荊州城區(qū)黏性土三軸與直接剪切試驗強度對比分析

王勝杰

（成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，四川 成都 610059）

袁登才

（四川省阿壩州國土資源局，四川 馬爾康 624000）

韓文喜

（成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，四川 成都 610059）

土體有明顯的地域性，對土體力學性能進行測試分析研究是基礎性工作。土體強度指標的測試在實驗室主要是采用直接剪切試驗和三軸剪切試驗2種方法［1］。侯世偉等［2］對北京地區(qū)重塑黏質(zhì)粉土試樣分別進行了固結(jié)排水和固結(jié)不排水的三軸壓縮試驗，得到了該種土的應力－應變曲線，并給出了土的抗剪強度指標與模型參數(shù)；尹驥等［3］采用三軸試驗研究了上海第②層粉質(zhì)黏土非飽和強度與變形模量；楊金鐘等［4］對天津市上部地基土強度進行三軸剪切試驗研究。

近年來，隨著荊州經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，高層建筑與深大基坑不斷出現(xiàn)，施工過程中復雜的邊界條件對土體強度的測試提出了更高的要求。目前，在荊州地區(qū)主要采用直接剪切試驗得到土體強度指標，該方法不能考慮排水邊界條件，也不能考慮應力路徑，這樣得到的土體強度指標并不科學，在實際運用中存在著一定的誤差。為此，筆者對荊州黏性土分別進行直接剪切試驗與不同排水條件下三軸剪切試驗，比較不同試驗方法對強度參數(shù)的影響。

1 取樣場區(qū)概況

取樣場區(qū)位于荊州水務集團原金鳳水廠內(nèi)，場地地形較平坦，屬長江一級階地地貌單元，其覆蓋層成因類型為沖、洪積。自然地面標高為31.47～32.56m，根據(jù)鉆探揭露及靜力觸探測試成果，按其成因類型自上而下共分為6層:填土、粉質(zhì)黏土 、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂、細砂與卵石。筆者研究的土樣為粉質(zhì)黏土 ，褐黃－黃褐色，可塑狀，含少量鐵錳質(zhì)結(jié)核；巖心切面較光滑，局部夾薄層粉土或粉砂；干強度中等，韌性中等，承載力較高，壓縮性較低。該層土全場分布，厚0.6～5.9m，平均厚度為3.1m。

2 試驗方法

三軸試驗采用南京土壤儀器有限公司生產(chǎn)的TSZ－3型應變控制式三軸剪切儀對土樣分別進行不固結(jié)不排水試驗 （UU）和固結(jié)不排水試驗 （CU），試驗時圍壓分別100、200、300kPa，取（σ1－σ3）（σ1、σ3分別為作用在土體上的大主應力、小主應力）為峰值點的應力值，若無明顯峰值點出現(xiàn)則取軸向應變?yōu)?5%～20%時的應力差為破壞點。

直接剪切試驗采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應變控制直接剪切儀對土樣進行快剪試驗 （不排水剪），試樣在垂直應力施加后立即進行快速剪切，試驗全過程都不允許有排水現(xiàn)象產(chǎn)生，直接剪切試驗時作用于試驗土樣上的垂直應力分別為100、200、300kPa。

根據(jù)土工試驗規(guī)程［5］對黏性土進行UU試驗、CU試驗以及對照組的直接剪切試驗。三軸試驗試樣直徑39.1mm，高80mm，直接剪切試驗試樣直徑61.8mm，高20mm。試驗所用黏性土的基本物理參數(shù)如表1所示。

表1 土體物理參數(shù)

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 UU試驗結(jié)果

通過在不同圍壓 （100、200、300kPa）下的UU試驗得到3組應力應變曲線關(guān)系圖，如圖1所示。根據(jù)UU試驗數(shù)據(jù)得到不同圍壓時的大小主應力對繪制3個莫爾圓，如圖2所示。UU試驗土體黏聚力C＝52.43kPa，內(nèi)摩擦角φ＝1.01°。

圖1 在不同圍壓下UU試驗的應力應變曲線

1）試樣破壞形套 試樣在受荷作用下，沿最薄弱的位置出現(xiàn)破壞面。一般情況下，相對于平面應變條件，三軸試驗比較難出現(xiàn)剪切帶。由于試驗條件的限制，筆者對土體剪切帶的研究僅從試驗過程通過觀察試樣的破損過程以及試樣破壞后的形態(tài)做初步的探討。在三軸試驗過程中，試樣剪切破壞是逐漸的，基本沿著試樣中的微小裂隙逐漸破損。試驗中土體基本上呈鼓狀破壞，并出現(xiàn)一定的徑向變形。主要為單一剪切破壞，破壞面不夠清晰，但在主要破壞面周圍還有一些微小的剪切帶，各剪切帶破壞形態(tài)各異，沒有明顯規(guī)律，仔細觀察各剪切帶在三軸試樣中出現(xiàn)的位置和延伸方向，可以發(fā)現(xiàn)三軸剪切帶滑裂面出口通?？梢匝由斓皆嚇佣瞬客杆恢谩?/p>

圖2 UU試驗強度包絡線

2）變形特性 黏性土試樣在偏應力作用下的應力應變關(guān)系曲線是研究黏性土強度和變形的基礎。從圖1中可以看出，曲線可以分為4段:第1段為初始線性段，該段變形較小，反映結(jié)構(gòu)保持完好狀態(tài)下的變形；第2段為非線性段，該階段試樣發(fā)生塑性變形，顆粒之間產(chǎn)生滑移；第3段近似為線性，其斜率較第1階段為小，為加工硬化段，實質(zhì)為土體內(nèi)部顆粒發(fā)生重分布后形成了相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；第4段為下降段，為應變軟化，表明試樣已發(fā)生破壞。

3）剪切強度參數(shù) 在應力應變曲線中若出現(xiàn)明顯的峰值點則取 （σ1－σ3）為峰值點的應力值，若無明顯峰值點出現(xiàn)則取 （σ1－σ3）為應變20%時對應的應力值。通過對圖1應力應變曲線計算得到黏性土土樣在進行UU三軸試驗時3組不同圍壓大小下所能承受的最大軸向應力 （σ1－σ3）。

3.2 CU試驗結(jié)果

通過在不同圍壓 （100、200、300kPa）下的CU試驗得到3組應力應變曲線關(guān)系圖，如圖3所示。根據(jù)CU試驗數(shù)據(jù)得到不同圍壓時的大小主應力對繪制3個莫爾圓，如圖4所示。UU試驗土體黏聚力C＝47.03kPa，內(nèi)摩擦角φ＝12.60°。

圖3 不同圍壓下CU試驗的應力應變曲線

1）試樣破損形態(tài) 試樣破損形態(tài)與不固結(jié)不排水情況類似。試樣發(fā)生漸進剪切破壞，基本沿著試樣中的微小裂隙逐漸破損。試驗土體基本上呈鼓狀破壞，并出現(xiàn)一定的徑向變形，徑向變形較不固結(jié)不排水為大。主要為單一剪切破壞，破壞面不夠清晰，但在主要破壞面周圍還有一些微小的剪切帶，各剪切帶破壞形態(tài)各異，沒有明顯規(guī)律，仔細觀察各剪切帶在三軸試樣中出現(xiàn)的位置和延伸方向，可以發(fā)現(xiàn)三軸剪切帶滑裂面出口通?？梢匝由斓皆嚇佣瞬客杆恢?。

2）變形特性 黏性土試樣在偏應力作用下的應力應變關(guān)系曲線是研究黏性土強度和變形的基礎。試驗黏性土的三軸剪切試驗曲線與UU試驗曲線有較大區(qū)別。從圖3中可以看出，曲線可以分為4段:第1段為初始線性段，該段變形較小，其斜率較UU為?。坏?段為硬化線性段，該階段試樣表現(xiàn)為線彈性；第3段為非線性段，該階段發(fā)生塑性變形，顆粒之間產(chǎn)生滑移；第4為段下降段，為應變軟化，表明試樣已發(fā)生破壞。

圖4 CU試驗強度包絡線

3）剪切強度參數(shù) 在應力應變曲線中若出現(xiàn)明顯的峰值點則取 （σ1－σ3）為峰值點的應力值，若無明顯峰值點出現(xiàn)則取 （σ1－σ3）為應變20%時對應的應力值。通過對這3組應力應變曲線計算得到黏性土土樣在進行CU三軸試驗時3組不同圍壓大小下所能承受的最大軸向應力 （σ1－σ3）。

3.3 直接剪切試驗結(jié)果

1）與UU作對照的直接快剪試驗結(jié)果分析 土樣的含水率為19.93%，直接剪切試驗時作用于試驗土樣上的垂直應力分別為100、200、300kPa。

圖5 直接剪切試驗的抗剪強度與垂直應力關(guān)系曲線

與UU對照的直接剪切試驗的抗剪強度與垂直應力關(guān)系曲線如圖5（a）所示。由圖5（a）可知，土樣在直接剪切試驗下的黏聚力C＝36.68kPa，內(nèi)摩擦角φ＝9.34°。

2）與CU作對照的直接快剪試驗結(jié)果分析 土樣的含水率為20.12%，直接剪切試驗時作用于試驗土樣上的垂直應力分別為100、200、300kPa。

與CU對照的直接剪切試驗的抗剪強度與垂直應力關(guān)系曲線如圖5（b）所示。由圖5（b）可知，土樣在直接快剪試驗下的黏聚力C＝34.58kPa，內(nèi)摩擦角φ＝9.29°。

4 結(jié)論

1）將UU試驗和CU試驗對比，UU試驗的黏聚力大于CU試驗，而內(nèi)摩擦角遠小于CU試驗。

2）將直接剪切試驗與UU試驗對比，UU試驗的黏聚力大于直接剪切試驗，而內(nèi)摩擦角小于直接剪切試驗。

3）將直接剪切試驗與CU試驗對比，CU試驗的黏聚力和內(nèi)摩擦角均略大于直接剪切試驗。

4）將這4組試驗作對比，相同土樣的情況下UU試驗的黏聚力最大，CU試驗的內(nèi)摩擦角最大。

不同的剪切方式和對排水條件的控制都影響了土體的抗剪強度系數(shù)，UU試驗相對CU試驗黏聚力較大，而內(nèi)摩擦角則明顯小于CU試驗，可能原因是由于UU試驗在整個試驗過程中都嚴格控制了土樣的排水；無論UU試驗還是CU試驗得到的黏聚力都大于直接剪切試驗的黏聚力，這與三軸試驗過程中的圍壓施加有關(guān)；直接剪切試驗排水情況難以控制、小主應力σ3假定為零、豎向壓力分布不均勻、有效剪切面積逐漸減小且剪切面也不一定是試樣的最弱面，這些因素都可能使得直接剪切試驗的黏聚力、內(nèi)摩擦角偏離實際情況且均小于CU試驗結(jié)果。

［1］常士驃 .工程地質(zhì)手冊 ［M］.北京:建筑工業(yè)出版社，1993:50－103.

［2］侯世偉，路德春，杜修力，等 .北京地區(qū)黏質(zhì)粉土三軸試驗與分析 ［J］.土木工程學報，2010，43（增）:548－553

［3］尹驥，陳寶，李煜，等 .上海第②層粉質(zhì)黏土非飽和強度與變形模量的三軸試驗研究 ［J］.巖土工程學報，2009，31（10）:1619－1625

［4］楊金鐘，王艷宏 .天津市上部地基土三軸剪切試驗強度的研究 ［J］.天津理工大學學報，2005，21（3）:86－88

［5］SL237－1999，土工試驗規(guī)程 ［S］.