飽和黃土卸載特性影響因素研究

孫書勤，裴向軍，袁 廣，張曉超，趙 崢

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學(xué))，四川 成都 610059；2.四川省華地建設(shè)工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610081；3.成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)中心，四川 成都 610081)

黃土邊坡開挖過程中，常發(fā)生邊坡的變形[1～5]，部分邊坡甚至發(fā)生滑動破壞。侯曉坤等[6～7]通過三軸固結(jié)不排水試驗及相同固結(jié)應(yīng)力下的加載應(yīng)力路徑試驗，對開挖應(yīng)力路徑下黃土的變形和強度特性進行研究，結(jié)果表明開挖應(yīng)力路徑下飽和土樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為應(yīng)變軟化。王衍匯等[8]通過工程地質(zhì)分析法對工程開挖誘發(fā)黃土邊坡的變形破壞機理進行分析，將開挖黃土邊坡的變形破壞過程分為3個階段：坡腳卸載差異變形階段、壓致拉裂面貫通階段及“V”型裂縫穩(wěn)定階段。郅彬等[9]通過室內(nèi)試驗對不同應(yīng)力路徑下飽和黃土的應(yīng)力、應(yīng)變及孔壓特性進行了分析，發(fā)現(xiàn)不同固結(jié)方式所得到的應(yīng)力峰值以及穩(wěn)定的孔隙水壓力明顯不同。蔣明鏡等[10]通過壓汞試驗對不同應(yīng)力路徑試驗前后黃土孔隙分布的變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)具有相近孔隙分布的飽和土樣在固結(jié)不排水試驗后其孔隙分布有較大差異，相同條件下減圍壓三軸試驗后孔隙體積大于常規(guī)三軸試驗。閆澍旺等[11]通過等向固結(jié)的減壓三軸伸長試驗對飽和黏土卸載特性影響因素進行了研究，發(fā)現(xiàn)天津軟黏土卸荷過程中呈應(yīng)變軟化，并且剪切破壞時應(yīng)變?yōu)?%～10%。前人對開挖卸載作用下飽和黃土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、孔壓變化的研究較多，但對卸載速率相關(guān)的研究較少。

本文通過飽和黃土的卸載三軸試驗，研究固結(jié)圍壓及卸載速率對卸載狀態(tài)下飽和黃土的應(yīng)力-應(yīng)變特性、孔隙水壓力的發(fā)展規(guī)律以及應(yīng)力路徑的影響。

1 卸載三軸試驗

土的室內(nèi)三軸試驗一般包括常規(guī)三軸試驗(CTC)及卸載三軸試驗(RTC)。在邊坡開挖卸荷過程中，邊坡土體處于卸載狀態(tài)，此時邊坡土體的卸載可以等效為卸載三軸試驗(RTC)，即軸壓σ1不變，減小圍壓σ3。

1.1 試驗土樣及試驗儀器

試驗土樣取自甘肅省蘭州市，試樣為重塑土樣，干密度1.55 g/cm3，含水率10%，比重2.7，液限26.0%，塑限13.9%。對土樣進行顆粒分析試驗，試驗結(jié)果如圖1所示，主要由顆粒不均勻、良好級配的粉土組成。

試驗所用儀器為GDS標(biāo)準(zhǔn)三軸試驗系統(tǒng)，包括圍壓控制器、軸壓控制器、反壓控制器、壓力室等。

1.2 試驗方案

試驗過程分別考慮了固結(jié)圍壓及卸載速率對黃土卸載特性的影響，試驗方案見表1。

圖1 土顆粒級配分布曲線Fig.1 Grading of soil

試樣編號固結(jié)圍壓P0/kPa卸載速率/(kPa·min-1)14000 524001330024400255002640010

1.3 試驗過程

將土料烘干后制成含水率w=10%、干密度1.55 g/cm3的土樣，試樣直徑50 mm，高度100 mm。制樣嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行，采用標(biāo)準(zhǔn)擊實器，將土樣分為4層，每擊實一層后用刀刮花，防止各層間形成層面。

將制好的試樣裝入GDS三軸壓力室進行飽和，先通二氧化碳飽和150 min，再水頭飽和150 min，測得孔壓系數(shù)B，若B≥0.95，則試樣達(dá)到飽和，若B<0.95，則采用反壓飽和，直至土樣達(dá)到飽和，土樣飽和后均進行等壓固結(jié)。

2 固結(jié)圍壓對黃土卸載特性的影響

在相同條件下，卸載速率為2 kPa/min時對固結(jié)圍壓P0為300，400，500 kPa的黃土試樣進行卸載三軸試驗。不同固結(jié)圍壓下的偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系見圖2，隨著應(yīng)變的增大，偏應(yīng)力呈現(xiàn)先增長后下降，而后趨于穩(wěn)定的趨勢，這是由于土體在剪切變形的過程中發(fā)生了“應(yīng)變軟化”的特性。3條曲線均對應(yīng)有偏應(yīng)力的峰值點，偏應(yīng)力達(dá)到峰值之前，土體基本呈彈性特征，偏應(yīng)力峰值后土體均為塑性變形，且固結(jié)圍壓越大，偏應(yīng)力峰值越大，對應(yīng)土體的抗剪強度越大。

不同固結(jié)圍壓下的孔隙水壓力-應(yīng)變曲線見圖3，其中(b)為(a)的局部放大。由曲線可以看出，卸載初期，孔壓有小幅度減小，導(dǎo)致超靜孔壓為負(fù)值；而后孔壓隨應(yīng)變的增大而增大，增長至正值；孔壓為正值后，其增長速率逐漸減小，最終達(dá)到孔壓的最大值。固結(jié)圍壓越大，土樣剪切過程中對應(yīng)的孔隙水壓力越大。

圖2 不同固結(jié)圍壓下偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.2 Curves of deviatoric stress-strain under different consolidation pressures

圖3 不同固結(jié)圍壓下孔隙水壓力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.3 Curves of pore pressure-strain under different consolidation pressures

圖4為不同固結(jié)圍壓下的總應(yīng)力路徑及有效應(yīng)力路徑曲線，其中：

(1)

(2)

式中：p——平均應(yīng)力；

q——偏應(yīng)力；

μ——孔隙水壓力。

圖4 不同固結(jié)圍壓下總應(yīng)力路徑及有效應(yīng)力路徑曲線Fig.4 Stress paths and effective stress paths under different consolidation pressures

由圖4中應(yīng)力路徑曲線可以看出，土體抗剪強度隨固結(jié)圍壓的增大顯著增大。由總應(yīng)力路徑曲線可以看出，剪應(yīng)力峰值之前，隨著平均應(yīng)力的增大，偏應(yīng)力呈線性增長；剪應(yīng)力峰值之后，土體發(fā)生破壞，偏應(yīng)力迅速降低。卸載過程中，隨著偏應(yīng)力的增大，孔隙水壓力也在不斷增大，導(dǎo)致有效應(yīng)力路徑曲線相對于總應(yīng)力路徑曲線向左側(cè)發(fā)生偏移。

將式(1)代入式(3)可得，偏應(yīng)力q一定時，有效應(yīng)力路徑相對于總應(yīng)力路徑向左側(cè)的偏移量Δ=μ。

Δ=p-p′

(3)

式中：Δ——有效應(yīng)力路徑相對于總應(yīng)力路徑向左側(cè)的偏移量。

土體達(dá)到最大偏應(yīng)力之前，當(dāng)偏應(yīng)力相等時，對應(yīng)的應(yīng)變εa(300 kPa)>εa(400 kPa)εa>(500 kPa)，此時應(yīng)變對應(yīng)的孔隙水壓力μ(300 kPa)>μ(400 kPa)>μ(500 kPa)。因此，偏應(yīng)力相等時，固結(jié)圍壓越小，有效應(yīng)力相對于總應(yīng)力路徑向左側(cè)的偏移量Δ越大。

3 卸載速率對黃土卸載特性的影響

在相同條件下，固結(jié)圍壓P0為400 kPa時對卸載速率為0.5，1.0，2.0，10.0 kPa/min的黃土試樣進行卸載三軸試驗。不同卸載速率下偏應(yīng)力-時間、圍壓-時間、軸壓-時間關(guān)系曲線見圖5。土體破壞之前，圍壓以確定速率減小，偏應(yīng)力呈線性增長；土體剪切破壞之后發(fā)生應(yīng)變軟化，土體繼續(xù)變形所需偏應(yīng)力減小，儀器自動對圍壓σ3與軸壓σ1進行調(diào)整，因此圍壓有所增大，軸壓發(fā)生驟降后稍有增長。

圖5 不同卸載速率下偏應(yīng)力、圍壓、軸壓-時間關(guān)系曲線Fig.5 Curves among the deviatoric stress, confining pressure and axial pressure with times under different unloading rates

不同卸載速率下的偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線見圖6，卸載速率為0.5，1.0，2.0，10.0 kPa/min時最大偏應(yīng)力分別為193.39，198.58，205.98，216.01 kPa，因此卸載速率越大，對應(yīng)的偏應(yīng)力峰值越大，土體抗剪強度越大。

圖6 不同卸載速率下偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.6 Curves of deviatoric stress-strain under different unloading rates

不同卸載速率下的孔壓-時間關(guān)系見圖7，試驗過程中，孔隙水壓力均有一個緩慢增長的階段，且卸載速率越小，該階段持續(xù)時間越久?？讐弘S時間的推移逐漸增加，且卸載速率越大，孔壓增長越快。

圖7 不同卸載速率下孔隙水壓力-時間關(guān)系曲線Fig.7 Curves of pore pressure-times under different unloading rates

孔隙水壓力-應(yīng)變關(guān)系曲線見圖8。試驗初期，卸載速率2.0 kPa/min及10.0 kPa/min的孔隙水壓力均有小幅減小，后由負(fù)轉(zhuǎn)正，逐漸增大。在孔隙水壓力上升階段，卸載速率越小，孔壓越大。

圖8 不同卸載速率下孔壓-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.8 Curves of pore pressure-strain under different unloading rates

圖9為不同卸載速率下的總應(yīng)力路徑及有效應(yīng)力路徑曲線。固結(jié)圍壓相同時，卸載速率越大，對應(yīng)的偏應(yīng)力峰值越大，土體的抗剪強度越大。有效平均應(yīng)力的變化量隨卸載速率的增大而減小，因此卸載速率越小，有效應(yīng)力相對于總應(yīng)力路徑向左側(cè)的偏移量越大。

圖9 不同卸載速率下總應(yīng)力路徑及有效應(yīng)力路徑曲線Fig.9 Stress paths and effective stress paths under different unloading rates

4 結(jié)論

(1)卸載速率相同時，固結(jié)圍壓越大，土體破壞所需的偏應(yīng)力越大，土體的抗剪強度越大；偏應(yīng)力相等時，固結(jié)圍壓越小，有效應(yīng)力相對于總應(yīng)力路徑向左側(cè)的偏移量越大。

(2)卸載初期，超靜孔壓為負(fù)值，而后孔壓隨應(yīng)變的增大而增大至正值后，孔壓增長速率在其增大的過程中逐漸減?。还探Y(jié)圍壓越大，土樣剪切過程中對應(yīng)的孔隙水壓力越大。

(3)卸載三軸試驗中，土體均表現(xiàn)為應(yīng)變軟化的特性；飽和黃土試樣破壞時的應(yīng)變均為1%～3%，且固結(jié)圍壓越高，破壞時的應(yīng)變越小。

(4)固結(jié)圍壓相同時，卸載速率越大，對應(yīng)的偏應(yīng)力峰值越大，土體的抗剪強度越大；卸載速率越小，有效應(yīng)力相對于總應(yīng)力路徑向左側(cè)的偏移量越大；卸載速率越大，孔壓增長越快，但孔隙水壓力值相對越小。

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