結(jié)構(gòu)性對(duì)西澳殘積土抗剪強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究

施維成， ，胡錫鵬，段超然，吳昌勝，代國(guó)忠

(1. 常州工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院，江蘇 常州 213032；2. 西澳大學(xué) 土木環(huán)境及采礦工程學(xué)院，澳大利亞 珀斯 6009；3. 中交第三公路工程局有限公司，北京 101300)

0 引 言

殘積土孔隙比大、強(qiáng)度高的特殊性質(zhì)已經(jīng)引起不少學(xué)者的注意，并對(duì)其物理、力學(xué)性質(zhì)展開研究。尹松等[1]通過(guò)自鉆式旁壓試驗(yàn)研究了殘積土的原位力學(xué)特性。陳曉平等[2]對(duì)高液限花崗巖殘積土的天然狀態(tài)指標(biāo)與抗剪強(qiáng)度參數(shù)的規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。方祥位等[3]對(duì)花崗巖殘積土做了平均應(yīng)力等于常數(shù)偏應(yīng)力變化和偏應(yīng)力等于常數(shù)平均應(yīng)力變化這兩種應(yīng)力路徑的三軸排水剪切試驗(yàn)，研究了其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。劉勝利等[4]開展了風(fēng)化片巖殘積土大型原位直剪試驗(yàn)，研究了風(fēng)化片巖殘積土的剪切強(qiáng)度特性。陳東霞等[5,6]研究了廈門殘積砂質(zhì)黏性土的強(qiáng)度隨含水率變化規(guī)律和土-水特征曲線。張先偉等[7]研究了雷州半島玄武巖殘積土的工程特性。吳迪等[8]通過(guò)殘積土的環(huán)剪試驗(yàn)研究了含水率與殘余強(qiáng)度的關(guān)系。周小文等[9]對(duì)未擾動(dòng)、重塑花崗巖殘積土進(jìn)行比較試驗(yàn)，研究結(jié)構(gòu)性花崗巖殘積土的剪切屈服特性。暴雨會(huì)誘發(fā)殘積土邊坡滑動(dòng)，造成嚴(yán)重后果，因此不少學(xué)者對(duì)殘積土邊坡[10-13]展開了相關(guān)研究。

在水閘、堤壩、邊坡等水利水電工程中，殘積土地基、邊坡、基坑等會(huì)在原狀土結(jié)構(gòu)性遭到破壞后強(qiáng)度發(fā)生急劇衰減，進(jìn)而導(dǎo)致工程事故的發(fā)生，因此研究殘積土的結(jié)構(gòu)性對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響具有重要的工程意義。比較原狀土和重塑土的力學(xué)性質(zhì)是研究土的結(jié)構(gòu)性對(duì)力學(xué)性質(zhì)影響的有效方法，然而對(duì)殘積土的原狀土和重塑土力學(xué)性質(zhì)比較試驗(yàn)報(bào)道較少，有必要開展相關(guān)試驗(yàn)研究。

西澳某水庫(kù)壩址處存在大量由母巖經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期熱帶化學(xué)風(fēng)化后形成的殘積土，離子反復(fù)的溶解沉淀使其具有高孔隙比、高滲透性、高靈敏度，這些性質(zhì)給工程設(shè)計(jì)時(shí)土的強(qiáng)度參數(shù)選取造成很大的困難。

單剪試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)是測(cè)定土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的常用方法，本文對(duì)該壩址處殘積土的原狀土和重塑土分別進(jìn)行單剪試驗(yàn)和三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)，研究西澳殘積土的結(jié)構(gòu)性對(duì)其抗剪強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)土樣

在壩址處現(xiàn)場(chǎng)取原狀土，如圖1所示，土料與文獻(xiàn)[14]相同，為高液限粉土[14]；重塑土的制備采用與文獻(xiàn)[14]相同的方法。

圖1 原狀土的采集Fig.1 Sampling of the intact soil

2 單剪試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器

本文單剪試驗(yàn)使用的單剪儀如圖2所示。

圖2 單剪儀Fig.2 Simple shear apparatus

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

本文單剪試驗(yàn)的試樣直徑為72 mm，試樣高度為27.5 mm，試驗(yàn)時(shí)法向應(yīng)力分別保持60、300 kPa不變，在水平向施加水平剪力，同時(shí)測(cè)出試樣在水平向和豎向的變形。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系曲線

圖3為單剪試驗(yàn)得到的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系曲線，縱坐標(biāo)為剪應(yīng)力，橫坐標(biāo)為剪應(yīng)變。

圖3 單剪試驗(yàn)得到的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.3 The relationship between shear stress and shear strain obtained from the simple shear tests

從圖3可以看出，不論是原狀土還是重塑土，豎向應(yīng)力為60 kPa的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系曲線位于豎向應(yīng)力為300 kPa的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系曲線下方，說(shuō)明產(chǎn)生相同剪應(yīng)變時(shí)，剪應(yīng)力隨著豎向應(yīng)力的增大而增大。

豎向應(yīng)力為60 kPa時(shí)，原狀土的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系曲線位于重塑土的上方；豎向應(yīng)力為300 kPa時(shí)，原狀土的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系曲線在剪應(yīng)力較小時(shí)與重塑土很接近，在剪應(yīng)力較大時(shí)位于重塑土的下方。分析原因，雖然原狀土的密度比重塑土小，但其結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，在較低的豎向應(yīng)力作用下，要產(chǎn)生相同的剪應(yīng)變，原狀土比重塑土需要施加更大的剪應(yīng)力。在較高的豎向應(yīng)力作用下，原狀土的結(jié)構(gòu)性遭到一定程度的破壞，要產(chǎn)生相同的剪應(yīng)變，在剪應(yīng)力較小時(shí)，原狀土和重塑土需要施加的剪應(yīng)力相差不大；在剪應(yīng)力較大時(shí)，原狀土的結(jié)構(gòu)性遭到進(jìn)一步破壞，要產(chǎn)生相同的剪應(yīng)變，需要施加的剪應(yīng)力比重塑土小。

2.3.2 體應(yīng)變-剪應(yīng)變關(guān)系曲線

圖4畫出了單剪試驗(yàn)得到的體應(yīng)變-剪應(yīng)變關(guān)系曲線，橫坐標(biāo)為剪應(yīng)變，縱坐標(biāo)為體應(yīng)變。

圖4 單剪試驗(yàn)得到的體應(yīng)變-剪應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 The relationship between volume strain and shear strain obtained from the simple shear tests

圖4顯示，西澳殘積土的原狀和重塑土在60 kPa和300 kPa豎向應(yīng)力作用下的單剪試驗(yàn)產(chǎn)生的剪應(yīng)變比體應(yīng)變大得多，說(shuō)明單剪試驗(yàn)中，剪應(yīng)力的增加會(huì)同時(shí)產(chǎn)生體應(yīng)變和剪應(yīng)變，但產(chǎn)生的剪應(yīng)變比體應(yīng)變要大得多。

從圖4還可以看出，土在產(chǎn)生剪應(yīng)變的同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生少量的體應(yīng)變，且在剪應(yīng)變較小時(shí)，原狀土和重塑土在不同豎向應(yīng)力作用下的單剪試驗(yàn)產(chǎn)生的體應(yīng)變都相差不大。在剪應(yīng)變較大時(shí)，不管是原狀土還是重塑土，豎向應(yīng)力為300 kPa時(shí)的體應(yīng)變比60 kPa的都要略小，這是由于較高的豎向應(yīng)力作用下，土顆粒被壓得更為密實(shí)，更不易產(chǎn)生體應(yīng)變。

3 三軸試驗(yàn)

單剪試驗(yàn)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，可以較快地得到土的抗剪強(qiáng)度，但是單剪試驗(yàn)規(guī)定了破壞面的方向，而且不能測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中的孔隙水壓力變化和剪切波速，有一定的局限性，因此有必要對(duì)原狀土和重塑土分別進(jìn)行三軸試驗(yàn)，并將三軸試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度與單剪試驗(yàn)進(jìn)行比較。

3.1 試驗(yàn)儀器

本文三軸試驗(yàn)使用的三軸儀如圖5所示。

圖5 三軸儀Fig.5 Triaxial appratus

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

本文三軸試驗(yàn)的試樣直徑為72 mm，試樣高度為150 mm，對(duì)原狀土、重塑土分別進(jìn)行了圍壓60、120、300 kPa下的固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)。

3.3 應(yīng)力路徑

圖6為三軸試驗(yàn)的p′～q關(guān)系曲線，縱坐標(biāo)為剪應(yīng)力q，橫坐標(biāo)為平均有效應(yīng)力p′。

圖6 三軸試驗(yàn)的q-p′關(guān)系曲線Fig.6 The relationship between shear stress q and mean effective stress p′ in the triaxial tests

3.4 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖7為三軸試驗(yàn)得到的剪應(yīng)力和軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線，縱坐標(biāo)為偏應(yīng)力，橫坐標(biāo)為軸向應(yīng)變。

圖7 三軸試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.7 The relationship between shear stress and axial strain obtained from the triaxial tests

圖7顯示，圍壓為60 kPa時(shí)，原狀土的q～εa曲線位于重塑土的上方；圍壓為300 kPa時(shí)，原狀土的q～εa曲線位于重塑土的下方；圍壓為120 kPa時(shí)，原狀土和重塑土的q～εa曲線較為接近。這是由于圍壓較低時(shí)，原狀土較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性起主導(dǎo)作用，在產(chǎn)生相同的軸向應(yīng)變時(shí)，能夠承受比重塑土更大的剪應(yīng)力；圍壓較高時(shí)，原狀土的結(jié)構(gòu)性被破壞，而其較大的孔隙起主導(dǎo)作用，在產(chǎn)生相同軸向應(yīng)變時(shí)的剪應(yīng)力反而比重塑土要小。

從圖7還可以看出，對(duì)重塑土，q～εa曲線與圍壓有關(guān)，圍壓為300 kPa的q～εa曲線在最上方，圍壓為120 kPa的q～εa曲線在中間，圍壓為60 kPa的q～εa曲線在最下方；對(duì)原狀土，圍壓為60 kPa和120 kPa時(shí)的q～εa曲線較為接近，而圍壓為300 kPa時(shí)的q～εa曲線明顯在圍壓為60 kPa和120 kPa的曲線上方。說(shuō)明重塑土在相同的軸向應(yīng)變?chǔ)臿下，剪應(yīng)力q隨著圍壓的增大而增大；原狀土在圍壓較小時(shí)，由于原狀土的結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，q～εa曲線隨圍壓的變化不明顯，在圍壓較大時(shí)，原狀土的結(jié)構(gòu)性被破壞，呈現(xiàn)和重塑土類似的規(guī)律，即在相同的軸向應(yīng)變?chǔ)臿下，剪應(yīng)力q隨著圍壓的增大而增大。

3.5 超孔隙水壓力-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖8為三軸試驗(yàn)得到的超孔隙水壓力和軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線，縱坐標(biāo)為超孔隙水壓力，橫坐標(biāo)為軸向應(yīng)變。

圖8 三軸試驗(yàn)得到的超孔隙水壓力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.8 The relationship between excess pore pressure and axial strain obtained from the triaxial tests

從圖8可見，相同固結(jié)壓力下的原狀土和重塑土在三軸試驗(yàn)過(guò)程中的超孔隙水壓力相差不大，說(shuō)明結(jié)構(gòu)性對(duì)三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)中產(chǎn)生的超孔隙水壓力沒有明顯影響。

3.6 小應(yīng)變剪切模量

本文三軸試驗(yàn)中，通過(guò)在試樣頂部和底部的彎曲元測(cè)得剪切波速，從而得到小應(yīng)變剪切模量Gmax。圖9畫出了本文西澳殘積土的原狀和重塑土的Gmax與p′的關(guān)系圖。

圖9 Gmax與p′的關(guān)系圖Fig.9 The relationship between Gmax and p

從圖9可以看出Gmaxe3/Pa與(p′/Pa)0.5成正比例關(guān)系，且比例系數(shù)為1.1，因此原狀土和重塑土的Gmax與p′之間存在以下歸一化關(guān)系：

(1)

4 考慮結(jié)構(gòu)性的參數(shù)取值

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

將本文三軸試驗(yàn)得到的極限應(yīng)力圓畫在圖10中，并作這些圓的公切線，得到強(qiáng)度包線，其中，虛線為總應(yīng)力表示的極限應(yīng)力圓和總強(qiáng)度包線，實(shí)線為有效應(yīng)力表示的極限應(yīng)力圓和有效強(qiáng)度包線。

從圖10可見，三軸試驗(yàn)得到的重塑土有效強(qiáng)度包線和總強(qiáng)度包線均通過(guò)原點(diǎn)，而原狀土有效強(qiáng)度包線和總強(qiáng)度包線均不通過(guò)原點(diǎn)。因?yàn)樵瓲钔链嬖诮Y(jié)構(gòu)性，有一定的凝聚力；重塑土由于結(jié)構(gòu)性已被完全破壞，其凝聚力為0。將原狀土和重塑土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)列于表1中。

表1 原狀土和重塑土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Tab.1 The shear strength index of the intact and reconstituted soil

為了比較單剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度，將單剪試驗(yàn)得到的不同法向應(yīng)力σ下的抗剪強(qiáng)度τf也畫在圖10中，用實(shí)心圓表示。可以看出，單剪試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度位于三軸試驗(yàn)得到的有效強(qiáng)度包線和總強(qiáng)度包線之間，這是因?yàn)閱渭粼囼?yàn)過(guò)程既不是嚴(yán)格的排水過(guò)程，又不是嚴(yán)格的不排水過(guò)程，且不能測(cè)定孔隙水應(yīng)力。

圖10 單剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度比較Fig.10 The comparison of the shearing strength obtained from the simple shear tests and the triaxial tests

4.2 工程建議

根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)工程中類似殘積土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)選取作如下建議：

(1)為防止殘積土的結(jié)構(gòu)性喪失導(dǎo)致工程事故，從偏于安全的角度考慮，殘積土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)在低應(yīng)力狀態(tài)下宜取重塑土試驗(yàn)結(jié)果，在高應(yīng)力狀態(tài)下宜取原狀土試驗(yàn)結(jié)果。

(2)如果將單剪試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度用于有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)則偏于安全，用于總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)則偏于危險(xiǎn)。

5 結(jié) 論

本文使用西澳大學(xué)單剪儀和三軸儀對(duì)西澳殘積土的原狀和重塑土分別進(jìn)行了豎向應(yīng)力為60 kPa和300 kPa的單剪試驗(yàn)、固結(jié)壓力為60、120和300 kPa的三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1)圍壓較低時(shí)，原狀土較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性起主導(dǎo)作用，在產(chǎn)生相同的軸向應(yīng)變時(shí)，能夠承受比重塑土更大的剪應(yīng)力；圍壓較高時(shí)，原狀土的結(jié)構(gòu)性被破壞，而其較大的孔隙起主導(dǎo)作用，在產(chǎn)生相同軸向應(yīng)變時(shí)的剪應(yīng)力反而比重塑土要小。

(2)原狀土由于存在結(jié)構(gòu)性，有一定的凝聚力；重塑土由于結(jié)構(gòu)性已被完全破壞，其凝聚力為0。

(3)原狀土和重塑土的Gmax與p′之間存在歸一化關(guān)系。

(4)單剪試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度位于三軸試驗(yàn)得到的有效強(qiáng)度包線和總強(qiáng)度包線之間。

(5)為防止殘積土的結(jié)構(gòu)性喪失導(dǎo)致工程事故，從偏于安全的角度考慮，殘積土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)在低應(yīng)力狀態(tài)下宜取重塑土試驗(yàn)結(jié)果，在高應(yīng)力狀態(tài)下宜取原狀土試驗(yàn)結(jié)果。

(6)如果將單剪試驗(yàn)得到的抗剪強(qiáng)度用于有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)則偏于安全，用于總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)則偏于危險(xiǎn)。

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致謝：本論文得到江蘇省高校“青藍(lán)工程”、江蘇省高校優(yōu)秀中青年教師和校長(zhǎng)境外研修計(jì)劃資助。