考慮圍壓因素的重塑粉質(zhì)粘土的力學(xué)特性試驗(yàn)研究

鄧博　任青　徐偉

摘 要：本文對(duì)海洋重塑粉質(zhì)黏土進(jìn)行一系列不排水單調(diào)加載試驗(yàn)，考慮圍壓因素，研究不同加載圍壓和不同固結(jié)圍壓下飽和粉黏土靜力特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著圍壓增大，偏應(yīng)力增長(zhǎng)趨勢(shì)越快，峰值更高，同時(shí)土體剪切存在軸向應(yīng)變臨界值0.4%。在低圍壓下孔壓應(yīng)變關(guān)系呈雙曲線型變化，在高圍壓下孔壓存在峰值且孔壓應(yīng)變呈非雙曲線變化。

關(guān)鍵字：粉質(zhì)黏土;固結(jié)圍壓;加載圍壓;力學(xué)特性

中圖分類號(hào)：TU43? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）10-0118-03

1 研究背景

本文以東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目為課題背景，研究海洋粉質(zhì)黏土的力學(xué)特性。海洋粉質(zhì)黏土位于海上風(fēng)電場(chǎng)樁基礎(chǔ)的持力層，具有高含水率、大孔隙比、高壓縮性和低強(qiáng)度等特性[1]，對(duì)這層土力學(xué)特性的研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

本文采用GDS標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力路徑靜三軸儀，對(duì)重塑飽和粉質(zhì)粘土開展不同固結(jié)圍壓和不同加載圍壓的不排水單調(diào)加載試驗(yàn)。分析圍壓對(duì)土體應(yīng)變、孔壓、應(yīng)力路徑的影響。

2 土樣參數(shù)與試驗(yàn)方案

本文研究中所用土樣取自于東海大橋東部海域的ZK-56-2鉆孔的粉質(zhì)粘土。重塑粉質(zhì)黏土的質(zhì)量密度為ρ=1.96g/cm3，含水率w=20%，相對(duì)密度GS=2.69，重塑土樣制備參考《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-017-1999），將粉質(zhì)粘土烘干碾碎過篩，按含水率23.5%配土，試樣直徑38mm、高80mm。重塑土樣制作完成后，立即進(jìn)行抽氣飽和，當(dāng)真空度接近當(dāng)?shù)?個(gè)大氣壓后，繼續(xù)抽氣2h，然后注入清水，靜置12h。真空飽和后，進(jìn)行分級(jí)加壓方式的反壓飽和，反壓壓力分3級(jí)（l00kPa，200kPa，300kPa）施加，待B> 0.98確認(rèn)試樣飽和完成。試驗(yàn)方案見表1。偏壓固結(jié)比確定為1.3，其中為有效固結(jié)軸壓，為有效固結(jié)圍壓，為單調(diào)加載時(shí)的圍壓。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

在不同偏壓固結(jié)圍壓和加載圍壓情形下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖1和圖2所示，圖3和圖4為其局部放大的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，其中，q為三軸單調(diào)加載試驗(yàn)下的偏力，計(jì)算公式如下：

圖中，f為軸向應(yīng)變，為實(shí)驗(yàn)過程中單調(diào)加載的軸向荷載。

圖1和圖3表明，當(dāng)土體經(jīng)歷相同固結(jié)過程后，在單調(diào)三軸試驗(yàn)中，土體彈性變形階段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系發(fā)展趨勢(shì)幾乎相同，而土體塑性變形階段下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系發(fā)展則會(huì)受到加載圍壓的影響，加載圍壓越大，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系增長(zhǎng)趨勢(shì)越快。

圖2和圖4表明，當(dāng)土體經(jīng)歷不同固結(jié)過程后，在單調(diào)三軸試驗(yàn)中，土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系發(fā)展趨勢(shì)受到固結(jié)圍壓的影響。隨著固結(jié)圍壓的增加，土體彈性變形狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系增長(zhǎng)趨勢(shì)越快，土體出現(xiàn)強(qiáng)度硬化現(xiàn)象;然而，隨著固結(jié)圍壓的增加，土體塑性變形狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系增長(zhǎng)趨勢(shì)漸緩，在360kPa的高圍壓情況下甚至出現(xiàn)應(yīng)力隨應(yīng)變衰減的情況，土體強(qiáng)度硬化現(xiàn)象逐漸消失甚至出現(xiàn)強(qiáng)度弱化的情況。

對(duì)比圖1、圖2、圖3和圖4從中可以看出，飽和粉質(zhì)粘土在單調(diào)加載下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可劃分為2個(gè)階段：

（1）當(dāng)軸向應(yīng)變<0.4%時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似為直線，土體處于初始線彈性變形狀態(tài)，試樣破壞較小;

（2）當(dāng)軸向應(yīng)變>0.4%時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為非線性，且隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的變化趨勢(shì)逐漸平緩，土體塑性變形比例增加，隨著應(yīng)變的增長(zhǎng)試樣破壞表現(xiàn)的越來越明顯。

3.3孔壓-應(yīng)變關(guān)系

土體在不同圍壓情況下的孔壓和軸向應(yīng)變關(guān)系如圖3-5所示，其中為剪切過程中產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力。從圖中可以看出，在不同固結(jié)圍壓和加載圍壓情況下，孔壓-軸向應(yīng)變關(guān)系的變化呈現(xiàn)出兩種發(fā)展趨勢(shì)：

（1）雙曲線型趨勢(shì)：在高加載圍壓情況下，如圖5-（b）、圖5-（c）、圖5-（e）和圖5-（f）所示，孔壓隨軸向應(yīng)變的增加而呈現(xiàn)出雙曲線型的變化趨勢(shì)，最終孔壓數(shù)值趨近于穩(wěn)定。

（2）非雙曲線型趨勢(shì)：在低加載圍壓情況下，如圖5-（a）和圖5-（d）所示，孔壓隨軸向應(yīng)變的增加而呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢(shì)，且在軸向應(yīng)變=5%時(shí)，孔壓達(dá)到最大值。

然而，低加載圍壓情況下，在孔壓達(dá)到峰值前，即當(dāng)軸向應(yīng)變<5%時(shí)，孔壓隨軸向應(yīng)變的增加是按照雙曲線型趨勢(shì)變化發(fā)展的。

對(duì)比總結(jié)圖5-（a）、圖5-（b）、圖5-（c）和圖5-（d）發(fā)現(xiàn)，加載圍壓越大孔壓值也越大。

但是圖5-（b）和圖 5-（e）相比時(shí)發(fā)現(xiàn)加載圍壓=240kPa時(shí)的孔壓比加載圍壓=200kPa時(shí)的小，這是因?yàn)榍罢叩墓探Y(jié)圍壓大于后者，土樣在高固結(jié)圍壓下充分排水固結(jié)，土體孔隙率較小，產(chǎn)生的孔壓數(shù)值相對(duì)教小。這個(gè)規(guī)律也體現(xiàn)在圖5-（d）、圖5-（e）和圖5-（f）中，固結(jié)圍壓越高，不排水單調(diào)三軸試驗(yàn)中試樣產(chǎn)生的孔壓越小。

4 結(jié)論

（1）不同固結(jié)圍壓和不同加載圍壓下飽和粉質(zhì)粘土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出一定的不同。固結(jié)圍壓增大，相同應(yīng)變下土體的偏應(yīng)力也隨之增大，峰值強(qiáng)度也更高，土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系增長(zhǎng)趨勢(shì)越快。

（2）飽和粉質(zhì)粘土在不排水三軸單調(diào)加載試驗(yàn)下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系經(jīng)歷彈性和塑性變形階段，臨界軸向應(yīng)變?nèi)≈禐?.4%。彈性變形階段，土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系不受加載圍壓大小的影響，只與土體固結(jié)圍壓有關(guān)。固結(jié)圍壓越大，彈性變形階段下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系增長(zhǎng)趨勢(shì)越快。塑性變形階段，無(wú)論圍壓如何，土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系趨勢(shì)都隨著軸向應(yīng)變的增長(zhǎng)而漸緩。

（3）孔壓-軸向應(yīng)變關(guān)系的變化呈現(xiàn)出低加載圍壓時(shí)的雙曲線型變化和高加載圍壓下非雙曲線型變化的兩種趨勢(shì)。非雙曲線變化趨勢(shì)下，孔壓在軸向應(yīng)變= 5%時(shí)達(dá)到峰值。加載圍壓增大孔壓值隨之增大，而固結(jié)圍壓增大孔壓值隨之較小。

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