初始含水率對重塑黏土孔壓特性影響試驗研究

卞 夏 洪振舜 曾玲玲

(1 東南大學(xué)巖土工程研究所，南京210096)

(2 福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州350108)

土體的變形和強度特性都取決于土骨架的有效應(yīng)力狀態(tài)及其歷史，而孔隙水壓力問題又是有效應(yīng)力原理的關(guān)鍵之所在，對孔隙水壓力特性的掌握能使人們更好地應(yīng)用有效應(yīng)力原理解決地基承載力、沉降以及邊坡穩(wěn)定等實際工程問題.因此，明確土體中的孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律是土力學(xué)研究中一個重要的課題.

國內(nèi)外學(xué)者對孔隙水壓力的研究已經(jīng)積累了很多成果，其中Skempton［1］用彈性理論研究了孔隙水壓力的發(fā)展規(guī)律，提出了著名的孔壓方程; 曾國熙［2］、王鐵儒等［3］用歸一化方法研究了孔隙水壓力的發(fā)展，指出孔隙水壓力是與土的應(yīng)力應(yīng)變特性有關(guān)的變量.在此基礎(chǔ)上，不少學(xué)者［4－7］進(jìn)一步研究了應(yīng)力路徑、固結(jié)狀態(tài)和應(yīng)力水平等對于土體孔隙水壓力發(fā)展特性的影響;并將孔隙水壓力納入本構(gòu)模型的研究中［8］，導(dǎo)出了不同本構(gòu)模型下的孔壓系數(shù)表達(dá)式.

重塑土壓縮性狀和強度性狀的研究不能忽略初始含水率的影響［9－10］，而外加荷載作用下孔隙水壓力的發(fā)展規(guī)律必然與土體的力學(xué)性狀有著密不可分的關(guān)系.至今土體初始狀態(tài)對于孔隙水壓力特性影響的研究還沒有引起足夠的重視.本研究針對具有不同初始含水率的不同重塑黏土進(jìn)行一系列三軸固結(jié)不排水剪切試驗，探討重塑黏土孔隙水壓力隨初始含水率的變化規(guī)律.

1 試驗方案

1.1 試驗土樣

本研究所用溫州土樣取自浙江省溫州市河道清淤工程中進(jìn)行人工疏浚時的淤泥，福建土樣取自福建可門港港口清淤工程中的淤泥.溫州土和福建土的基本物理指標(biāo)列于表1中.其中，液限采用碟式液限儀測定，塑限采用搓條法測定，顆分級配采用比重計法，試驗方法均參照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)［11］.從表1中可看出本文試驗土樣黏粒含量很高，屬于黏性土.

表1 土樣物理特性指標(biāo)

1.2 重塑樣制備方法和方案

為了研究初始含水率對重塑土孔壓特性的影響，選擇在1.0～2.0 倍液限之間配制不同初始含水率的重塑樣進(jìn)行試驗.由于所配制重塑樣的初始含水率均高于液限，土樣呈流塑狀而無法直接成型，因而本文采用課題組設(shè)計改進(jìn)的大直徑固結(jié)儀［12］進(jìn)行制樣.制樣方法為: 首先將原料土配置成不同初始含水率的泥漿，再將配置好的泥漿充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蠓謱友b入大直徑固結(jié)儀的環(huán)刀中，并充分振搗使空氣盡量排除; 分級進(jìn)行加載固結(jié)制樣，最后一級豎向荷載為20 kPa，使泥漿能夠預(yù)壓固結(jié)成型; 最后將重塑－再固結(jié)的試樣從大直徑固結(jié)儀中取出，用多層保鮮膜裹緊蠟封，放入密閉容器中儲存，供試驗用.試驗時，根據(jù)試樣尺寸切取固結(jié)土樣一部分，切削土樣制成三軸試驗試樣.具體的試樣制備情況如表2所示.

表2 試驗方案

1.3 三軸試驗方案

為了研究初始含水率對重塑土的孔壓特性的影響規(guī)律，本文對不同初始含水率的重塑土樣開展三軸固結(jié)不排水(CU)剪切試驗.試驗所用的三軸儀為SJ－IA.G 型三軸剪力儀.試樣采用反壓飽和的方法以保證飽和度達(dá)到98%以上.每組試樣施加4個有效固結(jié)壓力，當(dāng)施加的固結(jié)壓力大于制樣時的預(yù)固結(jié)壓力，重塑－再固結(jié)土所呈現(xiàn)的力學(xué)特性與重塑土的力學(xué)特性是相同的［13］，因此本文設(shè)計施加的有效固結(jié)壓力分別為25，50，100，200 kPa，所施加的有效固結(jié)圍壓均大于預(yù)固結(jié)壓力20 kPa，這樣三軸試驗的結(jié)果就能夠反映不同初始含水率重塑土的孔壓性狀.固結(jié)完成后保持圍壓不變，關(guān)閉排水閥，以0.073 mm/min 的軸向壓縮速率進(jìn)行不排水剪切試驗，剪切至軸向應(yīng)變達(dá)20%以上結(jié)束試驗.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 軸向應(yīng)變－孔壓曲線

對2 種重塑土樣進(jìn)行三軸等向固結(jié)不排水剪切試驗，得到的不同初始含水率重塑土的孔隙水壓力u 與軸向應(yīng)變εa的關(guān)系繪于圖1中.圖中w0表示初始含水率.

由圖1可見，對于正常固結(jié)重塑土，三軸試驗過程中土樣表現(xiàn)出剪縮性，均產(chǎn)生正孔壓; 孔隙水壓力與軸向應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出很強的非線性，在試驗開始階段都隨著應(yīng)變的增加而迅速增加，而后隨著應(yīng)變的逐漸增大孔隙水壓力增加的速率會逐漸減小，最后在應(yīng)變較大階段，孔隙水壓力隨著應(yīng)變的發(fā)展基本保持不變.而隨著固結(jié)圍壓的增大，三軸試驗過程中產(chǎn)生的孔隙水壓力也逐漸增大，并且增大的比例與圍壓增大比例基本一致.

圖1中還顯示，初始含水率對重塑土三軸試驗中孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律的影響隨著應(yīng)力水平的增大而增大，當(dāng)固結(jié)壓力較大時(200 kPa)，明顯可以發(fā)現(xiàn)初始含水率較高的重塑土的孔壓－軸向應(yīng)變關(guān)系曲線位于初始含水率較低的重塑土的上方，而最終孔隙水壓力之間的差值最大可達(dá)到10 kPa.在相同的固結(jié)壓力下，初始含水率越高的重塑土，三軸剪切試驗中所產(chǎn)生的孔隙水壓力越大，并且孔隙水壓力增長的速率越快.

圖1 不同初始含水率重塑土孔壓-應(yīng)變曲線圖

Wood［14］指出三軸剪切過程中產(chǎn)生的孔隙水壓力可以分為2 個部分，一部分由平均正應(yīng)力引起，一部分由偏應(yīng)力引起.其增量形式可表示為

式中，a 為孔壓系數(shù)，反映了當(dāng)前有效應(yīng)力路徑的斜率;q =σ1－σ3為三軸試驗中所施加的偏應(yīng)力;p =(σ1+2σ3)/3 為三軸試驗中平均應(yīng)力; p′ =(σ′1+2σ′3)/3 為三軸試驗中有效平均應(yīng)力.因此，相比于Skempton 提出的孔隙水壓力公式，式(1)能夠顯示出有效應(yīng)力路徑對三軸試驗過程中孔隙水壓力變化規(guī)律的影響，這也得到了學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可.因此，本文將分別探討初始含水率對三軸剪切過程中孔隙水壓力與平均正應(yīng)力、偏應(yīng)力之間關(guān)系的影響.

2.2 平均正應(yīng)力－孔壓曲線

圖2為不同初始含水率重塑土孔隙水壓力與平均正應(yīng)力關(guān)系圖.為便于進(jìn)行比較，利用等向固結(jié)階段的有效固結(jié)壓力p′0對孔隙水壓力Δu 與平均正應(yīng)力Δp 進(jìn)行了歸一化處理.

圖2 三軸試驗中孔隙水壓力與平均應(yīng)力的關(guān)系

本文試驗結(jié)果與Eigenbrod 等［7］得出的孔隙水壓力隨平均正應(yīng)力的變化規(guī)律一致，如圖2所示.正常固結(jié)重塑土三軸不排水剪切試驗過程中，孔隙水壓力變化的基本規(guī)律大致可分為4 個階段［7］:①在開始階段，孔隙水壓力隨著平均應(yīng)力的增加，曲線大致呈線性增加.②隨著平均應(yīng)力的逐漸增加，孔隙水壓力曲線在Y 點開始轉(zhuǎn)向，隨后孔隙水壓力基本沿著斜率為m =Δu/Δp =3 的直線逐漸增大.③到達(dá)F 點后，孔隙水壓力經(jīng)過很短的非線性增加至P 點，孔隙水壓力達(dá)到最大值.④在P 點之后孔隙水壓力隨著平均應(yīng)力的變化基本不再增加.

從圖2中還可發(fā)現(xiàn)，不同初始含水率重塑土的孔隙水壓力與平均正應(yīng)力變化曲線之間存在一定的差異，在孔隙水壓力曲線第2 階段(沿斜率為m=Δu/Δp =3 的直線逐漸增大階段)，由于初始含水率越高的重塑土，到達(dá)Y 點的平均應(yīng)力越小，從而導(dǎo)致在相同的固結(jié)壓力下，不同初始含水率重塑土的孔隙水壓力曲線，隨著初始含水率的增大，沿著坐標(biāo)軸Δp/p′0從右向左分布.當(dāng)孔隙水壓力相等時，初始含水率越高的重塑土所需要達(dá)到的平均應(yīng)力越小，這也表明初始含水率越高的重塑土在三軸剪切過程中孔隙水壓力的響應(yīng)越靈敏.由文獻(xiàn)［10］可知，在施加相同的外加應(yīng)力下，初始含水率較高的重塑土固結(jié)后的孔隙比也較高.這說明本文試驗中初始含水率較高的重塑土在相同壓力下固結(jié)后進(jìn)行三軸剪切前的孔隙比也較大，由于在單位體積中土骨架所占比例較少，從而導(dǎo)致剪切過程中產(chǎn)生的有效應(yīng)力較小，孔隙水壓力較大.因此，在圖2中當(dāng)達(dá)到相同的孔隙水壓力時，初始含水率較高的重塑土所需有效應(yīng)力相對較低，表現(xiàn)出更加靈敏的孔隙水壓力響應(yīng).

2.3 偏應(yīng)力－孔壓曲線

圖3為不同初始含水率重塑土孔隙水壓力與偏應(yīng)力關(guān)系圖，同樣利用等向固結(jié)階段的有效固結(jié)壓力p′0對孔隙水壓力Δu 與偏應(yīng)力q 進(jìn)行了歸一化.

圖3 三軸試驗中孔隙水壓力與偏應(yīng)力的關(guān)系

由圖3可見，Δu/q－Δu/p′0之間的關(guān)系曲線明顯可分為2 段:在開始階段，Δu/q－Δu/p′0之間呈近似線性關(guān)系，這也與王鐵儒等［3］的試驗結(jié)果一致;但當(dāng)Δu/p′0＞0.5 后，Δu/q－Δu/p′0曲線呈明顯非線性上升的趨勢.對比圖2中孔隙水壓力與平均應(yīng)力的試驗結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，不同初始含水率重塑土的Δu/q－Δu/p′0曲線的轉(zhuǎn)折點對應(yīng)于圖2中的P 點，即孔隙水壓力達(dá)到最大值后基本保持不變，而此時土樣已發(fā)生破壞，偏應(yīng)力呈逐漸減小的趨勢，從而使得Δu/q 值逐漸增大.

同樣，初始含水率對Δu/q－Δu/p′0曲線也有著顯著的影響.初始含水率較高的重塑土的Δu/q－Δu/p′0曲線位于初始含水率較低的重塑土曲線的下方，并且曲線直線段之間斜率基本相等.這同樣也反映了初始含水率越高的重塑土在三軸剪切過程中孔隙水壓力的響應(yīng)越靈敏.

從圖2和圖3中可發(fā)現(xiàn)，三軸剪切過程中孔隙水壓力由平均正應(yīng)力和偏應(yīng)力共同控制，并且孔隙水壓力與平均應(yīng)力和偏應(yīng)力之間均呈很強的非線性關(guān)系，難于進(jìn)行深入的研究，因此很有必要對孔隙水壓力曲線進(jìn)行歸一化處理.

3 歸一化孔壓曲線

Balasubramaniam 等［15］發(fā)現(xiàn)三軸剪切過程中的有效應(yīng)力比η =q/p′與三軸剪切過程中孔隙水壓力Δu 近似呈線性關(guān)系，并且采用等向固結(jié)階段的有效固結(jié)壓力p′0能夠?qū)⒉煌探Y(jié)壓力下的孔隙水壓力曲線歸一化到一條直線附近.采用這種方法對本文的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果如圖4所示.

圖4 三軸剪切過程中Δu/p′0-η 曲線

圖4顯示，歸一化孔壓Δu/p′0與有效應(yīng)力比η之間呈很好的線性關(guān)系，可表示為

這也就表明這種歸一化的方法能夠很好地適用于本文試驗所用土樣.為了進(jìn)一步分析不同初始含水率的影響，將本文8 組不同初始含水率重塑土三軸剪切試驗過程中的試驗數(shù)據(jù)采用歸一化孔壓和有效應(yīng)力比進(jìn)行歸一化處理，其結(jié)果如圖5所示.

圖5 不同初始含水率重塑土Δu/p′0-η 曲線

圖5表明，不同初始含水率重塑土Δu/p′0－η 曲線均為過原點的直線.同樣，初始含水率較高的重塑土的歸一化孔壓曲線位于初始含水率較低的重塑土的上方，即Δu/p′0－η 曲線的斜率C 隨著初始含水率的增大逐漸增大.并且從圖4中可發(fā)現(xiàn)，初始含水率相等的情況下，液限較低的重塑土的Δu/p′0－η 曲線的斜率C 相對較高.因此，參數(shù)C 與初始含水率和液限都相關(guān)，為此采用歸一化初始含水率w0/wL對參數(shù)C 進(jìn)行歸一化處理，其結(jié)果如圖6所示.

從圖6中可發(fā)現(xiàn)，參數(shù)C 與歸一化初始含水率w0/wL之間呈很好的線性關(guān)系，最佳擬合關(guān)系為

圖6 歸一化初始含水率與參數(shù)C 之間關(guān)系曲線

由于歸一化孔壓Δu/p′0與有效應(yīng)力比η 可將三軸剪切過程中孔隙水壓力的變化曲線進(jìn)行線性化，因此對孔壓性狀研究的主要工作就集中到對Δu/p′0－η 曲線斜率C 的規(guī)律的研究上.本文試驗結(jié)果表明，初始含水率是影響參數(shù)C 取值的一個很重要的因素，而擬合公式(3)的提出能夠為本文2種試驗土樣確定不同初始含水率下參數(shù)C 的取值提供經(jīng)驗公式.

4 考慮初始含水率影響的孔壓系數(shù)

Wood［14］提出的孔隙水壓力公式表明由平均正應(yīng)力增量引起的孔隙水壓力與土的非線性變形無關(guān)，數(shù)值上等于相應(yīng)的平均正應(yīng)力增量; 而由偏應(yīng)力引起的孔隙水壓力與偏應(yīng)力之間呈顯著的非線性關(guān)系，可用孔壓系數(shù)a 來反映.因此由有效應(yīng)力原理可得到式(1)，則

由于常規(guī)三軸試驗中，圍壓保持不變，則

對式(2)微分，并結(jié)合式(3)可得考慮初始含水率影響的孔壓增量的變化規(guī)律為

同時對有效應(yīng)力比η=q/p′進(jìn)行微分可得

聯(lián)合式(1)、(4)～(7)，可得

式(8)顯示，孔壓系數(shù)a 隨著當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)(p′)、固結(jié)歷史(p′0)以及有效應(yīng)力路徑(η)等而變化，因此，在三軸試驗過程中孔壓系數(shù)a 隨著土體非線性變形會表現(xiàn)出很強的非線性變化規(guī)律.同時本文試驗結(jié)果表明孔壓系數(shù)a 還受到初始含水率和液限的影響，這就表明初始含水率是影響重塑土孔壓性狀的重要因素.結(jié)合已有研究，初始含水率對重塑土壓縮性狀和強度性狀也有著顯著的影響，可以明確初始含水率是影響重塑土基本性質(zhì)的重要因素.

5 結(jié)論

1)相同的固結(jié)壓力下，不同初始含水率的正常固結(jié)重塑土的孔隙水壓力與平均正應(yīng)力曲線，隨著初始含水率的增大，沿著坐標(biāo)軸Δp/p′0從右向左分布，說明初始含水率越高的重塑土在三軸剪切過程中孔隙水壓力的響應(yīng)越靈敏.

2)初始含水率較高的重塑土的u/q－u/p′0曲線位于初始含水率較低的重塑土曲線的下方，并且曲線直線段之間斜率基本相等.

3)不同初始含水率重塑土的u/p′0－η 曲線均為過原點的直線，其斜率C 隨著初始含水率的增大逐漸增大，并且隨著歸一化初始含水率的增大而線性增大，可采用式(3)進(jìn)行計算.

4)基于本文的試驗數(shù)據(jù)，提出了能夠考慮初始含水率影響的孔壓系數(shù)a 的確定方法.

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