濕地湖泊相黏土應(yīng)力-應(yīng)變及屈服特性試驗(yàn)

朱 楠,張靜娟,2,劉春原,2

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院,天津 300401； 2.河北省土木工程技術(shù)研究中心,天津 300401)

湖泊濕地或古湖泊濕地在中國廣泛分布[1]，由于氣候變化及人類活動，大量的湖泊濕地干縮變小或消失.濕地湖泊相黏土由湖泊濕地或古湖泊濕地干縮形成，分布于湖泊濕地周邊及古湖泊濕地遺跡地區(qū)，經(jīng)歷了湖泊濕地形成和擴(kuò)張階段的飽和湖相沉積，以及后期湖泊濕地干縮水位下降的陸相沉積，形成區(qū)別于海相軟土的結(jié)構(gòu)特征和工程特性[2].現(xiàn)有規(guī)范[3]對軟基處理的要求主要針對海相軟土制定.工程實(shí)踐表明，若根據(jù)濕地湖泊相黏土較好的物理力學(xué)指標(biāo)而不做地基處理，在施工后期或運(yùn)營階段會出現(xiàn)過大的沉降，造成工程事故；若直接套用海相軟土的處理方法進(jìn)行地基加固，又會出現(xiàn)過度加固的問題，造成浪費(fèi).

研究不同應(yīng)力路徑下天然沉積黏土的應(yīng)力-應(yīng)變特性和屈服特性能夠幫助了解土體在實(shí)際工程中不同應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)特性，并為土體本構(gòu)模型的建立提供試驗(yàn)依據(jù)，目前主要通過室內(nèi)應(yīng)力路徑試驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)研究.殷杰等[4-5]采用應(yīng)力路徑試驗(yàn)研究了連云港軟黏土和張家港天然沉積粉質(zhì)黏土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和屈服特性.曾玲玲等[6-8]以廣州南沙軟土和連云港軟土為對象，通過應(yīng)力路徑試驗(yàn)研究了固結(jié)方式、剪切方式和應(yīng)力比對軟土不排水剪切應(yīng)力-應(yīng)變特性和抗剪強(qiáng)度特性的影響.陳林靖等[9]對福州軟土進(jìn)行一系列卸載-加載應(yīng)力路徑試驗(yàn)，研究了不同固結(jié)條件下軟土的卸載-加載應(yīng)力-應(yīng)變特征.李校兵等[10]通過應(yīng)力路徑試驗(yàn)研究了溫州軟土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及強(qiáng)度特性.

天然沉積土往往具有一定的結(jié)構(gòu)性，結(jié)構(gòu)性使天然沉積土的力學(xué)性質(zhì)與重塑土有顯著區(qū)別[11].早期的研究主要針對結(jié)構(gòu)性對土的壓縮特性和剪切強(qiáng)度的影響展開[12-13]，隨著研究的深入，近年來學(xué)者們已經(jīng)開展不同應(yīng)力路徑下結(jié)構(gòu)性對土體力學(xué)性質(zhì)的影響及結(jié)構(gòu)性演化規(guī)律的研究[14-15].目前，天然沉積黏土的應(yīng)力路徑試驗(yàn)研究及考慮結(jié)構(gòu)性影響的應(yīng)力路徑試驗(yàn)研究，其研究對象主要為沿海發(fā)達(dá)地區(qū)的海相軟土，對于海相軟土應(yīng)力-應(yīng)變特性、屈服特性及結(jié)構(gòu)性影響的研究已經(jīng)取得較多成果，研究較為成熟，但對于內(nèi)陸平原湖泊濕地干縮地區(qū)的濕地湖泊相黏土，尚未有相關(guān)研究報道.

本文從衡水湖附近的某高速工程現(xiàn)場取得濕地湖泊相黏土原狀土樣，分別對原狀樣和重塑樣進(jìn)行8個代表性路徑的應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)，研究結(jié)構(gòu)性和應(yīng)力路徑對濕地湖泊相黏土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響，并對結(jié)構(gòu)性和各向異性影響下濕地湖泊相黏土的屈服特性進(jìn)行系統(tǒng)研究.研究成果可指導(dǎo)相關(guān)地區(qū)工程建設(shè)，并為建立濕地湖泊相黏土本構(gòu)模型提供依據(jù).

1 試驗(yàn)概況

1.1 土的基本性質(zhì)

濕地湖泊相黏土主要分布于湖泊濕地周邊及古湖泊遺跡地區(qū)，厚度一般為3～8 m，上覆1～8 m沖積形成的粉土和粉砂薄層，下部為深厚的粉土和粉砂層，黏土在水平向呈連續(xù)分布，在地層縱向上呈成層分布，同一土層土質(zhì)較均勻.原狀土樣取自衡水湖旁某高速工程現(xiàn)場，該區(qū)域土體具有自西北向東南由粗變細(xì)、自上而下由細(xì)變粗的規(guī)律，濕地湖泊相黏土層的含水率、孔隙比和壓縮系數(shù)隨深度增加呈減小趨勢，取樣位置為埋深5 m處土層，該處土層土質(zhì)較均勻，取樣具有代表性.濕地湖泊相黏土多為褐色、褐黃色，部分路段有灰色、灰黑色黏土，土樣呈可塑、軟塑狀態(tài).濕地湖泊相黏土的基本物理力學(xué)指標(biāo)見表1，天然含水率ω超過35%，孔隙比e大于1.0，土樣的物理指標(biāo)較差，接近或達(dá)到軟土標(biāo)準(zhǔn)，但天然含水率ω小于液限ωL，且液性指數(shù)IL小于1.0.同時土的力學(xué)性質(zhì)較好，其壓縮系數(shù)av1-2、壓縮模量Es1-2、內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c也高于一般軟土.

表1 濕地湖泊相黏土的基本物理力學(xué)性質(zhì)

1.2 濕地湖泊相黏土的結(jié)構(gòu)特性

濕地湖泊相黏土的固結(jié)壓縮曲線見圖1，采用R. Butterfield雙對數(shù)壓縮曲線法[16]確定土體的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力為σy=107.89 kPa，而土體的上覆壓力pc=88 kPa，兩者之比為1.23.另外，根據(jù)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，濕地湖泊相黏土的靈敏度為4.1，屬于中高靈敏性土，上述結(jié)果表明濕地湖泊相黏土具有明顯的結(jié)構(gòu)性.

Jiang等[17-18]的研究表明，不同荷載作用下，原狀土與重塑土強(qiáng)度和變形特性的差異，主要由土體顆粒的膠結(jié)聯(lián)結(jié)和孔隙比及孔徑分布導(dǎo)致，即由膠結(jié)和組構(gòu)所決定.在加載的不同階段，土體膠結(jié)聯(lián)結(jié)的破損程度、孔隙大小和孔徑分布的變化情況，決定了土體的變形特性及強(qiáng)度大小.

圖1 濕地湖泊相黏土雙對數(shù)壓縮曲線

濕地湖泊相黏土的微觀結(jié)構(gòu)見圖2(a)所示，濕地湖泊相黏土為片狀大顆粒和土團(tuán)粒相互依靠、搭接形成的疊片狀和團(tuán)粒狀混合結(jié)構(gòu)，顆粒之間和團(tuán)粒之間存在膠結(jié)聯(lián)結(jié)，表明土體具有明顯膠結(jié)特性.在三軸試驗(yàn)剪切后(圖2(b)所示)，土體發(fā)生結(jié)構(gòu)屈服破壞，片狀大顆粒和土團(tuán)粒被壓碎，膠結(jié)聯(lián)結(jié)破壞，孔隙受到壓縮，破碎的小顆粒在荷載作用下重新集聚成土團(tuán)粒，形成新的結(jié)構(gòu).上述結(jié)果表明，當(dāng)應(yīng)力水平超過濕地湖泊相黏土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力后，土體發(fā)生結(jié)構(gòu)屈服破壞，土體的膠結(jié)和組構(gòu)發(fā)生相應(yīng)改變，進(jìn)而影響土體的強(qiáng)度和變形特性.

1.3 試驗(yàn)方案

采用英國GDS應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)儀，分別對原狀土樣和重塑土樣進(jìn)行8個代表性路徑的應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn).由K0固結(jié)試驗(yàn)得到土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0=0.49，結(jié)合土樣埋深5 m處的豎向有效應(yīng)力，計(jì)算得到土樣的原位應(yīng)力狀態(tài)為p′=57.29 kPa，q=44.96 kPa.應(yīng)力路徑試驗(yàn)加載方案見表2和圖3.

圖2 濕地湖泊相黏土結(jié)構(gòu)屈服前后微結(jié)構(gòu)的變化

表2 應(yīng)力路徑試驗(yàn)方案

圖3 不同應(yīng)力路徑的試驗(yàn)加載方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 濕地湖泊相黏土與海相軟土結(jié)構(gòu)特性對比

圖4為結(jié)構(gòu)性對濕地湖泊相黏土[19]與溫州軟土[20]不排水剪切應(yīng)力-應(yīng)變特性影響的對比，可見濕地湖泊相黏土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，在圍壓150 kPa固結(jié)后仍有明顯的結(jié)構(gòu)性，原狀土的q-εa曲線呈現(xiàn)軟化特征，剪切過程中原狀土的偏應(yīng)力始終大于重塑土，直至剪切時土的結(jié)構(gòu)屈服破壞，結(jié)構(gòu)性影響逐漸消失，土體的q-εa曲線才逐漸趨近于重塑土.而溫州軟土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，在圍壓150 kPa固結(jié)后土體結(jié)構(gòu)損傷破壞，q-εa曲線呈現(xiàn)一定的硬化特征，在剪切初期原狀土q-εa曲線與重塑土接近，在剪切后期，重塑土由于硬化作用剪切強(qiáng)度提高，偏應(yīng)力大于原狀土，而原狀土的偏應(yīng)力增長逐漸穩(wěn)定.

上述分析表明，濕地湖泊相黏土具有明顯的結(jié)構(gòu)性，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高于海相軟土，在應(yīng)力水平較高時才發(fā)生結(jié)構(gòu)屈服破壞，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈軟化特征，而海相軟土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，在低應(yīng)力水平下即發(fā)生結(jié)構(gòu)屈服破壞，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)一定的硬化特征.

圖4 結(jié)構(gòu)性對不排水應(yīng)力-應(yīng)變特性影響對比[19-20]

2.2 結(jié)構(gòu)性對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響

圖5～7為濕地湖泊相黏土8個代表性應(yīng)力路徑的p′-εv曲線、q-εs曲線和εs-εv曲線.不同應(yīng)力路徑下濕地湖泊相黏土p′-εv曲線見圖5，除等p′純剪路徑(TCD∞和TED-∞)外，其他應(yīng)力路徑的體積應(yīng)變εv均隨球應(yīng)力增量Δp′的發(fā)展明顯變化.當(dāng)土體球應(yīng)力增量Δp′>0時，在土的結(jié)構(gòu)破壞前，原狀土的抗壓強(qiáng)度大于重塑土，并且壓縮變形更小；當(dāng)土體球應(yīng)力增量Δp′<0時，原狀土承擔(dān)拉應(yīng)力的能力高于重塑土，且最終的膨脹變形更大.等p′純剪路徑的球應(yīng)力增量Δp′變化較小，基本呈水平向發(fā)展，但p′-εv曲線略有偏移.

分析可知，由于原狀土具有結(jié)構(gòu)性(膠結(jié)+組構(gòu))，膠結(jié)和組構(gòu)能夠共同承擔(dān)壓力并抵抗壓縮變形，因此，在球應(yīng)力增量Δp′>0的應(yīng)力路徑中，原狀土抗壓強(qiáng)度更高且壓縮變形更?。辉谇驊?yīng)力增量Δp′<0的應(yīng)力路徑中，由于組構(gòu)無法承受拉應(yīng)力，荷載主要由膠結(jié)承擔(dān)，并且膠結(jié)具有一定的延性，因此，當(dāng)球應(yīng)力增量Δp′<0時，原狀土承擔(dān)拉應(yīng)力的能力更好且膨脹變形更大.

圖6為不同應(yīng)力路徑下濕地湖泊相黏土的q-εs曲線.對于三向等壓(TCD0)和三向等拉(TED0)路徑，原狀土與重塑土的偏應(yīng)力q基本不變，但仍有剪切應(yīng)變εs產(chǎn)生，并且原狀土的剪切變形大于重塑土.當(dāng)土體處于軸向加載路徑(TCD3、TCD∞和TCD-3)時，原狀土的q-εs曲線呈明顯應(yīng)變軟化或理想彈塑性性質(zhì)，在土的結(jié)構(gòu)屈服破壞前，原狀土的剪切強(qiáng)度高于重塑土；當(dāng)土體處于軸向卸載路徑(TED3、TED∞和TED-3)時，原狀土與重塑土的q-εs曲線特征相似，原狀土對負(fù)偏應(yīng)力的承載能力略低于重塑土.

圖5 不同路徑下濕地湖泊相黏土的p′-εv曲線

分析可知，軸向加載條件下，由于原狀土的膠結(jié)和組構(gòu)能夠共同承擔(dān)偏應(yīng)力，提高了土體的剪切強(qiáng)度，直到土的結(jié)構(gòu)屈服破壞前原狀土的剪切強(qiáng)度高于重塑土.而在軸向卸載條件下，原狀土的組構(gòu)不再承擔(dān)偏應(yīng)力，僅由膠結(jié)承擔(dān)荷載，由于原狀土骨架主要由顆粒間的膠結(jié)固定，在膠結(jié)破壞后，土顆粒很快進(jìn)入滑動調(diào)整狀態(tài)，因而在剪切過程中原狀土承受的負(fù)偏應(yīng)力小于重塑土，且在剪切后期趨近于重塑土.

圖7為不同應(yīng)力路徑下試樣的εs-εv曲線，可見當(dāng)土體處于體積壓縮Δεv>0的路徑時，在相同剪切應(yīng)變εs下原狀土的體積應(yīng)變εv小于重塑土；而在土體處于體積膨脹Δεv<0的路徑時，相同剪應(yīng)變εs下，原狀土的膨脹變形εv也等于或大于重塑土.

分析可知，當(dāng)土體受壓體積壓縮時，原狀土具有的膠結(jié)和組構(gòu)能夠共同作用幫助土體抵抗壓縮變形，因而在剪切過程中原狀土的壓縮變形小于重塑土.但當(dāng)土體受拉體積膨脹時，由于土的組構(gòu)無法承受拉應(yīng)力，僅由膠結(jié)承擔(dān)，并且膠結(jié)具有一定的延性能產(chǎn)生拉伸變形，因此，在剪切時原狀土的膨脹變形大于重塑土.

圖6 不同路徑下濕地湖泊相黏土的q-εs曲線

分析圖5～7可知，對于三向等壓路徑TCD0和三向等拉路徑TED0，原狀土除體積應(yīng)變外仍有剪切應(yīng)變產(chǎn)生；對于等p′純剪路徑TCD∞和TED-∞而言，除剪切應(yīng)變外試樣仍有體積應(yīng)變產(chǎn)生.這表明球應(yīng)力和偏應(yīng)力之間存在交互影響，無論是三向等壓路徑、三向等拉路徑還是純剪路徑，不同應(yīng)力路徑下土體都同時受到球應(yīng)力和偏應(yīng)力的共同影響，這與文獻(xiàn)[5]中的規(guī)律一致.對比圖3和7可知，由于原狀土的球應(yīng)力和偏應(yīng)力存在交互影響，不同應(yīng)力路徑下試樣的應(yīng)變εs-εv曲線方向與應(yīng)力路徑q-p′曲線方向并不完全一致.

2.3 各向異性對屈服軌跡的影響

q=σ1-σ3.

(1)

則|q|=|-q|可表示為

σ1-σ3=-(σ1-σ3).

(2)

進(jìn)而有

圖7 不同路徑下濕地湖泊相黏土的εs-εv曲線

σ1=σ3.

(3)

重塑土的豎向應(yīng)力與徑向應(yīng)力相等，具有各向同性性質(zhì).由制樣過程分析可知，重塑土在制樣過程中膠結(jié)和初始組構(gòu)完全破壞，結(jié)構(gòu)性和各向異性喪失，因此，可視為均質(zhì)的各向同性材料.

由圖8可知，原狀土的初始屈服點(diǎn)軌跡呈旋轉(zhuǎn)的橢圓形，屈服軌跡上p′相同的兩點(diǎn)縱坐標(biāo)q不等，即|q|≠|(zhì)-q|.由于濕地湖泊相黏土在沉積過程中

圖8 原狀土與重塑土的屈服軌跡

受到K0固結(jié)作用，導(dǎo)致土體在豎向和徑向力學(xué)性質(zhì)存在差異，因而具有各向異性性質(zhì).

針對目前我國農(nóng)村水利的立法工作相當(dāng)滯后的狀況，應(yīng)在近期的水利立法工作中將農(nóng)田水利法、農(nóng)村供水條例列為重點(diǎn)項(xiàng)目，盡快頒布施行；應(yīng)加快制訂節(jié)水灌溉補(bǔ)償及激勵辦法等法規(guī)；同時加快編制縣級農(nóng)田水利建設(shè)規(guī)劃，盡快將農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和管理、農(nóng)村供水工程的建設(shè)和管理納入法制化和依據(jù)規(guī)劃管理的軌道。

2.4 濕地湖泊相黏土的屈服特性

2.4.1 屈服面的對比

濕地湖泊相黏土與海相軟土屈服面對比見圖9，各類土體的初始屈服軌跡均呈旋轉(zhuǎn)的橢圓形.其中，連云港軟土屈服面小于濕地湖泊相黏土，杭州軟土、溫州軟土和上海軟土屈服面大小和旋轉(zhuǎn)角度與濕地湖泊相黏土接近，但各類軟土屈服面均經(jīng)過q-p′平面原點(diǎn)，且臨界狀態(tài)線CSL也均從q-p′平面原點(diǎn)出發(fā).

濕地湖泊相黏土特殊的沉積環(huán)境和沉積歷史，導(dǎo)致其工程特性與海相軟土有著顯著區(qū)別[2].受沉積時的K0固結(jié)狀態(tài)影響，濕地湖泊相黏土屈服軌跡的旋轉(zhuǎn)角度與其他軟土有一定偏差；同時，由于膠結(jié)對濕地湖泊相黏土有明顯的影響，其臨界狀態(tài)線CSL和初始屈服軌跡不經(jīng)過q-p′平面原點(diǎn)，而是在q-p′平面原點(diǎn)左側(cè)與p′軸相交[19]，這一點(diǎn)與其他海相軟土明顯不同.

2.4.2 屈服軌跡特征

由圖8可知，原狀土初始屈服軌跡呈旋轉(zhuǎn)橢圓形，而重塑土初始屈服軌跡近似為以p′軸為對稱軸的橢圓形，與修正劍橋模型屈服面形狀相似，因此，首先采用修正劍橋模型對重塑土屈服軌跡進(jìn)行擬合.

修正劍橋模型屈服面方程為

(4)

天然沉積黏土由于K0固結(jié)的影響具有各向異性性質(zhì)[4-5,21-26]，其屈服面形狀在q-p′平面呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的橢圓形.為了正確描述天然沉積黏土的各向異性特征，學(xué)者們嘗試通過旋轉(zhuǎn)修正劍橋模型的屈服面來描述天然沉積土旋轉(zhuǎn)的屈服軌跡，其中具有代表性的有Nakano[25]和Wheeler等[26]提出的各向異性模型.

Nakano等將修正劍橋模型的屈服面旋轉(zhuǎn)為以K0線為對稱軸的橢圓形屈服面，認(rèn)為K0線與NCL線是重合的，即認(rèn)為ηNCL=ηK0，以K0線的斜率ηK0作為描述各向異性影響的參量引入修正劍橋模型的屈服面方程中，其屈服面方程為

(5)

圖9 濕地湖泊相黏土與海相軟土屈服面對比

此外，Wheeler也提出了一種旋轉(zhuǎn)修正劍橋模型橢圓屈服面的方法，認(rèn)為原狀土旋轉(zhuǎn)后的屈服面應(yīng)以NCL線為對稱軸，且NCL線與K0線之間存在一定夾角，二者斜率ηNCL和ηK0之間的關(guān)系可表示為

(6)

以NCL線的斜率ηNCL作為描述原狀土各向異性的參量，將其引入到修正劍橋模型橢圓形屈服面方程中，得到Wheeler模型的屈服函數(shù)為

(7)

將Nakano模型和Wheeler模型的屈服面同濕地湖泊相黏土的屈服軌跡進(jìn)行對比(見圖10)，發(fā)現(xiàn)Wheeler模型的屈服面比修正劍橋模型和Nakano模型能更好地描述濕地湖泊相黏土的初始屈服軌跡，但由于各模型屈服面均經(jīng)過q-p′平面原點(diǎn)，與試驗(yàn)屈服軌跡之間仍有一定偏差.

圖10 濕地湖泊相黏土屈服軌跡與其他本構(gòu)模型屈服面對比

許多學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)[27-29]，結(jié)構(gòu)性土中普遍存在膠結(jié)的影響，膠結(jié)的存在使結(jié)構(gòu)性土能夠承受一定的拉應(yīng)力，使得結(jié)構(gòu)性土的CSL和初始結(jié)構(gòu)屈服面都與p′軸相交于q-p′平面原點(diǎn)左側(cè)，CSL與q軸有一定的截距C，因此,在描述結(jié)構(gòu)性土的屈服面時，應(yīng)考慮膠結(jié)引起屈服面平移.由圖10可知，濕地湖泊相黏土的屈服軌跡左端點(diǎn)位于q-p′平面原點(diǎn)左側(cè)，因此,需要考慮膠結(jié)對屈服軌跡的影響.

2.4.3 屈服軌跡的驗(yàn)證

為驗(yàn)證濕地湖泊相黏土屈服軌跡的正確性，同時解釋濕地湖泊相黏土的屈服和破壞規(guī)律，采用固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)來驗(yàn)證試驗(yàn)得到的屈服軌跡.

濕地湖泊相黏土原狀土固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)的應(yīng)力路徑與屈服軌跡見圖11[19]，原狀土的固結(jié)不排水應(yīng)力路徑在應(yīng)力(p′，q)約為(59 kPa，66 kPa)處達(dá)到屈服，在屈服后隨剪切應(yīng)變繼續(xù)增加，原狀土偏應(yīng)力q增長趨勢減慢，最終在應(yīng)力達(dá)到CSL后發(fā)生破壞.經(jīng)固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)的驗(yàn)證表明，由應(yīng)力路徑試驗(yàn)得到的濕地湖泊相黏土屈服軌跡較為符合實(shí)際，能夠比較合理地反映濕地湖泊相黏土的屈服和破壞特性.

圖11 三軸不排水剪切應(yīng)力路徑與屈服軌跡關(guān)系

2.4.4 塑性流動特性

當(dāng)原狀土達(dá)到屈服狀態(tài)后，土體在屈服后的應(yīng)變以塑性應(yīng)變?yōu)橹?，彈性?yīng)變可忽略不計(jì)，因此，采用屈服后土體的應(yīng)變增量方向作為該路徑下試樣屈服后的塑性應(yīng)變增量方向.在判斷塑性應(yīng)變增量方向時，取約1%大小的塑性應(yīng)變進(jìn)行判斷，這樣既不會因?yàn)閿?shù)據(jù)量較少過分離散，又不會因?yàn)樗苄詰?yīng)變過大影響對塑性應(yīng)變增量方向的判斷[4].

以逆時針為正，判斷在各應(yīng)力路徑的屈服點(diǎn)處塑性應(yīng)變增量方向與該點(diǎn)處屈服軌跡法線方向的夾角.濕地湖泊相黏土塑性應(yīng)變增量與屈服軌跡法線的關(guān)系和夾角如圖12和表3所示.可以看出，除了TED3路徑的塑性應(yīng)變增量方向與屈服軌跡法線夾角為39.6°外，其他路徑塑性應(yīng)變增量方向與屈服軌跡法線的夾角均在0～24°，可近似認(rèn)為濕地湖泊相黏土的塑性應(yīng)變增量與屈服軌跡的正交性較好，在建立本構(gòu)模型時可以采用相關(guān)聯(lián)流動法則.

圖12 屈服后濕地湖泊相黏土的塑性流動方向

濕地湖泊相黏土塑性流動特性的分析表明，盡管土體的應(yīng)力路徑q-p′與應(yīng)變方向εs-εv受球應(yīng)力和偏應(yīng)力的交互影響而存在偏差，但其屈服后的塑性應(yīng)變方向始終與應(yīng)力增量的方向存在一致性.因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)性土的塑性應(yīng)變主要由土體結(jié)構(gòu)屈服破壞后土顆粒不可恢復(fù)的滑動調(diào)整產(chǎn)生，在大主應(yīng)力方向上土體的結(jié)構(gòu)破壞趨勢會更明顯，而土顆粒的滑動調(diào)整也更為劇烈，該方向的塑性應(yīng)變會更為顯著，因此濕地湖泊相黏土屈服后的塑性應(yīng)變與屈服軌跡的正交性較好.

表3 濕地湖泊相黏土εs-εv曲線方向與屈服軌跡法線方向?qū)Ρ?/p>

3 結(jié) 論

1)濕地湖泊相黏土的應(yīng)力-應(yīng)變特性受到膠結(jié)和組構(gòu)的顯著影響，由于不同應(yīng)力路徑下濕地湖泊相黏土均受到球應(yīng)力和偏應(yīng)力的交互影響，一方面是應(yīng)變方向與應(yīng)力路徑方向存在一定偏差，另一方面塑性應(yīng)變增量與屈服軌跡卻存在較好的正交性.

2)濕地湖泊相黏土的應(yīng)力-應(yīng)變特性受到結(jié)構(gòu)性(膠結(jié)和組構(gòu))的顯著影響.當(dāng)土體球應(yīng)力增量Δp′>0產(chǎn)生體積壓縮時，膠結(jié)和組構(gòu)共同承擔(dān)荷載，使原狀土的抗壓強(qiáng)度更高，壓縮變形更小；當(dāng)土體球應(yīng)力增量Δp′>0產(chǎn)生體積膨脹時，土體的組構(gòu)不能承拉應(yīng)力，只有膠結(jié)承擔(dān)荷載，使原狀土比重塑土的承載力更高，膨脹變形更大.

3)不同應(yīng)力路徑下濕地湖泊相黏土都同時受到球應(yīng)力和偏應(yīng)力的交互影響，試樣的應(yīng)變曲線方向與應(yīng)力路徑方向并不完全一致，但塑性應(yīng)變增量與屈服軌跡的正交性較好，在建立本構(gòu)模型時可以采用相關(guān)聯(lián)流動法則.

4)受到沉積時K0固結(jié)和膠結(jié)的影響，濕地湖泊相黏土的屈服軌跡與其他海相軟土相比存在顯著差異.濕地湖泊相黏土的屈服軌跡為一旋轉(zhuǎn)橢圓形，大致以NCL線為對稱軸，并且CSL線和屈服軌跡不經(jīng)過q-p′平面原點(diǎn)，而是與p′軸相交于q-p′平面原點(diǎn)左側(cè).

濕地湖泊相黏土固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)的驗(yàn)證表明，試驗(yàn)屈服軌跡能夠比較合理地反映濕地湖泊相黏土的屈服特性.可以采用修正劍橋模型為基礎(chǔ)，考慮屈服面的旋轉(zhuǎn)和平移來建立濕地湖泊相黏土結(jié)構(gòu)性和各向異性本構(gòu)模型.