飽和高嶺土的部分排水剪切應力-應變特性

，，，

(河海大學 a.巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室；b.巖土工程科學研究所， 南京 210098)

1 研究背景

常規(guī)三軸試驗在剪切過程中，試樣要么處于完全不排水(即體變?yōu)?)狀態(tài)，要么處于完全排水(即孔壓為0)狀態(tài)，這與工程實踐中土體在受到剪應力的同時也在排水固結即部分排水剪切的狀態(tài)并不吻合。開展部分排水剪切條件下的三軸試驗，對于認識體變和孔壓共同作用下土體的力學特性，并應用于解決諸如土堤施工穩(wěn)定性[1-2]、地基液化控制[3-4]等問題有著重要的學術意義和工程應用價值。砂性土在部分排水剪切條件下的應力-應變特性已有不少的研究成果[3-7]。然而，對于黏性土，相關的研究成果卻并不多見，現有的試驗研究主要是針對三軸試樣中應力和應變場的不均勻性，以及滿足完全排水剪切條件的軸向應變加載速率的取值問題而開展[8-10]。為研究部分排水剪切條件下黏土的應力-應變特性，本文采用飽和高嶺土，開展了在不同的軸向應變速率加載剪切過程中將排水閥打開的三軸壓縮試驗，并與相同剪切固結應力條件下的完全排水、完全不排水剪切試驗結果進行了對比，分析了孔壓和體變共同作用對飽和高嶺土應力-應變特性的影響。研究成果可為考慮部分排水剪切條件下地基穩(wěn)定性分析方法的構建提供依據。

2 試樣制備及試驗方案

2.1 試樣制備

試驗所采用的高嶺土的基本物理性質指標如表1所示。試樣的制備按照《土工試驗方法標準》[11]采用分層擊實法和真空抽氣飽和法進行。試樣的直徑為39.1 mm、高為80 mm。試樣的含水率為32%，孔隙比為0.87。

表1 試驗用高嶺土的物理性質指標Table 1 Physical properties of tested kaolin

2.2 試驗方案

所開展的三軸壓縮試驗中，所有試樣均首先在100 kPa圍壓下固結完成，然后再開展剪切試驗。所開展的剪切試驗有：常規(guī)的完全不排水剪切、完全排水剪切，以及部分排水剪切試驗。完全不排水剪切(CU)試驗中，軸向應變的位移加載速率取為0.03 mm/min；完全排水剪切(CD)試驗中，軸向應變的位移加載速率取為0.002 mm/min；部分排水剪切(CPD)試驗中，排水閥始終打開使試樣保持自由排水，軸向應變的位移加載速率分別取為0.03，0.06，0.10，0.20，0.30 mm/min。

3 試驗結果及分析

完全排水、部分排水和完全不排水條件下的三軸剪切試驗結果如下所示。

從圖1可以看出，所采用的試樣的偏應力q與軸向應變εa的應力-應變關系表現為硬化型，部分排水剪切條件下的應力-應變曲線介于完全排水和完全不排水剪切條件下的應力-應變曲線之間。隨著軸向應變位移加載速率的增加，應力-應變曲線逐漸趨向于完全不排水剪切條件下的應力-應變曲線。相應地，隨著軸向應變位移加載速率的增加，試樣的抗剪強度也從完全排水條件下的抗剪強度逐漸減小為不排水抗剪強度。這與純粹的完全不排水剪切試驗條件下，不排水抗剪強度隨軸向應變加載速率的增加而增加的特性[12-13]明顯不同。完全不排水剪切條件下，體變?yōu)?，剪切應力引起的孔壓隨軸向應變加載速率的增加而減小[12]，導致不排水抗剪強度增加。而在部分排水剪切條件下，體變并不為0，試樣產生剪縮，剪縮引起的孔壓隨軸向應變加載速率的增加而增大，使得其抗剪強度隨之減小，這反映了體變和孔壓的耦合作用對土體力學特性的影響。

圖1偏應力與軸向應變關系曲線
Fig.1Curvesofdeviatorstressversusaxialstrain

從圖2可以看出，部分排水剪切條件下孔壓u隨軸向應變εa的變化曲線也介于完全排水和完全不排水剪切條件下的孔壓曲線之間，軸向應變的位移加載速率越快，則所產生的峰值孔壓越大，達到峰值孔壓所需要的軸向應變也表現出增大的趨勢。部分排水剪切過程中，當孔壓達到峰值后，則開始持續(xù)消散。這是因為排水閥始終是處于打開的狀態(tài)，孔壓達到峰值前，軸向應變位移加載所產生的孔壓增長速率超過了試樣排水引起的孔壓消散速率，使得孔壓增加；其后，軸向應變位移加載所產生的孔壓增長速率小于試樣排水引起的孔壓消散速率，使得孔壓消散。這可以解釋為什么圖1中的應力-應變曲線表現為硬化型。顯然，在部分排水剪切條件下，孔壓的變化特性不僅與軸向應變的位移加載速率有關，還與試樣本身的滲透系數、變形特性和排水條件密切相關。換言之，Skempton的孔壓系數[14-15]取決于土體的變形和固結參數以及加載和排水條件，這與現有的相關研究成果所得到的結論[16-20]是一致的。

圖2孔壓與軸向應變關系曲線
Fig.2Curvesofporepressureversusaxialstrain

從圖3可以看出，部分排水剪切條件下體變εv隨軸向應變εa的變化曲線均介于完全排水和完全不排水(體變?yōu)?)剪切條件下的體變變化曲線之間，軸向應變的位移加載速率越快，則所產生的體變越小，這是由于體變主要取決于試樣的滲透性參數，軸向應變的位移加載速率越快，達到相同的軸向應變所需要的時間就越短，因此相應的體變就越小。完全排水剪切條件下的體變隨軸向應變的變化曲線表現出明顯的非線性關系，而在部分排水剪切條件下，當軸向應變超過3%之后，體變與軸向應變卻近似呈線性關系。

圖3體積應變與軸向應變關系曲線
Fig.3Curvesofvolumetricstrainversusaxialstrain

從圖4可以看出，部分排水剪切條件下的偏應力q與平均有效應力p′ 應力路徑關系曲線也介于完全排水和完全不排水剪切條件下的應力路徑曲線之間，而臨界狀態(tài)線(圖中的虛線)卻是唯一的，并不依賴于剪切過程中的加載速率和排水條件。應力路徑曲線的拐點對應于孔壓達到峰值的應力狀態(tài)，軸向應變加載速率越慢，拐點則越早發(fā)生。孔壓達到峰值后，應力路徑近似呈直線硬化至臨界狀態(tài)，其斜率則隨著軸向應變加載速率的減小而增加。

圖4偏應力與平均有效應力關系曲線
Fig.4Curvesofdeviatorstressversusmeaneffectivestress

從圖5可以看出，部分排水剪切條件下體變εv隨偏應力q的增加近似呈線性增加。軸向應變的位移加載速率越快，則所產生的體變越小。這說明體變的變化主要還是受到試樣的滲透性和排水條件的控制。

圖5偏應力與體變關系曲線
Fig.5Curvesofdeviatorstressversusvolumetricstrain

部分排水剪切條件下，峰值孔壓umax與歸一化軸向應變加載速率[(dεa/dt)CPD/(dεa/dt)CD]的對數之間的關系如圖6所示，其中，(dεa/dt)CPD表示部分排水剪切條件下的軸向應變加載速率，(dεa/dt)CD表示完全排水剪切條件下的軸向應變加載速率。歸一化的軸向應變加載速率反映了部分排水剪切速率相對于完全排水剪切速率的快慢程度，其值為1時即為完全排水剪切試驗條件，孔壓為0；當它增加到一定程度，就會達到完全不排水剪切試驗條件，對應的孔壓接近于最大值。從圖6可以看出，峰值孔壓隨軸向應變加載速率對數的增加而近似呈線性增加關系。

圖6峰值孔壓與歸一化的軸向應變速率對數的關系曲線
Fig.6Curvesofmaximumporepressureversuslogarithmofnormalizedaxialstrainrate

4 結 論

(1)部分排水剪切條件下，土體體變和孔壓共同作用的應力-應變特性介于完全不排水和完全排水剪切條件下的應力-應變特性之間。臨界狀態(tài)線是唯一的，并不依賴于剪切過程中的加載速率和排水條件。

(2)部分排水剪切條件下所引起的孔壓隨著軸向應變位移加載速率的增加而增加，而抗剪強度卻隨著軸向應變位移加載速率的增加而減小。這與純粹的完全不排水剪切試驗條件下，孔壓隨著軸向應變位移加載速率的增加而減小、不排水抗剪強度隨軸向應變加載速率的增加而增加的特性明顯不同。

(3)部分排水剪切條件下，抗剪強度、體變和孔壓的變化特性不僅與軸向應變的位移加載速率有關，還與試樣本身的滲透系數、變形特性和排水條件密切相關。當后者固定不變時，孔壓峰值隨軸向應變加載速率對數的增加而近似呈線性增加關系。