飽和軟土K0固結(jié)下三軸固結(jié)不排水剪試驗(yàn)分析

王小衛(wèi)

(江蘇省建苑巖土工程勘測(cè)有限公司，江蘇南京210019)

1 概述

規(guī)范［1-4］在進(jìn)行三軸固結(jié)不排水剪(cu)試驗(yàn)時(shí)對(duì)土試樣是否進(jìn)行預(yù)固結(jié)未做明確規(guī)定，巖土工程師們?cè)谠囼?yàn)時(shí)普遍進(jìn)行有效自重壓力下等壓預(yù)固結(jié)，這顯然與土試樣原位應(yīng)力狀態(tài)不符。不同的預(yù)固結(jié)壓力條件可以得出不同的不排水剪強(qiáng)度指標(biāo)(c、φ)，所以試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該依據(jù)土試樣原位應(yīng)力狀態(tài)選擇預(yù)固結(jié)壓力尤為重要。

取土是一個(gè)卸荷、膨脹的力學(xué)過(guò)程，卸荷、膨脹改變了土的物理力學(xué)狀態(tài)，孔隙比增大，強(qiáng)度降低［5］。天然土層通常是在側(cè)向不變形的條件下固結(jié)形成的，即處于K0狀態(tài)［6］，可見(jiàn)在三軸試驗(yàn)時(shí)，使土樣在K0條件下預(yù)固結(jié)，能消除取土過(guò)程中的卸荷、膨脹影響，較真實(shí)模擬土體的原位應(yīng)力狀態(tài)，較準(zhǔn)確反映土體的天然強(qiáng)度，而采用有效自重壓力下等壓預(yù)固結(jié)有些欠妥，尤其對(duì)飽和軟土。

基于此，本文從土體的原位應(yīng)力狀態(tài)出發(fā)分析了有效自重壓力等壓預(yù)固結(jié)和K0固結(jié)的不同，結(jié)合具體試樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了2種不同預(yù)固結(jié)狀態(tài)下的固結(jié)不排水剪強(qiáng)度指標(biāo)，并結(jié)合十字板原位測(cè)試計(jì)算固結(jié)不排水剪強(qiáng)度，進(jìn)一步驗(yàn)證了K0固結(jié)下的不排水剪強(qiáng)度的合理性。工程實(shí)際中，進(jìn)行K0固結(jié)下的不排水剪更能反映土體實(shí)際側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)。

2 土體應(yīng)力狀態(tài)分析

2.1 土體原位應(yīng)力狀態(tài)分析

地基土體原位應(yīng)力狀態(tài)是一種典型的側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)，即在自重的應(yīng)力作用下土體不發(fā)生側(cè)向變形，只發(fā)生豎向變形。豎直面和水平面都不會(huì)有剪應(yīng)力存在，如圖1所示。能直接反映原位應(yīng)力狀態(tài)特征的參數(shù)是靜止側(cè)壓力系數(shù)K0，所以原位應(yīng)力狀態(tài)常被稱(chēng)為K0狀態(tài)［7］。

圖1 土體側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)

2.2 三軸固結(jié)不排水剪試驗(yàn)應(yīng)力狀態(tài)分析

取土卸荷使原位土體的應(yīng)力條件發(fā)生變化。土樣埋藏愈深，卸荷、膨脹的作用愈明顯，對(duì)強(qiáng)度影響也愈大［5］。不排水剪時(shí)采用預(yù)固結(jié)的方法來(lái)消除取土卸荷的影響。等壓固結(jié)和K0固結(jié)采用的是不同應(yīng)力條件下的固結(jié)，如圖2所示。在q-p應(yīng)力平面內(nèi)，有效自重壓力下預(yù)固結(jié)是先從應(yīng)力零點(diǎn)，沿p軸固結(jié)到a點(diǎn)穩(wěn)定后，再沿剪切路徑ac經(jīng)過(guò)b點(diǎn)到c點(diǎn)破壞。K0固結(jié)沿應(yīng)力零點(diǎn)o到b點(diǎn)固結(jié)穩(wěn)定后沿bc到點(diǎn)破壞。K0固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)反映了土體原位應(yīng)力狀態(tài)，所得不排水剪強(qiáng)度能真實(shí)反映土體的自然強(qiáng)度。

圖2 K0固結(jié)與等壓固結(jié)應(yīng)力示意圖

3 固結(jié)不排水剪試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)樣本取之南京長(zhǎng)江沉積漫灘相軟土，該層軟土厚度普遍在15m左右，試樣深度8.5m，靈敏度St在6左右，正常固結(jié)土。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，表1為試驗(yàn)土樣基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

試驗(yàn)采用應(yīng)力—應(yīng)變式三軸儀進(jìn)行K0固結(jié)三軸不排水剪試驗(yàn)，K0固結(jié)靜止側(cè)壓力系數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果取0.60。依據(jù)p=(σ1+σ2+σ3)，試樣深度8.5m，計(jì)算有效自重壓力等壓預(yù)固結(jié)壓力為47.4kPa。試驗(yàn)圍壓均采用50、100、200、300kPa。固結(jié)和剪切應(yīng)變速率都按每分鐘0.02%進(jìn)行，取εa=15%時(shí)的應(yīng)力作為破壞應(yīng)力。

表1 試驗(yàn)土樣基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制主應(yīng)力差(σ1-σ3)和軸向應(yīng)變(εa)曲線(xiàn)，圖3表明，正常固結(jié)飽和軟土K0固結(jié)cu試驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系沒(méi)有峰值出現(xiàn)；主應(yīng)力差(σ1-σ3)隨著側(cè)向固結(jié)應(yīng)力(σc)的增加而緩慢增加；在σc較小時(shí)，對(duì)K0固結(jié)的土樣應(yīng)力狀態(tài)影響較小，當(dāng)在σc增加到足夠大時(shí)，對(duì)土樣的破壞起到明顯的作用，才使土樣發(fā)生剪切破壞，分析原因，土樣在K0固結(jié)狀態(tài)下的軸向壓應(yīng)力使土樣固結(jié)得更加密實(shí)，在剪切過(guò)程中當(dāng)σc大于K0固結(jié)時(shí)的軸向壓應(yīng)力時(shí)才能改變土樣的應(yīng)力狀態(tài)。

圖3 三軸試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

圖4 三軸試驗(yàn)強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制破壞時(shí)的強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)(圖4)，依據(jù)摩爾圓計(jì)算土體的不排水抗剪總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)(c、φ)(表2)；可見(jiàn)與有效自重壓力等壓預(yù)固結(jié)不排水總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)相比，K0固結(jié)下粘聚力c值小而內(nèi)摩擦角φ值大；2種不同固結(jié)下有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)基本相同，這點(diǎn)在文獻(xiàn)［8］中已經(jīng)證實(shí)，這里不再比較分析。

表2 三軸固結(jié)不排水剪強(qiáng)度指標(biāo)

3.3 原位十字板試驗(yàn)驗(yàn)證

現(xiàn)場(chǎng)土體原位應(yīng)力狀態(tài)下確定土的不排水強(qiáng)度的試驗(yàn)可靠性高的主要為十字板試驗(yàn)。本次十字板試驗(yàn)板高H=100mm，板 厚D=50mm，板 頭 常 數(shù)K=6/(7πD3)=0.00218cm-2；表3各深度試驗(yàn)深度十字板試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)。

文獻(xiàn)［9］給出了十字板確定土的總體抗剪強(qiáng)度τf計(jì)算公式：

表3 各深度十字板試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

式中：Mmax——外加于十字板剪切儀上的最大扭力矩。

學(xué)者趙佩勝等［10］在庫(kù)倫強(qiáng)度公式的基礎(chǔ)上依據(jù)土的總體抗剪強(qiáng)度τf，利用最小二乘法原理推導(dǎo)出抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(c、φ)計(jì)算公式：

式中：ξ——與板高、板厚、靜止側(cè)壓力系數(shù)及土的重度相關(guān)的系數(shù)。

ξ計(jì)算公式：

將表 3 數(shù)據(jù)代入公式(2)、(3)、(4)計(jì)算得：系數(shù)ξ=11.57kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=22.1°，粘聚力c=10.4kPa；K0固結(jié)下三軸不排水剪強(qiáng)度和十字板試驗(yàn)結(jié)果及推算不排水剪強(qiáng)度指標(biāo)比較接近，進(jìn)一步說(shuō)明K0固結(jié)更符合土體原位應(yīng)力狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文進(jìn)行了飽和軟土K0固結(jié)下三軸不排水剪試驗(yàn)分析，并與有效自重壓力等壓預(yù)固結(jié)下三軸不排水剪進(jìn)行了對(duì)比分析，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)十字板原位測(cè)試對(duì)K0固結(jié)下三軸不排水剪試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

(1)正常固結(jié)飽和軟土K0固結(jié)三軸不排水剪試驗(yàn)應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)沒(méi)有峰值出現(xiàn)；主應(yīng)力差隨著側(cè)向固結(jié)應(yīng)力的增加而緩慢增加。

(2)飽和軟土K0固結(jié)與等壓固結(jié)下不排水總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)相比，K0固結(jié)下粘聚力c值小而內(nèi)摩擦角φ值大。

(3)K0固結(jié)三軸不排水剪強(qiáng)度和十字板試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算強(qiáng)度指標(biāo)比較接近。