固結(jié)對黏性土抗剪強度的影響研究

肖 健 (江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 常州 213147)

我國廣泛分布著軟黏土，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(xué)性狀有一個全面和深入的認識。

土的抗剪強度是指土體抵抗剪切破壞的極限能力，是土體的重要力學(xué)特性之一。工程實踐中，與土的抗剪強度直接相關(guān)的工程問題主要有三類：第一，是土作為建筑材料構(gòu)成的土工構(gòu)筑物的穩(wěn)定性問題；第二，是土作為建筑物地基的承載力問題，如果建筑物下的地基土產(chǎn)生整體滑動或局部剪切破壞而導(dǎo)致較大的地基變形，都會造成上部結(jié)構(gòu)的破壞或影響其正常使用。由此看來，土的抗剪強度是土力學(xué)中非常重要的內(nèi)容之一，在很大程度上影響土體的性狀，對其強度指標的研究也尤為重要。

經(jīng)典土力學(xué)理論對土的抗剪強度研究主要是圍繞飽和重塑土[2]。國內(nèi)外學(xué)者圍繞土的抗剪強度指標開展了大量的研究工作，主要集中重塑土在直剪切或三軸固結(jié)不排水試驗[3-10]，但對原狀土的抗剪強度指標的研究開展的比較少。本文中通過獲取天然沉積土原狀樣，開展三軸固結(jié)和不固結(jié)不排水剪切試驗，探索固結(jié)對天然沉積土抗剪強度及其指標的影響。

1 土樣基本特性

試驗所需的土樣取自江蘇省南京市馬群、清蓮、魚嘴、寧句線、仙新路、天保街六處工程場地的原狀土試樣，首先將取回的土樣按照土工試驗方法標準GB/T 50123-2019進行室內(nèi)試驗，測定其基本物理指標，測得的數(shù)據(jù)如表1中所示。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，試驗獲取的土樣位于A線上方，B線左側(cè)，依據(jù)土的工程分類標準，土樣屬于低液限黏性土。

土的基本物理指標 表1

圖1 試驗土樣的塑性圖

2 試驗方案

試驗的試樣采用切土器平行制備，每組三軸原狀樣尺寸：直徑為3.91 cm，高度為8 cm。運用TKA系全自動應(yīng)力路徑三軸儀分別進行固結(jié)不排水剪切與不固結(jié)不排水剪切試驗。具體試驗時，首先對土樣進行反壓飽和(圍壓210kPa，反壓 200kPa)，待 B值(孔壓系數(shù))檢測達到0.95后進行下階段試驗。不固結(jié)不排水剪切試驗，在原狀土試樣不固結(jié)的情況下施加軸向力進行剪切，剪切過程中不排水；固結(jié)不排水剪切試驗，在原狀土試樣固結(jié)施加圍壓和反壓后，待孔隙水壓力消散，試樣固結(jié)完成后施加軸向壓力進行剪切，剪切過程中不排水，剪切速率都設(shè)為0.073 mm/min。

3 試驗結(jié)果分析

對原狀土試樣進行試驗時，考慮試樣之間存在誤差，對相同區(qū)域的原狀土試樣進行12組重復(fù)試驗，計算有效試驗數(shù)據(jù)的平均值。圖2為試樣的孔隙比與初始含水率的關(guān)系圖。由圖可以看出，土樣的孔隙比與初始含水率呈線性關(guān)系，隨著初始含水率的增加試樣的空隙比增大。土樣在受豎向壓力壓縮過程中土樣中的孔隙體積先被壓縮，孔隙中的水和空氣因受擠壓排出，當(dāng)試樣的初始含水率降低時，孔隙比隨之降低，圖2所示含水率低的試樣的孔隙比高于含水率高的試樣的孔隙比。

圖2 孔隙比與初始含水率關(guān)系圖

圖3、圖4為試樣固結(jié)不排水剪切試驗與不固結(jié)不排水剪切試驗得到的抗剪強度與初始含水率的關(guān)系曲線圖，可看出不論試樣在加載前是否固結(jié)，土樣的抗剪強度都隨著初始含水率的增加而減小，當(dāng)初始含水率低于30%時，土樣的抗剪強度隨著含水率的減小而下降明顯，此時土樣含水率較低，土中孔隙相對較小，試樣受壓后土體內(nèi)部主要表現(xiàn)為固體顆粒之間被壓縮，土樣被壓縮得更密實，當(dāng)試樣受剪時抗剪強度更大。當(dāng)土樣初始含水率高于30%時，土樣的抗剪強度隨含水率的變化逐漸趨于平緩，原因是土樣內(nèi)部孔隙含水量較大，當(dāng)土樣受壓后孔隙中的水分被壓縮排出，這時土樣主要表現(xiàn)為內(nèi)部的水被排出而固體顆粒間的幾乎沒發(fā)生相對位移，土樣抵抗變形的能力較小，抗剪強度相對較小。

圖3 不固結(jié)不排水抗剪強度與含水率關(guān)系

圖4 固結(jié)不排抗剪強度與含水率關(guān)系

為了分析抗剪強度指標與初始含水率的關(guān)系，根據(jù)試驗結(jié)果繪制試樣的應(yīng)力莫爾圓得出試樣的抗剪強度指標粘聚力與內(nèi)摩擦角。固結(jié)不排水剪切試驗得出的抗剪指標與試樣初始含水率的關(guān)系如圖5和圖6，不固結(jié)不排水剪切試驗得到的抗剪強度指標與試樣初始含水率的關(guān)系如圖7和圖8。由圖5和圖7可看出，不固結(jié)不排水與固結(jié)不排水剪切試驗試樣的黏聚力都與土樣的初始含水率線性相關(guān)，隨著初始含水率的增加而減小。當(dāng)土樣處于同一初始含水率時，固結(jié)的土樣中部分水和氣體已經(jīng)排除，未固結(jié)的土樣在受力后比固結(jié)完成的土樣更容易壓縮，土樣更緊密，因此不固結(jié)不排水剪切試驗土樣的黏聚力略高于固結(jié)不排水剪切的黏聚力，兩者黏聚力的差值隨著初始含水率的增加逐漸變小。原因是土樣的液限不同，土樣液限越大，黏土由可塑狀態(tài)變成流塑狀態(tài)的分界含水率越大，在低含水率下土顆粒的之間的膠結(jié)力沒有達到被破壞的極限值，固體顆粒直接的咬合摩擦強度較大，可以抵抗外部變形，隨著含水率逐漸接近分界含水率，膠結(jié)力逐漸降低，固結(jié)顆粒逐漸松散，導(dǎo)致土樣的黏聚力逐漸接近。

圖5 固結(jié)不排水黏聚力與含水率關(guān)系

圖6 固結(jié)不排水內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系

圖7 不固結(jié)不排水黏聚力與含水率關(guān)系

圖8 不固結(jié)不排水內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系

圖6和圖8顯示隨著含水率的增加，不固結(jié)不排水和固結(jié)不排水剪切試驗土樣的內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加而降低，但變化范圍不大，在0-2kPa之間，可看出相同含水率時固結(jié)方式對土樣的內(nèi)摩擦角影響不大。

為了更好地分析不同土樣的力學(xué)性狀，Hong等人收集了世界各地共115種重塑土樣的不排水強度（不固結(jié)不排水）數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，采用含水率與液限的比值(w/wL)作為歸一化指標，將不同液限的不排水強度指標進行很好地歸一化處理，w/wL被稱為歸一化含水率w*，表示為w*，如公式（1）。

為了進一步分析固結(jié)不排水和不固結(jié)不排水剪切對原狀土抗剪強度特性的影響，采用歸一化含水率w*的理論將本試樣的抗剪強度指標數(shù)據(jù)歸一化，得到土樣歸一化含水率w*與抗剪強度指標的關(guān)系，如圖9～圖12所示。

圖9 固結(jié)不排水Ccu與w/wL關(guān)系

圖10 固結(jié)不排水φcu與w/wL關(guān)系

圖11 不固結(jié)不排水C與w/wL關(guān)系

圖12 不固結(jié)不排水φcu與w/wL關(guān)系

由圖9、圖11可以看出，固結(jié)不排水與不固結(jié)不排水剪切試驗試樣的黏聚力都與歸一化含水率w*呈多項式關(guān)系，且隨著歸一化含水率w*的增加黏聚力降低，當(dāng)歸一化含水率w*達到一定數(shù)值時土樣的黏聚力逐漸接近，這是因為土的黏聚力主要受土顆粒之間的膠結(jié)力的影響，隨著含水率的增加，顆粒之間的膠結(jié)力逐漸降低，使得黏聚力不斷降低，當(dāng)膠結(jié)力降低到極限值后，不再受含水率的影響，趨于穩(wěn)定。由此可看出，無論何種方式排水剪切不同液限的土樣的黏聚力都與含水率相關(guān)，含水率高的土樣的黏聚力低。圖10、圖12中固結(jié)不排水和不固結(jié)不排水剪切土樣的內(nèi)摩擦角隨著歸一化含水率w*的增加線性減小，從圖中數(shù)據(jù)可看出歸一化含水率w*的增加對內(nèi)摩擦角的影響不明顯。綜合分析隨著土樣含水率的增加，黏聚力與內(nèi)摩擦均降低，黏聚力變化明顯。已有的文獻中表明，土的抗剪強度受黏聚力和內(nèi)摩擦的影響，綜合圖9～圖12可看出，土的抗剪強度隨著歸一化含水率w*的增加而降低。

4 結(jié)論

①原狀黏性土樣固結(jié)不排水剪切試驗與不固結(jié)不排水剪切試驗得到的抗剪強度變化趨勢相同，都隨土樣初始含水率的增加而降低，30%含水率后抗剪強度變化逐漸接近。

②初始含水率相同的原狀黏性土不論何種固結(jié)方式黏聚力和內(nèi)摩擦角都隨著含水率的增加而降低，液限越高黏聚力越大且隨著含水率的增加兩者的黏聚力逐漸接近。

③不同固結(jié)方式導(dǎo)致原狀土抗剪強度指標與歸一化含水率w*的關(guān)系存在差異，黏聚力與歸一化含水率w*呈現(xiàn)線性關(guān)系，隨著w*的增加不斷降低。