單樣多級加荷法三軸UU試驗對天津軟土抗剪強度的影響

石 崢，陳 雷

(交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456)

三軸試驗就是在土樣的三個軸向上施加應力的條件下，研究土的變形以及累計變形的發(fā)展，直至試樣破壞全過程的試驗。根據(jù)過程中固結(jié)排水條件，通常分為不固結(jié)不排水剪(UU)、固結(jié)不排水剪(CU)和固結(jié)排水剪(CD)[1]。

1 概述

我國于20世紀50年代開始研制三軸儀。目前，三軸試驗已廣泛應用于測定土的靜力特性、動力特性和砂土液化研究，是研究土的本構(gòu)關(guān)系的主要手段。利用三軸試驗測定的強度參數(shù)和本構(gòu)模型中的模型參數(shù)已成為巖土工程設計的重要依據(jù)。目前開展的三軸試驗多側(cè)重于對軟土方面的測試和研究，如龔曉南針對河口濱海相沉積軟土，對不同切土方向的土樣進行三軸UU、CU試驗，得到黏土的各向異性強度和變形特性[2]；楊愛武等通過不同條件三軸試驗方法對天津濱海沉積軟土的各向異性強度和變形特性進行研究[3]；王建華對軟黏土不固結(jié)不排水循環(huán)強度[4]、變形試驗和對其破壞準則等方面的研究[5]，而針對不同加荷方法對試驗強度影響方面的研究較少。

天津濱海新區(qū)位于渤海海岸線的邊緣部位，是典型的海陸交互相濱海沉積軟土地區(qū)，該地區(qū)淺部廣泛分布有第四紀全新世中期以來海侵形成的軟土，主要為淤泥質(zhì)黏性土或淤泥，該段土層屬欠固結(jié)土，土性呈流塑、軟塑狀態(tài)，土層具強度低，壓縮性高，滲透性差等性質(zhì)。

本次選取天津地區(qū)飽和軟黏土為試驗對象，利用兩種不同加荷方式，進行UU試驗，得出對抗剪強度的影響以及試驗參數(shù)之間的相應關(guān)系。

2 試驗方法及要求

本次試驗選取天津濱海新區(qū)沿海地區(qū)表層軟土，試驗使用直徑為39.1 mm，高度為80 mm的試樣，試驗儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TSZ-1型應變控制式三軸儀。

三軸不固結(jié)不排水法(UU)，這種方法是施加圍壓σ3和軸向壓力的過程中，不允許試樣排水。如果試樣是飽和軟黏土則施加的外力為孔隙水壓力承擔，土粒間有效應力σ′保持不變，因而強度不因圍壓σ3的增大而增加，盡管每級σ3不同，但各個莫爾圓直徑基本相同，理論上強度包線是水平線抗剪強度指標，Фuu=0[6]。

三軸試驗按照對土樣加荷方法不同，一般分為多試樣單級加荷法(以下稱方法一)，這種方法也是室內(nèi)三軸常用的加荷方法。另一種是單試樣多級加荷法(以下稱方法二)，這種方法土樣用量少，又避免了土樣之間的不均勻性，有著一定的優(yōu)勢。但與方法一試驗結(jié)果有著一定的差異。

依據(jù)GB/T 50123-1999，方法二適用于靈敏度較低的原狀土[1]，因此本次對土樣先進行無側(cè)限試驗，選取低靈敏度土樣進行三軸試驗。剪切速率為0.8 mm/min，加圍壓考慮到土體本身自重壓力、土的軟硬程度及前期固結(jié)壓力的影響。由于本次試驗用的是飽和軟黏土，方法一的第一級圍壓宜用50 kPa，第二級宜為100 kPa，第三級宜為150 kPa；方法二第一級用50 kPa，第二級及以后各級圍壓應按等于或大于前一級最大主應力施加[1]。根據(jù)多次試驗經(jīng)驗，為便于分析對比兩種方法對強度指標的影響，方法二施加各級圍壓在滿足規(guī)范要求條件下可以與常規(guī)方法施加相同的圍壓。

運用方法一時，由于本次試驗用土為軟黏土，多為塑性變形，曲線沒有明顯的峰值，所以每級剪切應變達到20%剪切終止，剪切峰值則可取應變?yōu)?5%主應力差作為破壞點[1]。

運用方法二時，考慮到用每級的最大主應力穩(wěn)定或趨于穩(wěn)定作為每級剪切的終止標準，在實際生產(chǎn)操作中不易進行控制，故經(jīng)過多次試驗對比，得出當?shù)谝患壖羟袘冞_7%之后，應力-應變曲線的發(fā)展趨勢已基本穩(wěn)定，故第一級剪切應變宜為7%，考慮到最后一級(一般為第三級)周圍壓力下的剪切累計應變量不超過20%，所以后兩級應變宜設定為5%，易于操作控制。

2.1 方法一的加載方法及試驗曲線

一般選取3個試樣，每個土樣施加不同圍壓即σ3=50 kPa，σ3=100 kPa，σ3=150 kPa，待圍壓穩(wěn)定后，進行剪切直至破壞。其應力應變曲線如圖1所示。

2.2 方法二的加荷方法及試驗曲線

軸向壓力逐級卸荷的加荷方法是指當?shù)谝患壖羟型瓿珊?，軸向壓力退至零，待孔隙水壓力穩(wěn)定后再施加第二級周圍壓力，穩(wěn)定后進行剪切試驗，剪切完成后軸向壓力再次退至零，待孔隙水壓力穩(wěn)定后再施加第三級周圍壓力，累計的軸向應變不超過20%。其應力應變曲線如圖2所示。

圖1 多式樣單級加荷應力與應變關(guān)系Fig.1 Relationship between multi-sample single-level loading stress and strain圖2 單試樣多級加荷應力與應變關(guān)系Fig.2 Relationship between single-sample multi-level loading stress and strain

3 試驗結(jié)果分析

3.1 方法一和方法二試驗結(jié)果比較

本次選用3組天津濱海新區(qū)沿海地區(qū)飽和軟黏土進行試驗分析和比較，物理指標見表1。

表1 土的基本物理性質(zhì)Tab.1 Basic physical properties of soil

將每組試樣分別運用兩種方法進行三軸UU試驗，得出結(jié)果共計16組，匯總后見表2。

根據(jù)表2中實測數(shù)據(jù)，對3組試樣進行統(tǒng)計，分別計算出平均值u和標準差s。運用統(tǒng)計學原理，土樣1、2、3測得結(jié)果均服從正態(tài)分布，在置信區(qū)間為95%的水平，置信因子為k=1.645，得出土樣1的6組數(shù)據(jù)，土樣2的5組數(shù)據(jù)，土樣3的5組數(shù)據(jù)，實測結(jié)果均在u±1.645 s以內(nèi)[7-9]。測量值無顯著偏離，可以認為測得數(shù)據(jù)均為合格，因此運用強度參數(shù)黏聚力Cuu、摩擦角Фuu平均值，作為3個土樣的標準值。得出結(jié)果見表3。

表2 原狀土樣1、2、3兩種方法的抗剪強度指標C值、Ф值對比Tab.2 Comparison of shear strength indexes C value and Ф value of two methods of undisturbed soil samples 1, 2 and 3

表3 原狀土樣1、2、3兩種方法的抗剪強度指標平均值及標準差Tab.3 Average of shear strength index and standard deviation of the two methods of soil sample 1, 2 and 3

對同一種土兩種不同方法所得出試驗參數(shù)的差異進行分析，得出方法二試驗參數(shù)Cuu、Фuu均偏大，所以抗剪強度也較常規(guī)多樣法偏大?？紤]到抗剪強度參數(shù)偏大有可能是所用土樣的結(jié)構(gòu)性所致，因此制取重塑樣進行試驗，結(jié)果見表4。

通過分析表3和表4，對于抗剪強度參數(shù)來說，兩種方法運用重塑樣進行試驗仍有一定差異。并且方法二測出參數(shù)較大。對于同一種方法來說，無論運用原狀樣還是重塑樣進行試驗，摩擦角Фuu基本相同，而利用重塑土樣進行試驗得出黏聚力Cuu明顯小于原狀樣的試驗結(jié)果。這也說明破壞了土樣的結(jié)構(gòu)性，土樣的抗剪強度明顯降低。而兩種方法得出試驗參數(shù)的差異來源于方法本身，而與所用土樣本身的結(jié)構(gòu)性關(guān)系不大。

3.2 兩種試驗方法的不同點與優(yōu)勢

通過兩種不同加荷方式進行的UU試驗，得出在試樣充足并且足夠均勻的情況下宜采用方法一，在不同圍壓的情況下試樣都能剪切出峰值或無峰值趨勢趨于穩(wěn)定。方法二可在現(xiàn)場采集原狀土樣較少的情況下使用，并能夠縮短試驗周期，快速有效。每級剪切結(jié)束軸向壓力退荷為零，由于試樣沒排水，讓試樣充分進行回彈，近似認為試樣與開始加第一級圍壓前相同，然后開始加下一級圍壓進行剪切。這樣得出的幾個試驗強度包線與方法一的相似。對于不同類型土質(zhì)的土樣應控制好每級應變。

表4 重塑土樣1、2、3兩種方法的抗剪強度指標C值、Ф值及其平均值對比Tab.4 Comparison of shear strength index C value,Ф value and their mean value of two methods of remodeling soil samples 1, 2 and 3

3.3 兩種試驗方法結(jié)果不同分析

通過兩種不同加荷方法對天津濱海地區(qū)軟土進行UU試驗結(jié)果的分析，得出結(jié)果比較相似，相比方法一，方法二結(jié)果偏大。從實驗過程分析：方法一和方法二第一級剪切條件基本相同，由于試樣剪切時屬于無峰值類型的土，所以剪切應變偏小時，抗剪強度偏小。當方法二剪切應力發(fā)展趨勢已基本穩(wěn)定，兩種方法抗剪強度雖然相差不大，但方法二選取的應變小，則抗剪強度偏小。相比方法一，方法二的第二級剪切前土樣由于前一級剪切的變形再回彈，回彈并不能完全，土樣只能近似回到初始的樣子，所以密度有所增高，故剪切后測得抗剪強度偏高，第三級也是如此。在繪制強度包線時，方法二得出的參數(shù)偏大。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)過多次試驗對比，以飽和軟黏土作為試樣，運用單試樣多級加荷UU試驗方法進行第一級剪切時，當剪切應變達7%之后，應力-應變曲線的發(fā)展趨勢已基本穩(wěn)定，故第一級剪切應變宜為7%，考慮到最后一級(一般為第3級)周圍壓力下的剪切累計應變量不超過20%，所以后兩級應變宜設定為5%，易于操作控制。

(2)兩種方法得出的試驗參數(shù)的不同是方法本身帶來的誤差所致，與所用土樣的結(jié)構(gòu)性關(guān)系不大。常規(guī)多樣法UU試驗的摩擦角是1°左右，這是由于幾個土樣密度雖然不超差，但稍有差異所致，這并不影響抗剪強度的有效性。單試樣多級加荷的方法雖然可以較好地避免常規(guī)多樣法由于取樣的差異帶來的誤差，但是這種方法也存在著一定誤差：在某級圍壓下剪切結(jié)束后，撤去軸向壓力，土樣回彈雖已完全，但施加過某一級壓力，土樣會產(chǎn)生一定的壓縮，土樣體積縮小，密度增大，從而測得的抗剪強度略有偏高。

(3)理論上飽和軟黏土的UU試驗摩擦角Фuu=0，所以根據(jù)庫倫理論τ=σtanφ+c，抗剪強度τ近似等于黏聚力Cuu。對于飽和軟黏土作為試樣，常規(guī)多樣法UU試驗測得值更接近理論值。以常規(guī)多樣法UU試驗結(jié)果為標準，單試樣多級加荷UU試驗，測出抗剪強度參數(shù)黏聚力、摩擦角均比常規(guī)多樣法測出的高，因此測得的抗剪強度也偏高。