固結(jié)方式對(duì)黏性土不排水強(qiáng)度性狀的影響

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(江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

我國(guó)東南沿海地區(qū)廣泛分布著軟黏土，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代化建設(shè)的步伐不斷加快，沿海地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)地區(qū)，許多大型工程(如高速公路、鐵路、隧道、機(jī)場(chǎng)和碼頭等)不可避免地要建設(shè)在這些軟黏土地基之上[1]。由于軟黏土地基排水固結(jié)緩慢，穩(wěn)定性差，沉降問(wèn)題突出，在外載荷作用下土體破壞表現(xiàn)出較大的突發(fā)性，給工程建設(shè)造成極大危害，因此必須要對(duì)軟黏土的工程力學(xué)性狀有一個(gè)全面和深入的認(rèn)識(shí)。

各向異性是土體的重要力學(xué)特性之一，在很大程度上影響土體的性狀。土的各向異性可分為固有各向異性和應(yīng)力誘發(fā)各向異性[2]。應(yīng)力誘發(fā)各向異性對(duì)天然軟黏土工程特性的影響尤為明顯，包含靜止土壓力系數(shù)K0的固結(jié)應(yīng)力誘發(fā)各向異性，主要是由于天然土體的初始應(yīng)力狀態(tài)為K0固結(jié)狀態(tài)，而非各向等壓狀態(tài)，因此土體固結(jié)結(jié)束后會(huì)產(chǎn)生各向異性。土的室內(nèi)三軸試驗(yàn)一般采用的是各向等壓固結(jié)，而天然土處于K0固結(jié)狀態(tài)[3]，試樣中的孔隙水壓力和有效應(yīng)力會(huì)因剪切前試樣的固結(jié)狀態(tài)不同產(chǎn)生差異，從而影響試樣的不排水強(qiáng)度[4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞土的不排水強(qiáng)度開(kāi)展了大量的研究工作，主要集中在三軸等向固結(jié)或K0固結(jié)條件下的研究[5-11]，但對(duì)兩者的對(duì)比研究開(kāi)展的比較少。本文中通過(guò)獲取天然沉積土原狀樣，開(kāi)展三軸等向固結(jié)和K0固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，探索固結(jié)方式對(duì)天然沉積土不排水強(qiáng)度性狀的影響規(guī)律。

1 土樣基本特性

試驗(yàn)土樣取自江蘇省連云港市某工程場(chǎng)地，采用大直徑聚氯乙烯管(內(nèi)徑為30 cm，高度為30 cm)獲取高質(zhì)量的原狀土樣，現(xiàn)場(chǎng)取土深度為2.5 m，場(chǎng)地地下水位為1.5 m。首先將取回的土樣進(jìn)行常規(guī)的室內(nèi)土工試驗(yàn)，測(cè)定其基本物理指標(biāo)，如表1所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制土的塑性圖，如圖1所示。從圖中可以看出，土樣位于A線上方，B線右側(cè)，屬于高液限黏性土。

表1 土的基本物理指標(biāo)

圖1 試驗(yàn)土樣的塑性圖

2 試驗(yàn)方案

通過(guò)TKA系列全自動(dòng)應(yīng)力路徑三軸儀中的K0固結(jié)模塊，測(cè)得該土樣的靜止土壓力系數(shù)K0為0.59，K0表示為

(1)

在三軸試驗(yàn)中，土樣的應(yīng)力狀態(tài)可用q-p′關(guān)系來(lái)表示，其中q為偏應(yīng)力或廣義剪應(yīng)力，p′為有效均應(yīng)力，分別表示為

(2)

(3)

采用切土器平行制備一組三軸原狀樣(直徑為3.91 cm，高度為8 cm)，采用TKA系列全自動(dòng)應(yīng)力路徑三軸儀分別進(jìn)行等向與K0固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。等向固結(jié)與K0固結(jié)的區(qū)別在于等向固結(jié)始終保持偏應(yīng)力q=0，而K0固結(jié)偏應(yīng)力q隨p′線性增大，由K0=0.59代入式(2)、(3)，可以計(jì)算出q/p′=0.56。 具體試驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)土樣進(jìn)行反壓飽和，待飽和度達(dá)到0.95后進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)；等向固結(jié)試驗(yàn)采用等向固結(jié)模塊，有效均應(yīng)力p′分別取15、25、50、100、150、200 kPa；K0固結(jié)試驗(yàn)采用K0固結(jié)模塊，沿K0線固結(jié)(q/p′=0.56)，分別設(shè)置有效均應(yīng)力p′為15、25、50、100、150、200 kPa；待固結(jié)穩(wěn)定后，進(jìn)行不排水剪切試驗(yàn)，剪切速率設(shè)為0.073 mm/min。

K0為靜止壓力系數(shù)；p為偏應(yīng)力；p′為有效均應(yīng)力。圖2 土樣固結(jié)方式示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)試驗(yàn)原狀土樣進(jìn)行等向固結(jié)與K0固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，得到不同p′下的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線，分別如圖3所示。在圖3(a)的K0固結(jié)的關(guān)系曲線中，由于土樣沿著K0線固結(jié)，土樣在不同p′下固結(jié)完成時(shí)具有一定的q值，因此當(dāng)軸向應(yīng)變?chǔ)臿=0時(shí)，q不為0。在圖3(b)的等向固結(jié)關(guān)系曲線中，當(dāng)εa=0時(shí)，所有土樣的q均為0。通過(guò)對(duì)比圖3可以看出，等向固結(jié)與K0固結(jié)土樣在低有效均應(yīng)力(p′=15、25、50 kPa)時(shí)，呈現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象。

(a)K0固結(jié)

(b)等向固結(jié)p′為有效均應(yīng)力。圖3 土樣K0(靜止土壓力系數(shù))固結(jié)和等向固結(jié)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

隨著有效均應(yīng)力p′的增大，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特征。

為了進(jìn)一步比較K0固結(jié)與等向固結(jié)下的不排水強(qiáng)度特性，根據(jù)圖3確定不同p′下的不排水強(qiáng)度Su值，結(jié)果如圖4所示。若q-εa曲線在εa=15%前出現(xiàn)最大偏應(yīng)力qmax時(shí)，取Su=qmax/2，未出現(xiàn)最大偏應(yīng)力時(shí)，則取εa=15%對(duì)應(yīng)的q值的一半作為Su。

為三軸屈服應(yīng)力。圖4 土樣等向固結(jié)與K0(靜止土壓力系數(shù))固結(jié)不排水強(qiáng)度對(duì)比

為了進(jìn)一步分析不同固結(jié)方式對(duì)原狀土樣不排水強(qiáng)度的影響，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制總應(yīng)力和有效應(yīng)力莫爾圓，如圖6所示。 圖中取屈服后的莫爾圓切線來(lái)確定總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)和有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。

圖5 土樣等向固結(jié)與K0(靜止土壓力系數(shù))固結(jié)不排水剪切應(yīng)力路徑

其中，等向固結(jié)不排水剪切的總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)，土的黏聚力為2.7 kPa，內(nèi)摩擦角為14.2°；有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)，土的有效黏聚力為3.1 kPa，有效內(nèi)摩擦角為31.1°。K0固結(jié)不排水剪切的總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)，土的黏聚力為5.0 kPa，內(nèi)摩擦角為18.3°；有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)，土的有效黏聚力為4.1 kPa，有效內(nèi)摩擦角為30.2°。 就有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)而言，2種固結(jié)方式下的黏聚力和內(nèi)摩擦角變化較小，表明等向固結(jié)與K0固結(jié)方式對(duì)有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)影響較小。 就總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)而言，固結(jié)方式對(duì)有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)的影響主要是內(nèi)摩擦角。K0固結(jié)不排水剪切的內(nèi)摩擦角為18.3°，而等向固結(jié)不排水剪切的摩擦角為14.2°，這主要是由K0固結(jié)誘發(fā)的各向異性引起土顆粒的排列方式與等向固結(jié)的有差異所致。

(a) 等向固結(jié)

(b)K0固結(jié)圖6 土樣等向固結(jié)和K0(靜止土壓力系數(shù))固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)確定的應(yīng)力莫爾圓

4 結(jié)論

1)原狀土樣等向固結(jié)與K0固結(jié)土樣應(yīng)力-應(yīng)變?cè)诘凸探Y(jié)壓力下呈現(xiàn)應(yīng)變硬化，隨著固結(jié)壓力p′的增加，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特性。

2)不同固結(jié)方式導(dǎo)致天然沉積土不排水強(qiáng)度存在差異，相同固結(jié)壓力下，K0固結(jié)不排水強(qiáng)度大于等向固結(jié)不排水強(qiáng)度。等向固結(jié)與K0固結(jié)不排水強(qiáng)度與有效均應(yīng)力p′的關(guān)系可以用雙直線表示，屈服前不排水強(qiáng)度隨有效均應(yīng)力的增大而增加較慢，屈服后不排水強(qiáng)度包線與重塑土相似，為一條通過(guò)原點(diǎn)的直線。

4)2種固結(jié)方式下有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)(土的有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角)參數(shù)變化較小，表明等向固結(jié)與K0固結(jié)對(duì)有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)影響較小。K0固結(jié)的內(nèi)摩擦角大于等向固結(jié)的內(nèi)摩擦角，兩者的黏聚力值變化不大，固結(jié)方式對(duì)總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)的影響主要體現(xiàn)在內(nèi)摩擦角的不同。