考慮固結路徑影響的天然沉積土不排水剪切試驗研究

曾玲玲 洪振舜 劉松玉

(1福州大學土木工程學院，福州350108)

(2東南大學巖土工程研究所，南京210096)

天然沉積軟黏土剪切過程中所表現(xiàn)的應力-應變及有效應力性狀，對于解釋天然沉積軟黏土強度特性及其地基穩(wěn)定性分析中參數(shù)的選擇有著重要的意義［1-2］.目前關于天然沉積土的剪切變形、破壞及強度性狀的試驗研究主要集中在三軸等向固結剪切性狀，通過對土體進行等向固結后再施加軸向應力進行剪切，分析剪切時所表現(xiàn)的應力-應變關系特征、破壞特征，以及不排水條件下剪切過程所表現(xiàn)的孔壓變化規(guī)律和有效應力性狀［1-7］.然而實際工程中面對的天然沉積黏性土在沉積過程中形成的結構性和各向異性［8-10］，造成其屈服特性和不排水剪切特性必然與固結路徑有關，等向固結條件的不排水剪切特征無法反映實際工程中天然沉積土非等向固結條件下的剪切變形及屈服性狀.本文通過GDS應力路徑三軸試驗，對連云港天然沉積結構性軟黏土進行了不同固結條件后的不排水剪切試驗研究，探討了結構性土的固有各向異性和不等向固結誘發(fā)的各向異性對土體結構屈服前后不排水剪切特性的影響.

1 試樣及試驗方案

1.1 試樣

原狀樣取自連云港—臨沂高速公路連云港段工地K50附近，采用薄壁取土器獲得地表以下8 m處的不擾動試樣，取樣地點地下水深0.5 m，有效上覆壓力為57.6 kPa.表1為試樣的物理指標，其中，w為天然含水率;γ為天然重度;e0為天然孔隙比;wL為液限;wp為塑限.根據(jù)粒徑組成和塑性圖可以得出試樣為高液限黏土.

表1 試樣的物理指標

1.2 固結不排水剪切試驗方案

為研究天然沉積土在結構屈服前后的等向固結不排水剪切特性，以及結構屈服后由于不等向固結引發(fā)的各向異性對土體不排水剪切特性的影響，對試樣進行不同固結壓力下的等向固結不排水剪切試驗CIU和不同應力比η(η=Δq/Δp，剪應力q=σ1－σ3，平均應力 p=(σ1+2σ3)/3，σ1為軸壓，σ3為圍壓)下的偏壓固結不排水剪切試驗CAU.其中等向固結過程設定瞬時加上所需的固結壓力，待孔壓完全消散后進行不排水剪切試驗;偏壓固結加載過程設定平均應力的加載速率為0.1 kPa/min，使得壓縮過程中土體底部產(chǎn)生的孔隙水壓力ub≤1 kPa，以控制有效應力沿著所設定的應力固結路徑進行.剪切過程均采用0.07 mm/min的軸向位移剪切速率，具體試驗方案如表2所示.

表2 固結不排水剪切試驗方案

2 天然沉積土不同應力路徑下的壓縮特性

圖1為文獻［11］通過GDS應力路徑三軸儀進行不同應力路徑固結壓縮試驗得到的體應變εv與平均有效應力p'(體應力)的關系圖.由于固結過程中剪應力增量加大了對土體結構破壞的同時也增大了土體的體應力，使得不同應力路徑下天然沉積結構性土的平均結構屈服應力py和結構屈服后的壓縮性參數(shù)λ(λ為v-lgp'關系的斜率，v為比體積)先隨應力比的增大而增大，達到最大值后又隨著應力比的進一步增大而減小，結果如圖1所示.天然沉積土在固結過程中由于受結構性屈服和剪應力的影響形成了新的各向異性，并進一步影響后續(xù)的不排水剪切性狀.

圖1 不同應力路徑壓縮過程體應變-平均有效應力關系圖

3 不同固結路徑下天然沉積土的不排水剪切特性

3.1 剪應力-軸向應變關系

不同壓力等向固結后的不排水剪切試驗過程的軸向應變εa與剪應力關系如圖2所示.由圖可見，當固結壓力明顯小于結構屈服壓力(25，40，50 kPa)時，剪應力-軸向應變關系呈現(xiàn)軟化特性，存在明顯的峰值強度，且峰值強度區(qū)別不大;當固結壓力達到結構屈服壓力后，軟化現(xiàn)象不明顯;當固結壓力小于300 kPa后，剪應力-軸向應變關系基本呈硬化規(guī)律，這種規(guī)律與天然沉積正常固結黏土剪切過程的應力-應變關系一致，但固結壓力達到300 kPa時，土體在剪切過程中剪應力在應變?yōu)?%時達到峰值，并維持至8%后剪應力又隨著應變的發(fā)展呈現(xiàn)下降趨勢.文獻［12］也描述了圍壓較大時產(chǎn)生的應力-應變關系曲線呈現(xiàn)峰值并且隨應變的發(fā)展呈下降的現(xiàn)象，但沒有給出解釋.造成該現(xiàn)象的原因可能是由于較大的圍壓產(chǎn)生了較大的體應變，上下透水石的端面約束使得試樣變形不均勻，從而導致剪切應力在應變較大時呈現(xiàn)減小的趨勢.在相同平均應力下，圖3對比了等向固結后和偏壓固結后剪切階段的剪應力-軸向應變關系，其中pc0表示固結過程所設定的平均固結應力，這里僅考慮由于固結過程剪應力引起的各向異性對剪切性狀的影響，因此試驗偏壓固結過程所設定的平均固結壓力均大于土體的平均屈服固結壓力.從圖3的結果看出，雖然固結過程的平均固結應力相同，但固結后剪切過程的應力-應變關系會因固結過程偏應力的存在產(chǎn)生差異，固結過程偏應力的存在會導致峰值強度更大，且在較小的應變內(nèi)達到峰值強度點.

圖2 等向固結的剪應力-軸向應變關系曲線

圖3 等向固結與偏壓固結后的剪應力-軸向應變關系

3.2 強度特性

不同壓力等向固結后剪切階段的(σ1－σ3)/2與(σ1+σ3)/2的總應力路徑及總應力強度包線Kf線如圖4所示.圖中結果顯示:總應力包線分為2個直線段，試樣在壓力為25，40，50 kPa下的不排水抗剪強度基本與固結應力水平無關，強度包線近似于水平直線，此時土體未發(fā)生結構屈服;當?shù)认蚬探Y壓力pc0≥100 kPa后，土體已發(fā)生結構屈服，土體的不排水抗剪強度隨著固結壓力的增大而增大，可以得到試樣的總應力強度指標為φ=12.1°.將圖4中土體屈服前、后2條總應力強度包線的交點沿45°左下方向延伸與x軸的交點，得到(σ1+σ3)/2=62 kPa，而等向固結中(σ1+σ3)/2即為平均應力p，也就是土體等向結構固結屈服壓力py=62 kPa.圖5為等向固結和偏壓固結后的不排水剪切總應力強度包線.由圖中結果可以看出，固結過程偏應力的存在提高了土體的總應力強度指標，偏壓固結試驗中不同固結路徑終點的剪應力均控制為75 kPa，在這種條件下，其總應力強度包線近似于直線，并相對于等向固結得到的總應力強度包線平行上移，而黏聚力c值相應增大.

圖4 CIU試驗的總應力強度包線

圖5 CIU與CAU試驗的總應力剪切強度對比

3.3 有效應力路徑變化規(guī)律

不同等向固結壓力后剪切過程的q-p'有效應力路徑以及臨界狀態(tài)M線如圖6所示.圖中結果顯示:當?shù)认蚬探Y壓力pc0＜py時，土體的有效應力路徑性狀明顯不同于結構屈服后的性狀，結構屈服前等向固結后剪切過程的有效應力路徑在到達臨界狀態(tài)線時并未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，有效應力路徑靠近屈服面右側時屈服后向左偏轉(zhuǎn)，而在較小的固結壓力下屈服后則是向右偏轉(zhuǎn)或瞬間朝正下方偏轉(zhuǎn)的，從而使得不同的有效應力路徑在屈服面內(nèi)形成包絡線.當?shù)认蚬探Y壓力pc0＞py時，不同等向固結壓力下剪切過程的有效應力路徑具有相似的形狀，即孔壓的變化規(guī)律是相似的，有效應力強度隨著固結壓力的增大而增大.可以得到結構屈服后試樣的臨界狀態(tài)線指標M=1.03，有效應力路徑在達到最大剪應力強度后逐漸沿著強度包線的方向下移.

圖6 CIU試驗的有效應力路徑及有效應力強度包線

Leroueil等［13］指出，天然沉積地基土在施工過程中的有效應力路徑受土體結構性、超固結度、滲透特性、排水路徑以及加載速率等因素影響.對于相同的試樣，室內(nèi)固結不排水剪切試驗中由于剪切階段孔隙水壓力變化受土體固結階段加載的荷載大小及加載路徑影響，得到的有效應力路徑形狀并不相同.等向固結過程中，不同固結壓力將形成大小不同的屈服面，且對這些屈服面可以進行歸一化處理，將不同固結壓力下剪切階段的平均有效應力與平均固結壓力pc0的比值作為橫坐標，將剪切階段的剪應力與平均固結壓力pc0的比值作為縱坐標，便能對修正劍橋模型所假定的不同等向固結壓力下的初始屈服面(initial yield curve)與剪切過程有效應力路徑的關系進行歸一化處理，如圖7所示.由圖7結果可以看出，當固結壓力大于屈服壓力后，不同固結壓力下剪切過程有效應力路徑形狀與屈服面的形狀具有一定的相似性.Eigenbrod等［1］指出對于正常固結土，在不排水剪切過程中不產(chǎn)生體應變，使得彈性體變膨脹必須與塑性體變相平衡，由此產(chǎn)生土體硬化，屈服面擴大，即圖7中的擴展屈服面(expanded yield curve)，從而導致不排水剪切過程中的有效應力路徑將偏離初始屈服面向外擴展.從圖7的結果看出，固結壓力越小，有效應力路徑向外偏離初始屈服面的程度越大，即不排水剪切階段屈服面發(fā)展的程度越大.固結壓力小于100 kPa時，剪切過程的屈服面發(fā)展為初始狀態(tài)屈服面的1.5倍左右，而小于300 kPa時僅為1.1倍左右.當固結壓力小于屈服壓力時，土體的屈服面應決定于結構屈服壓力而非當前的固結壓力.圖7中若將其剪切過程的平均有效應力和剪應力分別與結構屈服壓力py的比值作為橫坐標和縱坐標，則發(fā)現(xiàn)在25，40和50 kPa固結壓力下剪切過程的有效應力路徑變化規(guī)律與固結壓力大于100 kPa后的有效應力路徑變化規(guī)律存在較大區(qū)別，且與歸一化屈服面的形狀無明顯相關性.

圖7 歸一化有效應力路徑與屈服面的關系

土體偏壓固結后剪切過程的q-p'有效應力路徑如圖8所示.圖5的結果表明，等向固結和偏壓固結后的總應力強度包線近似平行，若假設等向固結和偏壓固結后剪切過程的有效應力路徑形狀也相同，那么兩者的有效應力強度包線也應平行.然而從圖8的結果可以看出，偏壓固結后有效應力路徑的峰值強度點并未落在等向固結臨界狀態(tài)CIU的M線上，而圖6中等向固結后剪切過程的有效應力路徑中的剪應力峰值點明顯，在土體結構屈服后剪切過程有效應力路徑便沿著M線下滑.與等向固結后的有效應力路徑形狀不同的是，偏壓固結后剪切過程的有效應力路徑拐點并非為剪應力峰值點，有效應力路徑偏拐后，隨著孔壓的增大平均有效應力減小，剪應力緩慢增大至峰值后逐漸減小，有效應力路徑逐漸向CIU試驗得到的臨界狀態(tài)M線逼近.由此可以得出，偏壓固結后剪切過程的有效應力路徑相對于等向固結發(fā)生了明顯偏轉(zhuǎn).

圖8 偏壓固結后剪切過程有效應力路徑

4 結論

1)等向固結不排水剪切階段的應力-應變關系曲線特征受土體的結構屈服壓力和固結壓力影響，結構屈服前后的曲線特征不同.固結壓力小于屈服壓力時，剪切過程的應力-應變關系呈現(xiàn)一定的軟化現(xiàn)象，且峰值強度區(qū)別不大;固結壓力大于屈服壓力后，峰值強度隨應力的增大而增大.

2)當固結過程存在剪應力時，相同平均有效固結應力下剪切階段的應力-應變關系曲線的峰值強度增大，土體的總應力強度指標提高.若控制固結壓力終值的剪應力相同，則偏壓固結的強度包線相對于等向固結平行上移，黏聚力c值相應增大.

3)在等向固結中，當固結壓力大于屈服壓力時，剪切過程的有效應力路徑形狀與屈服面的形狀具有一定的相似性，且固結壓力越大，不排水剪切過程有效應力路徑偏離初始屈服面的程度越小，土體在屈服破壞后有效應力路徑沿著臨界狀態(tài)線下滑，且存在明顯的剪應力峰值點.

4)偏壓固結后剪切過程有效應力路徑拐點并非為剪應力峰值點.相對于等向固結后，剪切過程的有效應力路徑發(fā)生了明顯的偏轉(zhuǎn).

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