飽和粉土三軸等p應力路徑試驗特性研究

王 歡，劉曉強

(交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

隨著我國基礎設施建設的蓬勃發展，對不良的各類地基進行研究處理成為工程建設中面臨的重要課題。《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。粉土黏粒含量低、粉粒含量高、級配均勻、結構松散、很難壓實、屬不良地基[2]，建成后的粉土地基處于非飽和狀態，在內(粉土的顆粒物質成分、粉土的物理狀態等)外(降雨、地下水等)因素的共同作用下，極易發生災害[3]，應進行防治，在使用過程中受荷載比較復雜，因此研究飽和粉土的拉伸試驗和壓縮試驗的抗剪強度具有重要意義。

宋丹青等[4]研究了飽和粉土變形特性三軸試驗，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；王洪緒等[5]進行了江蘇沿海飽和粉土三軸試驗的研究，探討了各類指標間相互關系；吳瑞潛，張少龍等[6]研究重塑粉土抗剪強度特性受剪切速率的影響規律；Y. GUO等[7]分析初始含水率對重塑飽和粉土各向異性行為的影響；吳波、孫德安等[8]研究非飽和粉土的液化特性研究，探討了飽和度、動應力比及固結圍壓對非飽和粉土動力強度特性、液化特性及孔壓特性的影響；阮永芬等[9]分析飽和粉土的若干動力特性研究，分析粉土的動力特性；田競等[10]分析了飽和粉土動應力與動應變與動強度的影響因素；張更生[11]關于粉土固化室內試驗的結果進行分析；賀海濤[12]針對某高速公路的路基粉土填料，開展了控制基質吸力的三軸試驗，探討了基質吸力與抗剪強度參數的關系；安鴻飛等[13]關于粉土路基壓實質量進行研究分析；Ji-chao ZHang等[14]分析飽和粉砂土地基防護技術研究與應用；鄧雷飛[15]，林高杰等[16]對吹填粉土地基進行研究。許多學者[17-22]對粉土路基施工技術進行分析,研究成果為粉土路基施工提供資料。不同應力路徑下粉土力學特性變化不同，本文基于粉土結構的特殊性，對比三軸試驗等p應力路徑的壓縮與拉伸過程的各參數變化值，了解飽和粉土拉伸試驗與壓縮試驗的力學性質變化。

文章主要應用振動三軸試驗系統對飽和粉土進行不同干密度試樣的等p拉伸和等p壓縮的應力路徑試驗，分析應力、應變及孔隙水壓力變化規律，研究粉土試驗過程中變化特性及產生原因，研究結果可以為粉土特性研究及工程防治提供幫助。

1 三軸等p應力路徑試驗

1.1 試驗設備

試驗設備采用振動三軸試驗系統DYNTTS，利用計算機進行試驗過程的控制及試驗數據的采集，從而使試驗結果有很高的精確度，主機系統可以對軸向位移或軸向力實行控制。整套系統包括：三軸壓力室，內置一體化軸向驅動器，8通道數據采集系統，10 kN內置荷重傳感器，孔壓傳感器，位移傳感器、圍壓、反壓控制器。設備可以按照用戶定義的應力路徑完成三軸試驗，全面研究應力變化過程對土的力學性質的影響。

1.2 試驗制樣

試驗粉土試樣所需干密度分別定為1.67 g/cm3和1.56 g/cm3，對應的壓實度分別為96%和90%，為地基壓實處理中的取值范圍，試樣的最優含水率為13.83%。首先將所取粉土試驗土體在烘箱內烘干，將一定質量的水均勻噴灑于土樣中并充分攪勻，置于保濕缸中24 h以保證土樣中水分均勻，從而得到特定含水率的試驗樣品，根據設定的干密度計算出該含水率條件下所需的土樣質量，并采用儀器配套的擊實器分層擊實制樣。

1.3 飽和方法

試樣直徑為3.91 cm，高度為8 cm，首先采用水頭飽和方法在儀器上對試樣進行水頭飽和，直到進水量與出水量相等。

采用儀器配套控制器施加圍壓和反壓，進行反壓飽和，反壓飽和即反壓力飽和，相當于孔隙壓力而言，是在試驗過程中人為的將孔隙壓力提高一定程度，使土樣孔隙中的空氣在壓力的作用下溶于孔隙水，使土樣盡可能達到飽和[23]。維持反壓保持一段時間，直到反壓控制器體積不變，進行B值檢測，保證B值在0.95以上。

1.4 加載方式

試驗圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，試驗內容見表1所示。以土樣軸向變形及排水量穩定作為固結完成的標準。固結完成后進行不排水條件下的應力路徑等p拉伸(TE)、等p壓縮試驗(TC)，剪切速度為應變±0.1%/min，每個圍壓下試驗的結束條件為軸向應變不小于15%。

表1 試驗方案Tab.1 Experiment scheme

2 結果分析

試驗中通過各種傳感器與軟件自動量測系統記錄試驗過程中應力、應變、孔壓等的變化過程；圖1～圖6為不同干密度粉土剪切過程中的參數變化，圖中不同的曲線分別代表不同的試驗條件。

2.1 應力特性分析

應力-應變關系受密度、應力路徑等諸多因素影響，圖1、圖2給出了兩種干密度粉土四種圍壓條件下等p拉伸和等p壓縮應力路徑試驗的應力-應變關系曲線。

拉伸試驗中，粉土的應力隨應變的增大先減小后增大最后趨于穩定，其中干密度小的粉土應力峰值集中出現在小應變處，隨后迅速變化趨于穩定，干密度大的粉土應力峰值晚于較干密度小的粉土出現，之后緩慢趨于穩定，表現為干密度小的粉土結構不穩定，破壞較快，更容易受到擾動，干密度大的粉土更具有穩定性。

壓縮試驗中，干密度小的粉土隨應變的增大應力先增大后減小，穩定值相同，干密度大的粉土隨應變的增大，應力先增大后趨于穩定且圍壓越大穩定值越大。

拉伸試驗和壓縮試驗中相同圍壓條件下粉土越密實應力峰值越大，這是因為粉土結構越密實，抗壓能力越強。同種粉土拉伸或壓縮試驗，圍壓越大應力峰值越大，這是由于圍壓改變粉土顆粒微觀結構，使土顆粒排列更加緊密，抵抗外部荷載變形的能力提高，抗拉或抗壓強度增強[4]。

圖1 拉伸試驗 (應力-應變)Fig.1 Stress-strain of tensile test圖2 壓縮試驗(應力-應變)Fig.2 Stress-strain of compression test

2.2 孔隙水壓力分析

為了解粉土剪切作用下孔壓的變化過程，繪制孔壓隨應變的變化曲線，如圖3、圖4所示。

干密度小的粉土的拉伸試驗和壓縮試驗孔壓曲線變化趨勢相同，都是開始上升之后趨于平穩且相同粉土同種試驗圍壓越高相同應變對應的孔壓越高。這與試樣的受力情況相關，粉土受拉或受壓很快達到破壞應力迅速減小，等p試驗使得圍壓變大，粉土土顆粒間空隙大孔壓迅速上升直至穩定。

干密度大的粉土的拉伸試驗和壓縮試驗孔壓的曲線都會出現一個峰值即粉土破壞時最大應力對應的孔壓值，且同種試驗圍壓越大，相同應變對應的孔壓越大。拉伸試驗孔壓出現峰值后緩慢上升，原因為試驗過程應力緩慢下降等p試驗使圍壓緩慢上升，孔壓隨圍壓變化。壓縮試驗孔壓出現峰值后逐漸趨于平穩，原因為壓縮試驗時應力由小變大之后平穩，等p試驗使圍壓保持穩定不變，孔壓隨之穩定。

圖3 松散粉土(孔壓-應變)Fig.3 Pore pressure-strain of loose silt 圖4 密實粉土(孔壓-應變) Fig.4 Pore pressure-strain of dense silt

2.3 有效應力比分析

剪切過程中粉土有效應力比隨應變的變化規律如圖5、圖6所示。

拉伸試驗，有效應力比小于1，趨勢由大變小趨于穩定，相同圍壓下粉土結構越密實有效應力比越大。干密度小的粉土有效應力比最后穩定值為0，干密度大的粉土有效應力比穩定值為0.4。

壓縮試驗，有效應力比最大值大于1。干密度小的粉土有效應力比隨應變的增長快速達到峰值之后迅速下降為0附近。干密度大的粉土有效應力比隨應變的增加趨于穩定，有效應力比隨圍壓的增大而減小，相同圍壓下粉土結構越密實有效應力比越大。

圖5 拉伸試驗(有效應力比-應變)Fig.5 Effective stress ratio-strain of tensile test圖6 壓縮試驗(有效應力比-應變)Fig.6 Effective stress ratio-strain of compression test

3 結論

本文對飽和粉土進行分析，進行三軸等p應力路徑試驗，得出以下結論：

(1)拉伸試驗粉土的應力隨應變的增大先減小后增大，最后趨于穩定，干密度小的粉土應力峰值出現較早，干密度大的粉土應力峰值出現偏晚，表現為結構越密實粉土更具穩定性不易受擾動。壓縮試驗干密度小的粉土隨應變的增大，應力先增大后減小，穩定值相同，干密度大的粉土隨應變的增大，應力先增大后趨于穩定且圍壓越大穩定值越大。拉伸試驗和壓縮試驗中相同圍壓條件下粉土越密實應力峰值越大。同種粉土拉伸或壓縮試驗，圍壓越大應力峰值越大。

(2)干密度小的粉土的拉伸試驗和壓縮試驗孔壓曲線變化趨勢相同，開始上升之后趨于平穩且相同粉土同種試驗圍壓越高相同應變對應的孔壓越高。干密度大的粉土的拉伸試驗和壓縮試驗，孔壓的曲線都會出現一個峰值且同種試驗圍壓越大相同應變對應的孔壓越大。

(3)拉伸試驗有效應力比和應變關系中，有效應力比小于1，趨勢由大變小趨于穩定，相同圍壓下粉土結構越密實有效應力比越大。壓縮試驗有效應力比和應變關系中，有效應力比最大值大于1。干密度小的粉土有效應力比隨應變的增長快速達到峰值之后迅速下降為0附近。干密度大的粉土有效應力比隨應變的增加趨于穩定，有效應力比隨圍壓的增大而減小，相同圍壓下粉土結構越密實有效應力比越大。