固結(jié)方式對黏性土不排水強度性狀的影響

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(江蘇大學 土木工程與力學學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

我國東南沿海地區(qū)廣泛分布著軟黏土，隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，現(xiàn)代化建設(shè)的步伐不斷加快，沿海地區(qū)是我國經(jīng)濟相對發(fā)達地區(qū)，許多大型工程(如高速公路、鐵路、隧道、機場和碼頭等)不可避免地要建設(shè)在這些軟黏土地基之上[1]。由于軟黏土地基排水固結(jié)緩慢，穩(wěn)定性差，沉降問題突出，在外載荷作用下土體破壞表現(xiàn)出較大的突發(fā)性，給工程建設(shè)造成極大危害，因此必須要對軟黏土的工程力學性狀有一個全面和深入的認識。

各向異性是土體的重要力學特性之一，在很大程度上影響土體的性狀。土的各向異性可分為固有各向異性和應(yīng)力誘發(fā)各向異性[2]。應(yīng)力誘發(fā)各向異性對天然軟黏土工程特性的影響尤為明顯，包含靜止土壓力系數(shù)K0的固結(jié)應(yīng)力誘發(fā)各向異性，主要是由于天然土體的初始應(yīng)力狀態(tài)為K0固結(jié)狀態(tài)，而非各向等壓狀態(tài)，因此土體固結(jié)結(jié)束后會產(chǎn)生各向異性。土的室內(nèi)三軸試驗一般采用的是各向等壓固結(jié)，而天然土處于K0固結(jié)狀態(tài)[3]，試樣中的孔隙水壓力和有效應(yīng)力會因剪切前試樣的固結(jié)狀態(tài)不同產(chǎn)生差異，從而影響試樣的不排水強度[4]。

國內(nèi)外學者圍繞土的不排水強度開展了大量的研究工作，主要集中在三軸等向固結(jié)或K0固結(jié)條件下的研究[5-11]，但對兩者的對比研究開展的比較少。本文中通過獲取天然沉積土原狀樣，開展三軸等向固結(jié)和K0固結(jié)不排水剪切試驗，探索固結(jié)方式對天然沉積土不排水強度性狀的影響規(guī)律。

1 土樣基本特性

試驗土樣取自江蘇省連云港市某工程場地，采用大直徑聚氯乙烯管(內(nèi)徑為30 cm，高度為30 cm)獲取高質(zhì)量的原狀土樣，現(xiàn)場取土深度為2.5 m，場地地下水位為1.5 m。首先將取回的土樣進行常規(guī)的室內(nèi)土工試驗，測定其基本物理指標，如表1所示。根據(jù)試驗結(jié)果，繪制土的塑性圖，如圖1所示。從圖中可以看出，土樣位于A線上方，B線右側(cè)，屬于高液限黏性土。

表1 土的基本物理指標

圖1 試驗土樣的塑性圖

2 試驗方案

通過TKA系列全自動應(yīng)力路徑三軸儀中的K0固結(jié)模塊，測得該土樣的靜止土壓力系數(shù)K0為0.59，K0表示為

(1)

在三軸試驗中，土樣的應(yīng)力狀態(tài)可用q-p′關(guān)系來表示，其中q為偏應(yīng)力或廣義剪應(yīng)力，p′為有效均應(yīng)力，分別表示為

(2)

(3)

采用切土器平行制備一組三軸原狀樣(直徑為3.91 cm，高度為8 cm)，采用TKA系列全自動應(yīng)力路徑三軸儀分別進行等向與K0固結(jié)不排水剪切試驗，結(jié)果如圖2所示。等向固結(jié)與K0固結(jié)的區(qū)別在于等向固結(jié)始終保持偏應(yīng)力q=0，而K0固結(jié)偏應(yīng)力q隨p′線性增大，由K0=0.59代入式(2)、(3)，可以計算出q/p′=0.56。 具體試驗時，首先對土樣進行反壓飽和，待飽和度達到0.95后進行固結(jié)試驗；等向固結(jié)試驗采用等向固結(jié)模塊，有效均應(yīng)力p′分別取15、25、50、100、150、200 kPa；K0固結(jié)試驗采用K0固結(jié)模塊，沿K0線固結(jié)(q/p′=0.56)，分別設(shè)置有效均應(yīng)力p′為15、25、50、100、150、200 kPa；待固結(jié)穩(wěn)定后，進行不排水剪切試驗，剪切速率設(shè)為0.073 mm/min。

K0為靜止壓力系數(shù)；p為偏應(yīng)力；p′為有效均應(yīng)力。圖2 土樣固結(jié)方式示意圖

3 試驗結(jié)果分析

對試驗原狀土樣進行等向固結(jié)與K0固結(jié)不排水剪切試驗，得到不同p′下的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線，分別如圖3所示。在圖3(a)的K0固結(jié)的關(guān)系曲線中，由于土樣沿著K0線固結(jié)，土樣在不同p′下固結(jié)完成時具有一定的q值，因此當軸向應(yīng)變εa=0時，q不為0。在圖3(b)的等向固結(jié)關(guān)系曲線中，當εa=0時，所有土樣的q均為0。通過對比圖3可以看出，等向固結(jié)與K0固結(jié)土樣在低有效均應(yīng)力(p′=15、25、50 kPa)時，呈現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象。

(a)K0固結(jié)

(b)等向固結(jié)p′為有效均應(yīng)力。圖3 土樣K0(靜止土壓力系數(shù))固結(jié)和等向固結(jié)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

隨著有效均應(yīng)力p′的增大，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特征。

為了進一步比較K0固結(jié)與等向固結(jié)下的不排水強度特性，根據(jù)圖3確定不同p′下的不排水強度Su值，結(jié)果如圖4所示。若q-εa曲線在εa=15%前出現(xiàn)最大偏應(yīng)力qmax時，取Su=qmax/2，未出現(xiàn)最大偏應(yīng)力時，則取εa=15%對應(yīng)的q值的一半作為Su。

為三軸屈服應(yīng)力。圖4 土樣等向固結(jié)與K0(靜止土壓力系數(shù))固結(jié)不排水強度對比

為了進一步分析不同固結(jié)方式對原狀土樣不排水強度的影響，根據(jù)試驗結(jié)果繪制總應(yīng)力和有效應(yīng)力莫爾圓，如圖6所示。 圖中取屈服后的莫爾圓切線來確定總應(yīng)力強度指標和有效應(yīng)力強度指標。

圖5 土樣等向固結(jié)與K0(靜止土壓力系數(shù))固結(jié)不排水剪切應(yīng)力路徑

其中，等向固結(jié)不排水剪切的總應(yīng)力強度指標，土的黏聚力為2.7 kPa，內(nèi)摩擦角為14.2°；有效應(yīng)力強度指標，土的有效黏聚力為3.1 kPa，有效內(nèi)摩擦角為31.1°。K0固結(jié)不排水剪切的總應(yīng)力強度指標，土的黏聚力為5.0 kPa，內(nèi)摩擦角為18.3°；有效應(yīng)力強度指標，土的有效黏聚力為4.1 kPa，有效內(nèi)摩擦角為30.2°。 就有效應(yīng)力強度指標而言，2種固結(jié)方式下的黏聚力和內(nèi)摩擦角變化較小，表明等向固結(jié)與K0固結(jié)方式對有效應(yīng)力強度指標影響較小。 就總應(yīng)力強度指標而言，固結(jié)方式對有效應(yīng)力強度指標的影響主要是內(nèi)摩擦角。K0固結(jié)不排水剪切的內(nèi)摩擦角為18.3°，而等向固結(jié)不排水剪切的摩擦角為14.2°，這主要是由K0固結(jié)誘發(fā)的各向異性引起土顆粒的排列方式與等向固結(jié)的有差異所致。

(a) 等向固結(jié)

(b)K0固結(jié)圖6 土樣等向固結(jié)和K0(靜止土壓力系數(shù))固結(jié)不排水剪切試驗確定的應(yīng)力莫爾圓

4 結(jié)論

1)原狀土樣等向固結(jié)與K0固結(jié)土樣應(yīng)力-應(yīng)變在低固結(jié)壓力下呈現(xiàn)應(yīng)變硬化，隨著固結(jié)壓力p′的增加，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特性。

2)不同固結(jié)方式導致天然沉積土不排水強度存在差異，相同固結(jié)壓力下，K0固結(jié)不排水強度大于等向固結(jié)不排水強度。等向固結(jié)與K0固結(jié)不排水強度與有效均應(yīng)力p′的關(guān)系可以用雙直線表示，屈服前不排水強度隨有效均應(yīng)力的增大而增加較慢，屈服后不排水強度包線與重塑土相似，為一條通過原點的直線。

4)2種固結(jié)方式下有效應(yīng)力強度指標(土的有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角)參數(shù)變化較小，表明等向固結(jié)與K0固結(jié)對有效應(yīng)力強度指標參數(shù)影響較小。K0固結(jié)的內(nèi)摩擦角大于等向固結(jié)的內(nèi)摩擦角，兩者的黏聚力值變化不大，固結(jié)方式對總應(yīng)力強度指標的影響主要體現(xiàn)在內(nèi)摩擦角的不同。