初始剪應(yīng)力對(duì)軟黏土峰值孔壓影響試驗(yàn)研究

柳 偉，程振華

(1.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南昌 330013;2.江西交通科學(xué)研究院，南昌 330038)

軟土具有抗剪強(qiáng)度低、透水性低、高壓縮性及流變性等特點(diǎn)。在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海地區(qū)廣泛分布著軟土，隨著這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化水平的不斷提高，正在或即將興建大量的建筑物和構(gòu)筑物。因而，研究軟黏土的強(qiáng)度特性具有更加重要的工程實(shí)際意義。

目前，對(duì)飽和軟黏土抗剪強(qiáng)度的計(jì)算，一般采用Mohr-coulomb破壞條件，繪制破壞強(qiáng)度包線獲得。其表示方法分總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法。在總應(yīng)力法中同一種土根據(jù)不同的三軸試驗(yàn)方法所得的強(qiáng)度指標(biāo)也不相同。有效應(yīng)力法中的強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)該是相同的，但是需要準(zhǔn)確量測(cè)出破壞時(shí)的孔隙壓力。而軟黏土的孔隙壓力受到許多因素的影響，如圍壓、超固結(jié)比、加荷速率及各向異性等。迄今為止，許多學(xué)者在文獻(xiàn)［1］～［3］對(duì)此進(jìn)行了研究，并取得了豐富的理論成果與試驗(yàn)結(jié)論。但是，在邊坡以及擋土結(jié)構(gòu)物等實(shí)際工程中，土體都存在一個(gè)初始剪應(yīng)力的作用，而對(duì)于初始剪應(yīng)力引起的各向異性對(duì)軟黏土靜力特性的影響，國內(nèi)外少有研究。

基于此，本文通過軟黏土不排水三軸壓縮試驗(yàn)，著重分析研究初始剪應(yīng)力及圍壓對(duì)軟黏土孔壓特性的影響，得到軟黏土的孔壓特性指標(biāo)。并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上結(jié)合理論分析建立考慮初始剪應(yīng)力影響的軟黏土不排水孔壓表達(dá)式。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)中所取土樣為位于地下5.5 m左右的原狀軟黏土。土樣均取自同一層土上，并在取土后立即放置在恒溫恒濕箱貯存，保證了土樣性質(zhì)的一致性及原狀性。試驗(yàn)中的軟黏土主要物理參數(shù)見表1。試驗(yàn)中按《GDS動(dòng)靜三軸儀》儀器使用手冊(cè)對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，試樣的裝備及制樣步驟與注意事項(xiàng)見《土工試驗(yàn)規(guī)程》。本次試驗(yàn)中靜三軸試驗(yàn)加載速率為0.05%/min，參數(shù)見表 2。

表1 試驗(yàn)中軟黏土物理力學(xué)指標(biāo)

表2 靜三軸試驗(yàn)參數(shù)kPa

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 初始剪應(yīng)力的影響

圖1為不同初始剪應(yīng)力下，土樣的有效路徑曲線。圖中的實(shí)線為不同圍壓下土樣的破壞線，虛線為不同初始剪應(yīng)力下各破壞點(diǎn)的連線?？梢钥闯?，所有曲線均向右傾斜，并存在明顯的破壞點(diǎn)，說明各向異性固結(jié)軟黏土也同樣表現(xiàn)為正常固結(jié)土的性狀。

圖2為不同初始剪應(yīng)力下，土樣的孔壓比—應(yīng)變關(guān)系曲線?？梢钥闯?，隨著初始剪應(yīng)力的增加，對(duì)應(yīng)于相同的應(yīng)變，土樣的孔壓比表現(xiàn)為降低的趨勢(shì)。尤其當(dāng)初始剪應(yīng)力為60 kPa時(shí)，這種趨勢(shì)更為明顯。

圖1 不同初始剪應(yīng)力下軟黏土的應(yīng)力路徑

圖2 不同初始剪應(yīng)力下軟黏土的孔壓比—應(yīng)變關(guān)系

2.2 圍壓的影響

圖3為不同圍壓下軟黏土的應(yīng)力路徑曲線?？梢钥闯?，每一條應(yīng)力路徑都存在一個(gè)破壞點(diǎn)，當(dāng)土體達(dá)到該點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)時(shí)土樣發(fā)生破壞。除此之外，可以發(fā)現(xiàn)各破壞點(diǎn)處于同一條直線上，即破壞線(K′f線)。從該圖也可以看出，當(dāng)圍壓不同時(shí)，土樣的應(yīng)力路徑也發(fā)生一定的變化。當(dāng)圍壓 p′0為30 kPa時(shí)，應(yīng)力路徑向右傾斜;而當(dāng)圍壓≥60 kPa時(shí)，應(yīng)力路徑向左傾斜。究其原因可能在于，當(dāng)圍壓p′0為 30 kPa時(shí)，土體為欠固結(jié)狀態(tài);而圍壓≥60 kPa時(shí)，土體為超固結(jié)狀態(tài)。孟慶山的研究中亦有類似結(jié)論［5］。圖4是不同圍壓下，軟黏土的孔壓比—應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖4可以看出，隨著軸應(yīng)變的增加，土體的孔壓比增加，但加載初期，孔壓比上升較快;而后隨著應(yīng)變的增加，孔壓比上升比較平穩(wěn)。該圖也表明，隨著圍壓的增加，對(duì)應(yīng)于相同的軸應(yīng)變，土體的孔壓比逐漸增加。

3 各向異性固結(jié)不排水峰值孔壓

由前述分析可知，初始剪應(yīng)力引起的各向異性固結(jié)對(duì)軟黏土孔壓影響較大。圖5為通過上述試驗(yàn)所得到的孔壓比與無量綱化初始剪應(yīng)力關(guān)系曲線。該圖表明隨著初始剪應(yīng)力的增加，峰值孔壓近似線性減小。因而，本文參照文獻(xiàn)［6］方法建立如下表達(dá)式描述各向異性固結(jié)軟黏土的峰值孔壓:

圖3 不同圍壓下軟黏土的應(yīng)力路徑

圖4 不同圍壓下軟黏土的孔壓比—應(yīng)變關(guān)系

式中:umax為土樣的峰值孔壓，τmax為初始剪應(yīng)力為零時(shí)，土樣的不排水抗剪強(qiáng)度，A、B分別為土樣的試驗(yàn)常數(shù)，其值分別為0.468 15和 －0.201 72。

圖5 無量綱化峰值孔壓與無量綱化初始剪應(yīng)力關(guān)系曲線

4 結(jié)語

通過靜三軸試驗(yàn)著重研究了圍壓及初始剪應(yīng)力對(duì)軟黏土孔壓變化規(guī)律的影響，得到了如下結(jié)論:

1)各向異性固結(jié)軟黏土破壞時(shí)與正常固結(jié)土性狀相似。但是，隨著初始剪應(yīng)力的增加，對(duì)應(yīng)于相同的應(yīng)變，土樣的孔壓表現(xiàn)為降低的趨勢(shì)。

2)欠固結(jié)土與超固結(jié)土的應(yīng)力路徑傾斜方向相反。

3)軟黏土的峰值孔壓與初始剪應(yīng)力近似為線性關(guān)系，采用線性函數(shù)描述二者的關(guān)系效果較好。

［1］KIMURA T，SATOH K.Influence of strain rate on pore pressures in consolidated undrained triaxial tests on cohesive soils［J］.Soils and Foundations，1983，23(1):80-90.

［2］NAKASE A，KAMEI T.Influence of strain rate on undrained shear characteristics of K0-consolidated cohesive soils［J］.Soils and Foundations，1986，26(1):85-95.

［3］張坤勇，殷宗澤，梅國雄.土體各向異性研究進(jìn)展［J］.巖土力學(xué)，2004，25(9):1503-1509.

［4］劉勝群，吳建奇.循環(huán)荷載作用下飽和軟黏土孔隙水壓力變化規(guī)律的試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2007(1):68-70.

［5］孟慶山，汪稔，劉觀仕.動(dòng)力固結(jié)后飽和軟土三軸剪切性狀的試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，25(24):4025-4029.

［6］SKEMPTON A W.The pore pressure coefficient A and B［J］.Geotechnique，1954，4(4):143-147.