塑粉質土孔壓變化規律。文獻[10]利用“土工靜力-動力液壓-三軸扭轉多功能剪切儀”，研究了初始成樣含水率和初始主應力方向對粉土孔隙水壓力變化、應力-應變關系和有效應力路徑等的影響。

但是，由于粉土原狀樣難以獲取、易擾動、花費大，室內沒有如砂土和黏性土的比較成熟的制樣技術，導致制樣費時費力，難度較大[11-12]，針對粉土進行的室內研究有待加強。本文采用SJ-IA.G型三軸剪力儀,對南京地區某擬建高速公路路基的粉土進行飽和三軸固結排水試驗，研究了干密度、圍壓和初始制樣含水率對粉土強度的影響。

1　試驗方案

本試驗選用材料為粉土，土樣取自南京市某擬建高速公路的路基。粉土的物理指標為：取土深度15 m，天然重度γ=18.5 kN·m-3，塑限wp=19.4%，壓縮模量Es=7.9 MPa。

本試驗使用SJ-IA.G型三軸剪力儀，針對不同干密度、圍壓及初始制樣含水率下的粉土進行了飽和固結排水試驗。試樣制備方法如下：首先，測定均勻拌和后的粉土含水率(質量分數，下同)，將含水率控制為4個初始含水率10%、12%、14%和16%，按照不同的干密度(1.5 g/cm3、1.6 g/cm3和1.7 g/cm3)在試樣對開模中分5層擊實，使每層質量相同，每裝一層用擊錘輕壓使其接觸密實；然后，把接觸面輕微刮擦一下，使每兩層接觸緊密，以免造成裝樣分層現象，制成直徑為39.1 mm、高度為80.0 mm的試樣。試樣制備完成后將其放在室內進行養護，齡期3 d后將其從試樣模中取出，并準確測量試樣的高度、直徑及質量。

飽和粉土固結排水試驗方法如下：將粉土試樣放入真空飽和裝置，開啟真空泵進行抽氣飽和。試樣充分飽和是本試驗的關鍵。在試樣抽氣飽和12 h后，將其取出放置于三軸儀內，設置圍壓后打開圍壓閥，關閉反壓閥及排水閥進行固結。待試樣固結12 h后開始試驗，采用TSW-5土工試驗數據采集系統對試驗數據進行采集。

2　試驗結果與分析

2.1干密度對粉土試樣強度的影響

圖1　齡期3 d、圍壓100 kPa時，不同干密度粉土的應力-應變曲線

繪制齡期3 d、圍壓100 kPa條件下，粉土干密度分別為1.5 g/cm3、1.6 g/cm3和1.7 g/cm3時的應力-應變曲線，如圖1所示。由圖1可知：隨著干密度的增加，相同齡期條件下，不同干密度粉土試樣的應力-應變關系基本上表現為弱應變軟化型。不同干密度的粉土強度不同，干密度1.5 g/cm3時的主應力差峰值約為700 kPa，干密度1.6 g/cm3時的主應力差峰值約為950 kPa，干密度1.7 g/cm3時的主應力差峰值約為1 100 kPa。由此可以看出：粉土的強度隨著干密度的增加表現為增大趨勢。這與顆粒間的微觀結構有關，由于粒徑0.25 mm內的粉土顆粒較為單一，導致顆粒間的孔隙較大。隨著試樣的干密度增加，試樣變得更為密實，圍壓使孔隙體積產生壓縮，同時還改變了粉土顆粒的微觀結構，使顆粒間排列更加緊密，顆粒骨架更加堅硬，抵抗外部荷載變形的能力有較大幅度的提高，進而導致其抗剪強度也隨之增大[13-14]。試樣密實(干密度1.6 g/cm3和1.7 g/cm3)條件下，達到最大軸向承載力時，粉土試樣的微觀結構發生破壞，使骨架發生破壞，導致骨架的承載力開始降低，宏觀表現為試樣的弱應變軟化特性。

2.2圍壓對粉土試樣強度的影響

圖2　齡期3 d、干密度1.5 g/cm3、初始制樣含水率16%時，不同圍壓的應力-應變曲線

以初始制樣含水率16%、干密度1.5 g/cm3、齡期3 d的粉土試樣為例，繪制不同圍壓(100 kPa、200 kPa和300 kPa)下粉土試樣的應力-應變曲線，如圖2所示。由圖2可知：隨著圍壓增大，主應力差的峰值隨之增大，主應力差相同時相應的應變越小。隨著圍壓的增大，主應力差的峰值對應的應變隨之增大。圍壓100 kPa和200 kPa時，主應力差峰值對應的應變約為2.5%；圍壓300 kPa時，主應力差峰值對應的應變約為1.5%。主要原因為：材料在剪切之前，圍壓愈大，壓縮量愈大，相對密實度愈大，顆粒之間的咬合能力及抗剪切變形能力愈強，變形模量愈大。

圍壓與粉土試樣的應力-應變具有相關關系。圍壓100 kPa和300 kPa時，干密度1.5 g/cm3的粉土試樣表現出應變軟化特性，試樣破壞后強度表現為先緩慢下降，再逐漸趨于穩定；但是，圍壓200 kPa時，粉土試樣破壞后強度基本逐漸趨于穩定。相同干密度條件下，隨著圍壓的增加，主應力差峰值越大，其強度也表現為增大趨勢。

2.3初始制樣含水率對粉土試樣強度的影響

初始制樣含水率與粉土的強度具有相關關系，以齡期3 d、圍壓100 kPa時干密度1.5 g/cm3的粉土試樣為例，繪制在不同初始制樣含水率(10%、12%、14%和16%)的主應力差的應力-應變曲線，如圖3所示。由圖3可知：隨著初始制樣含水率的增加，主應力差的峰值也隨之變化。初始制樣含水率12%～16%時，主應力差峰值較為接近，以含水率12%的強度最大，并且試樣破壞后的強度也較為接近。但是，初始制樣含水率為10%時，粉土試樣的主應力差峰值約為730 kPa，較其他含水率的強度小很多。由此可知：初始制樣含水率對粉土試樣的強度具有一定程度的影響，其中以含水率12%～14%為宜。

初始制樣含水率10%時，試樣主應力差的峰值應變約為2.0%；含水率12%時，主應力差的峰值應變約為1.5%；含水率14%和16%時，主應力差的峰值應變約為2.5%。因此，圍壓相同時，不同齡期的試樣出現破壞時的應變基本相同，主應力差峰值相應的應變基本保持在1.5%～2.5%。同時可知：粉土試樣在不同初始制樣含水率的條件下，均表現為弱應變軟化特性。

2.4有效應力比的變化規律

以粉土為例，有效應力比隨應變的變化規律如圖4和圖5所示。由圖4可知：圍壓100 kPa條件下，試樣的有效應力比均隨干密度的增大而增加。在干密度較大(1.6 g/cm3和1.7 g/cm3)條件下，有效應力比隨應變的增長趨勢是先快速增長直至達到峰值，再快速下降達到穩定；在干密度較小(1.5 g/cm3)時，有效應力比隨應變的增長趨勢是先快速增長至穩定值，然后趨于穩定或者緩慢下降趨于穩定。由圖5可知：齡期3 d、圍壓100 kPa、干密度1.5 g/cm3條件下，有效應力比在初始含水率12%～16%時較大，在含水率10%時較小。

圖5　齡期3 d、干密度1.5 g/cm3、圍壓100 kPa時，不同初始制樣含水率的有效應力比變化曲線

2.5主應力差的變化規律

以齡期3 d的粉土為例，給出了不同干密度下最大主應力差與圍壓的關系，如圖6所示。由圖6可知：圍壓相同時，隨著干密度的增加，最大主應力差也隨之變大；相同干密度條件下，最大主應力差隨著圍壓增大而變大。由圖1至圖3可知：粉土試樣主應力差均在較小的軸向應變范圍內達到峰值，基本上在軸向應變2.5%以內。3種干密度的試樣的最大主應力差與圍壓的關系基本呈線性增大，在同一圍壓條件下，干密度1.7 g/cm3粉土試樣的最大主應力差最高，最大主應力差隨著干密度的增加而增加。

圖6　齡期3 d、不同干密度時，最大主應力差與圍壓的關系曲線

3　結論

(1)干密度是影響粉土變形特性的主要因素，隨著干密度的增加，粉土試樣強度表現為增大趨勢。隨著圍壓的增加，其強度也隨之增大。

(2)初始制樣含水率也是影響粉土變形特性的一個重要因素。初始制樣含水率為12%～14%時，粉土試樣強度最大；初始制樣含水率為10%時，強度最小；初始制樣含水率大于14%時，其強度有所下降。

(3) 粉土的應力應變表現為弱應變軟化型，粉土破壞后仍有較大的強度。但是，針對粒徑及加入石灰等材料對其強度的影響仍有待進一步探討。

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國家自然科學基金項目(41401107)

宋丹青(1989-),男,河南鄭州人,博士生,主要從事巖土工程方面的研究.

2016-01-03

1672-6871(2017)01-0052-04

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.01.011

U416

A