吹填土聯(lián)合預壓過程中抗剪強度特性試驗研究

王帥，張潔，徐穎，孫立強，夏開文，楊進良

（1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.天津大學巖土工程研究所，天津 300072）

吹填土聯(lián)合預壓過程中抗剪強度特性試驗研究

王帥1，2，張潔1，2，徐穎1，2，孫立強1，2，夏開文1，2，楊進良2

（1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.天津大學巖土工程研究所，天津 300072）

為了研究天津濱海地區(qū)吹填土地基在加固過程中的抗剪強度特性，通過GDS三軸試驗系統(tǒng)對吹填重塑土進行不同固結度下的室內(nèi)不排水剪切試驗。試驗結果表明，內(nèi)摩擦角隨固結度增加呈非線性增長規(guī)律，黏聚力則無明顯增長。以國內(nèi)外重塑土的三軸試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，對內(nèi)摩擦角進行歸一化處理得出了固結后期內(nèi)摩擦角增長預測公式。此外，對固結體應變與土體抗剪強度的關系進行分析得出合適的堆載施加方式。最后，將規(guī)范法預測的抗剪強度增長值與計算值進行對比，指出本文內(nèi)摩擦角預測公式的合理性。

吹填土；GDS三軸試驗系統(tǒng)；固結度；抗剪強度；聯(lián)合預壓

0 引言

近年來，隨著工程技術手段的不斷提高，地基處理技術由單一加固逐漸向復合加固發(fā)展，真空-堆載聯(lián)合預壓技術就是其中之一[1-2]。真空預壓加固過程中，土體受到等向球應力作用不會發(fā)生剪切破壞，隨著固結度的增加其抗剪強度會逐漸增加。在堆載預壓加固過程中，豎向堆載使土體產(chǎn)生偏應力，若單級堆載過大，土體會剪切破壞。

關于固結度對土體抗剪強度的影響問題，國內(nèi)外的學者做了相關研究。在理論方面，國內(nèi)常用的計算土體抗剪強度增長的方法主要為有效應力法[3-4]，該法假設內(nèi)摩擦角不隨固結度變化而變化，沒有考慮其隨固結度變化情況，與土體實際狀態(tài)不符。在試驗研究方面，許多學者做了很多有益的研究。何群、李佐良等學者[5-10]則通過一系列室內(nèi)試驗對不同地區(qū)黏性土抗剪強度特性與固結度的關系進行了研究。但已有的試驗研究對抗剪強度指標增長規(guī)律均采用定性分析，沒有定量地進行探究。天津濱海地區(qū)新近淤泥質(zhì)吹填土具有沉積時間短、結構性弱等特點，其性質(zhì)與重塑土相似?，F(xiàn)有對于黏性土抗剪強度增長研究大多針對原狀土，而關于吹填重塑土在加固過程中的抗剪強度特性增長規(guī)律還鮮有研究。

綜上所述，本文采用GDS三軸實驗系統(tǒng)對天津濱海地區(qū)新近淤泥質(zhì)吹填重塑土在加固過程中抗剪強度特性增長規(guī)律進行研究，研究成果可為真空-堆載聯(lián)合預壓施工過程中合理選擇堆載施加時間及大小提供指導。

1 試驗方法與步驟

1.1 試驗土樣和試驗儀器

1.1.1 重塑土樣的制備與物理參數(shù)測定

按照土工試驗相關標準和規(guī)范的要求，取天津濱海地區(qū)淤泥質(zhì)吹填土，經(jīng)過晾曬、烘干、磨碎、過篩后制備重塑飽和土樣，直徑50 mm、高度100 mm，土樣基本物理參數(shù)如表1。

表1 重塑土基本物理參數(shù)Table1 Basic param eters of remolded soil

1.1.2 GDS應力路徑三軸試驗系統(tǒng)（GDSTTS）

本次試驗采用英國GDS公司生產(chǎn)的應力路徑三軸試驗系統(tǒng)（GDSTTS），該系統(tǒng)包括軟件、Bishop&Wesley型液壓應力路徑三軸壓力室、標準型壓力控制器（STDTTS）和高級型壓力控制器（ADVTTS）。如圖1所示。

圖1 GDS應力路徑三軸試驗系統(tǒng)Fig.1 GDS stress path triaxial testing system

關于試驗固結度控制方面，目前常常采用分次施加圍壓法[5]和固結時間控制法[6]，其控制方法很難做到精確控制且與真實情況存在差異。利用GDS三軸試驗系統(tǒng)，通過孔壓傳感器的實時數(shù)據(jù)，可以精確監(jiān)測土體在固結過程中固結度的變化情況，使試驗條件更加精確，能夠更真實地還原土體的真實狀態(tài)。

1.2 試驗方案及過程

為了探究固結過程中不同固結度下飽和重塑土的各項指標，設置不同的對照組。固結壓力σ3分別為30 kPa、50 kPa、70 kPa、90 kPa、110 kPa；固結度分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%、70%、100%。利用GDS三軸試驗系統(tǒng)進行不同固結度下的不排水剪切試驗。固結過程中反壓設置為0；試樣剪切時采用應變控制，速率為0.075%/min，當軸向應變達到20%后停止試驗。試驗前后土樣如圖2所示。

圖2 試驗前后土樣Fig.2 Soilsam ples before and after the test

2 試驗結果分析

2.1 抗剪強度指標與固結度的關系

將試驗結果進行處理，抗剪強度指標與固結度的關系見圖3。

由圖3可以看出，重塑土內(nèi)摩擦角φ隨著固結度U的增加而呈非線性增加，并可按照其增長速率分為兩個階段：當固結度U<30%時，φ值增長速率較大；U>30%時，φ值繼續(xù)增長，但其增長速率要小于第一階段。黏聚力c受固結度U影響較小，其值略有增長。

2.1.1 固結度對內(nèi)摩擦角φ的影響

為了進一步探究內(nèi)摩擦角與固結度的關系，對相關文獻[7，11]的三軸不排水剪試驗結果進行了匯總和整理，結果如圖4所示。

圖3 抗剪強度指標與固結度關系Fig.3 Relationship between shear strength parameters and consolidation degree

圖4 三軸不排水剪內(nèi)摩擦角與固結度關系Fig.4 Relationship between the internal friction angle and consolidation degree of triaxialundrained shear test

圖4中選取了3種不同重塑黏土內(nèi)摩擦角φ進行匯總，可以看出：隨著固結度的增加內(nèi)摩擦角呈非線性增長規(guī)律，且其變化過程按照增長速率快慢可分為2個階段，即固結度增長初期和后期。在固結度增長初期，同種土體的內(nèi)摩擦角增長速率大于后期，且由圖4可知，不同的土內(nèi)摩擦角初期增長速率不相同，但在固結度增長后期，各條曲線趨于平行，由此可以得出不同黏土的內(nèi)摩擦角增長速率相差不大。

為了進一步對內(nèi)摩擦角增長規(guī)律進行研究，引入土樣固結度為100%時（即標準CU試驗）的內(nèi)摩擦角φt作為歸一化因子，對不同土體的內(nèi)摩擦角φ值進行歸一化處理，所得φ/φt與固結度U之間的關系如圖5所示。

圖5 φ/φt與固結度的關系Fig.5 Relationship betweenφ/φtand consolidation degree

由圖5可以看出，數(shù)據(jù)經(jīng)過歸一化處理后，在固結度增長前期和后期，φ/φt的增長速率仍表現(xiàn)為“前快后慢”。在固結前期，不同黏土的φ/φt值增長速度與規(guī)律呈現(xiàn)明顯差異性。但隨著固結度的增加，該差異性逐漸減弱。固結后期，不同黏性土的φ/φt與U關系呈現(xiàn)出了較好的線性規(guī)律，集中分布于一條直線上，直線可擬合為：

φ/φt=0.005 37U+0.468 92 （1）

由此可知，在固結初期，不同黏土的φ/φt值先會顯著增加（不同黏土的增長規(guī)律之間存在差異），待其增長曲線與趨勢線相交后，φ/φt值會沿著趨勢線增長，此階段內(nèi)摩擦角可根據(jù)式（1）進行計算。

根據(jù)土力學的相關定義，內(nèi)摩擦角反映的是土體內(nèi)部顆粒之間的摩擦特性。土體在固結初期，其體應變較大，顆粒間的嵌入和聯(lián)鎖作用明顯，故φ值增長迅速。

2.1.2 固結度對黏聚力c的影響

將前述文獻的黏聚力進行搜集整理，黏聚力與固結度的關系由圖6所示。隨著固結度的增長重塑土的黏聚力變化不明顯，其原因為：土體在重塑過程中其結構性被破壞，加之試驗所用重塑土樣的固結時間短，結構強度基本未形成[12]。

圖6 黏聚力與固結度的關系Fig.6 Relationship between cohesion and consolidation degree

2.2 抗剪強度與固結度的關系

將圖3中抗剪強度指標c、φ值代入摩爾-庫侖抗剪強度準則τ=σ·tanφ+c中，可以得到不同固結度下的抗剪強度，見圖7。另外，土體在不同固結應力作用下的體應變?nèi)鐖D8所示。

圖7 抗剪強度與固結度關系Fig.7 Relationship between shear strength and consolidation degree

圖8 體應變與固結度與關系Fig.8 Relationship between volume strain and consolidation degree

由圖7可以看出土體的抗剪強度隨著固結度增加呈增長的趨勢。當固結度U<30%時，抗剪強度增長較快；U>30%時，抗剪強度增長變緩?？辜魪姸入S固結度增長趨勢與內(nèi)摩擦角增長趨勢相同，由此可知，內(nèi)摩擦角的增長對于吹填重塑土抗剪強度的影響起主導作用。由圖8可以得出，土體在固結過程體應變會增加，其體應變增長速率隨著固結度增加而逐漸減小。從微觀上來說，隨著固結度的增加，土體的孔隙逐漸減小，有些顆粒被擠入原來的孔隙中，顆粒錯動使土體結構更加密實，導致其抗剪強度增加。

為了進一步研究抗剪強度增長規(guī)律與固結體應變的關系，將不同固結度下的二者平均累計增長頻率繪于圖9。

圖9 抗剪強度、固結體應變平均增長累計頻率與固結度關系Fig.9 The average cum ulative frequency of shear strength and volume strain during consolidation

由圖9可知，隨著固結度的增加，體應變與抗剪強度的增長趨勢基本保持一致。并且當固結度達到50%時，體應變與抗剪強度增長幅度均達到70%以上，土顆粒間空隙減少，其抗剪能力顯著增強。當U>50%，內(nèi)摩擦角值可用式（1）進行計算。在真空-堆載聯(lián)合預壓施工過程中，可以此為依據(jù)并根據(jù)工程需要，在土體真空預壓不完全固結時施加合適的堆載進行聯(lián)合預壓，以達到加快施工進度的目的。

另外，根據(jù)《建筑地基處理技術規(guī)范》規(guī)定，飽和正常固結黏性土在加固過程中某一固結度下抗剪強度增量可按照Δτ=Δσz·Ut·tanφcu計算，取重塑土經(jīng)過荷載30 kPa完全固結時的抗剪強度為起始抗剪強度，Δσz可取80 kPa模擬真空荷載。其計算結果與摩爾-庫侖準則結果如表2所示。

由表2，對于吹填重塑土來說，利用規(guī)范計算的土體抗剪強度增量值比摩爾-庫侖準則計算值小，且二者誤差隨固結度的增加而減小。造成此差異的原因在于：通過式Δτ=Δσz·Ut·tanφcu進行計算時，假設固結過程中內(nèi)摩擦角不變。而在實際工程中，土體在固結過程中其內(nèi)摩擦角逐漸增大。故在實際計算時，可按照式（2）計算不同固結度下的內(nèi)摩擦角，以準確計算抗剪強度。

表2 不同方法計算抗剪強度增量Tab le 2 Calculation of shear strength incrementby different methods

3 結語

本文對天津濱海吹填重塑土進行不排水剪切試驗，進行數(shù)據(jù)整理與分析后可得到以下結論：

1）隨著固結度的增加，重塑土的內(nèi)摩擦角首先快速增長，而后（固結度>30%）其增長速率降低且趨于定值，此階段內(nèi)摩擦角可用式φ/φt= 0.005 37U+0.468 92計算；黏聚力增長不明顯。因此，內(nèi)摩擦角與吹填重塑土抗剪強度增長趨勢基本一致。

2）以不同地區(qū)的重塑黏性土的三軸試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)并利用歸一化方法建立φ/φt與U的關系，發(fā)現(xiàn)在固結初期不同黏土內(nèi)摩擦角增長速率各不相同；在固結后期，內(nèi)摩擦角增長速率趨于定值且相差不大，可用一條趨勢線描述其增長規(guī)律。

3）分析加固過程中體應變與抗剪強度的增長頻率，可得出吹填土在固結過程中的增長規(guī)律。將規(guī)范預測值與摩爾-庫侖計算值對比，說明了預測公式的可靠性。試驗成果可為真空-堆載聯(lián)合預壓施工過程中合理選擇堆載施加方式提供指導，加快施工進度。

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Experimental research on shear behavior of dredger fills in vacuum-surcharge preloading process

WANG Shuai1,2,ZHANG Jie1,2,XU Ying1,2,SUN Li-qiang1,2,XIA Kai-wen1,2,YANG Jin-liang2
（1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.Institute of GeotechnicalEngineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China）

To study the characteristic of shear strength during consolidation,the undrained test of remolded soil that made of dredger fill from Tianjin coastalarea had been done by using GDS stress path triaxial testing system.The test result shows that the growth rates of internal friction angles not a constant.The growth of cohesion is notsignificant.According to the triaxial test data of remoulded soil from domestic and overseas,we normalized the value of internal friction angle,and summarized the internal friction angle growth formula.In addition,the relationship between shear strength and consolidation volume strain was also studied to obtain the appropriate application method of surcharge.The predicted shear strength of the standard method is compared with the calculated value,and the rationality of the friction angle prediction formula is pointed out.

dredger fill;GDS stress path triaxial testing system;consolidation degree;shear strength;vacuum-surcharge preloading

U655.544.4；TU432

A

2095-7874（2016）11-0030-05

10.7640/zggw js201611007

2016-07-28

2016-08-29

國家自然科學基金項目（51479131）；天津市自然科學基金重點項目（13JCYBJC40600）

王帥（1991— ），男，天津市人，碩士研究生，主要從事軟土地基加固方面的研究。E-mail：WangShuai01_TJU@163.com