飽和粉土三軸等p應(yīng)力路徑試驗(yàn)特性研究

王 歡，劉曉強(qiáng)

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456)

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)不良的各類地基進(jìn)行研究處理成為工程建設(shè)中面臨的重要課題。《巖土工程勘察規(guī)范》[1]規(guī)定：粒徑大于0.075 mm，顆粒含量等于或小于總質(zhì)量的50%，塑性指數(shù)小于或等于10的土，稱之為粉土。粉土黏粒含量低、粉粒含量高、級(jí)配均勻、結(jié)構(gòu)松散、很難壓實(shí)、屬不良地基[2]，建成后的粉土地基處于非飽和狀態(tài)，在內(nèi)(粉土的顆粒物質(zhì)成分、粉土的物理狀態(tài)等)外(降雨、地下水等)因素的共同作用下，極易發(fā)生災(zāi)害[3]，應(yīng)進(jìn)行防治，在使用過程中受荷載比較復(fù)雜，因此研究飽和粉土的拉伸試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度具有重要意義。

宋丹青等[4]研究了飽和粉土變形特性三軸試驗(yàn)，分析了粉土干密度、初始制樣含水率和圍壓對(duì)飽和粉土強(qiáng)度的影響；王洪緒等[5]進(jìn)行了江蘇沿海飽和粉土三軸試驗(yàn)的研究，探討了各類指標(biāo)間相互關(guān)系；吳瑞潛，張少龍等[6]研究重塑粉土抗剪強(qiáng)度特性受剪切速率的影響規(guī)律；Y. GUO等[7]分析初始含水率對(duì)重塑飽和粉土各向異性行為的影響；吳波、孫德安等[8]研究非飽和粉土的液化特性研究，探討了飽和度、動(dòng)應(yīng)力比及固結(jié)圍壓對(duì)非飽和粉土動(dòng)力強(qiáng)度特性、液化特性及孔壓特性的影響；阮永芬等[9]分析飽和粉土的若干動(dòng)力特性研究，分析粉土的動(dòng)力特性；田競(jìng)等[10]分析了飽和粉土動(dòng)應(yīng)力與動(dòng)應(yīng)變與動(dòng)強(qiáng)度的影響因素；張更生[11]關(guān)于粉土固化室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析；賀海濤[12]針對(duì)某高速公路的路基粉土填料，開展了控制基質(zhì)吸力的三軸試驗(yàn)，探討了基質(zhì)吸力與抗剪強(qiáng)度參數(shù)的關(guān)系；安鴻飛等[13]關(guān)于粉土路基壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行研究分析；Ji-chao ZHang等[14]分析飽和粉砂土地基防護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用；鄧?yán)罪w[15]，林高杰等[16]對(duì)吹填粉土地基進(jìn)行研究。許多學(xué)者[17-22]對(duì)粉土路基施工技術(shù)進(jìn)行分析,研究成果為粉土路基施工提供資料。不同應(yīng)力路徑下粉土力學(xué)特性變化不同，本文基于粉土結(jié)構(gòu)的特殊性，對(duì)比三軸試驗(yàn)等p應(yīng)力路徑的壓縮與拉伸過程的各參數(shù)變化值，了解飽和粉土拉伸試驗(yàn)與壓縮試驗(yàn)的力學(xué)性質(zhì)變化。

文章主要應(yīng)用振動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)飽和粉土進(jìn)行不同干密度試樣的等p拉伸和等p壓縮的應(yīng)力路徑試驗(yàn)，分析應(yīng)力、應(yīng)變及孔隙水壓力變化規(guī)律，研究粉土試驗(yàn)過程中變化特性及產(chǎn)生原因，研究結(jié)果可以為粉土特性研究及工程防治提供幫助。

1 三軸等p應(yīng)力路徑試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用振動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)DYNTTS，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)過程的控制及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，從而使試驗(yàn)結(jié)果有很高的精確度，主機(jī)系統(tǒng)可以對(duì)軸向位移或軸向力實(shí)行控制。整套系統(tǒng)包括：三軸壓力室，內(nèi)置一體化軸向驅(qū)動(dòng)器，8通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，10 kN內(nèi)置荷重傳感器，孔壓傳感器，位移傳感器、圍壓、反壓控制器。設(shè)備可以按照用戶定義的應(yīng)力路徑完成三軸試驗(yàn)，全面研究應(yīng)力變化過程對(duì)土的力學(xué)性質(zhì)的影響。

1.2 試驗(yàn)制樣

試驗(yàn)粉土試樣所需干密度分別定為1.67 g/cm3和1.56 g/cm3，對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度分別為96%和90%，為地基壓實(shí)處理中的取值范圍，試樣的最優(yōu)含水率為13.83%。首先將所取粉土試驗(yàn)土體在烘箱內(nèi)烘干，將一定質(zhì)量的水均勻噴灑于土樣中并充分?jǐn)噭?，置于保濕缸?4 h以保證土樣中水分均勻，從而得到特定含水率的試驗(yàn)樣品，根據(jù)設(shè)定的干密度計(jì)算出該含水率條件下所需的土樣質(zhì)量，并采用儀器配套的擊實(shí)器分層擊實(shí)制樣。

1.3 飽和方法

試樣直徑為3.91 cm，高度為8 cm，首先采用水頭飽和方法在儀器上對(duì)試樣進(jìn)行水頭飽和，直到進(jìn)水量與出水量相等。

采用儀器配套控制器施加圍壓和反壓，進(jìn)行反壓飽和，反壓飽和即反壓力飽和，相當(dāng)于孔隙壓力而言，是在試驗(yàn)過程中人為的將孔隙壓力提高一定程度，使土樣孔隙中的空氣在壓力的作用下溶于孔隙水，使土樣盡可能達(dá)到飽和[23]。維持反壓保持一段時(shí)間，直到反壓控制器體積不變，進(jìn)行B值檢測(cè)，保證B值在0.95以上。

1.4 加載方式

試驗(yàn)圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，試驗(yàn)內(nèi)容見表1所示。以土樣軸向變形及排水量穩(wěn)定作為固結(jié)完成的標(biāo)準(zhǔn)。固結(jié)完成后進(jìn)行不排水條件下的應(yīng)力路徑等p拉伸(TE)、等p壓縮試驗(yàn)(TC)，剪切速度為應(yīng)變±0.1%/min，每個(gè)圍壓下試驗(yàn)的結(jié)束條件為軸向應(yīng)變不小于15%。

表1 試驗(yàn)方案Tab.1 Experiment scheme

2 結(jié)果分析

試驗(yàn)中通過各種傳感器與軟件自動(dòng)量測(cè)系統(tǒng)記錄試驗(yàn)過程中應(yīng)力、應(yīng)變、孔壓等的變化過程；圖1～圖6為不同干密度粉土剪切過程中的參數(shù)變化，圖中不同的曲線分別代表不同的試驗(yàn)條件。

2.1 應(yīng)力特性分析

應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系受密度、應(yīng)力路徑等諸多因素影響，圖1、圖2給出了兩種干密度粉土四種圍壓條件下等p拉伸和等p壓縮應(yīng)力路徑試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。

拉伸試驗(yàn)中，粉土的應(yīng)力隨應(yīng)變的增大先減小后增大最后趨于穩(wěn)定，其中干密度小的粉土應(yīng)力峰值集中出現(xiàn)在小應(yīng)變處，隨后迅速變化趨于穩(wěn)定，干密度大的粉土應(yīng)力峰值晚于較干密度小的粉土出現(xiàn)，之后緩慢趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)為干密度小的粉土結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，破壞較快，更容易受到擾動(dòng)，干密度大的粉土更具有穩(wěn)定性。

壓縮試驗(yàn)中，干密度小的粉土隨應(yīng)變的增大應(yīng)力先增大后減小，穩(wěn)定值相同，干密度大的粉土隨應(yīng)變的增大，應(yīng)力先增大后趨于穩(wěn)定且圍壓越大穩(wěn)定值越大。

拉伸試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)中相同圍壓條件下粉土越密實(shí)應(yīng)力峰值越大，這是因?yàn)榉弁两Y(jié)構(gòu)越密實(shí)，抗壓能力越強(qiáng)。同種粉土拉伸或壓縮試驗(yàn)，圍壓越大應(yīng)力峰值越大，這是由于圍壓改變粉土顆粒微觀結(jié)構(gòu)，使土顆粒排列更加緊密，抵抗外部荷載變形的能力提高，抗拉或抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)[4]。

圖1 拉伸試驗(yàn) (應(yīng)力-應(yīng)變)Fig.1 Stress-strain of tensile test圖2 壓縮試驗(yàn)(應(yīng)力-應(yīng)變)Fig.2 Stress-strain of compression test

2.2 孔隙水壓力分析

為了解粉土剪切作用下孔壓的變化過程，繪制孔壓隨應(yīng)變的變化曲線，如圖3、圖4所示。

干密度小的粉土的拉伸試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)孔壓曲線變化趨勢(shì)相同，都是開始上升之后趨于平穩(wěn)且相同粉土同種試驗(yàn)圍壓越高相同應(yīng)變對(duì)應(yīng)的孔壓越高。這與試樣的受力情況相關(guān)，粉土受拉或受壓很快達(dá)到破壞應(yīng)力迅速減小，等p試驗(yàn)使得圍壓變大，粉土土顆粒間空隙大孔壓迅速上升直至穩(wěn)定。

干密度大的粉土的拉伸試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)孔壓的曲線都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值即粉土破壞時(shí)最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)的孔壓值，且同種試驗(yàn)圍壓越大，相同應(yīng)變對(duì)應(yīng)的孔壓越大。拉伸試驗(yàn)孔壓出現(xiàn)峰值后緩慢上升，原因?yàn)樵囼?yàn)過程應(yīng)力緩慢下降等p試驗(yàn)使圍壓緩慢上升，孔壓隨圍壓變化。壓縮試驗(yàn)孔壓出現(xiàn)峰值后逐漸趨于平穩(wěn)，原因?yàn)閴嚎s試驗(yàn)時(shí)應(yīng)力由小變大之后平穩(wěn)，等p試驗(yàn)使圍壓保持穩(wěn)定不變，孔壓隨之穩(wěn)定。

圖3 松散粉土(孔壓-應(yīng)變)Fig.3 Pore pressure-strain of loose silt 圖4 密實(shí)粉土(孔壓-應(yīng)變) Fig.4 Pore pressure-strain of dense silt

2.3 有效應(yīng)力比分析

剪切過程中粉土有效應(yīng)力比隨應(yīng)變的變化規(guī)律如圖5、圖6所示。

拉伸試驗(yàn)，有效應(yīng)力比小于1，趨勢(shì)由大變小趨于穩(wěn)定，相同圍壓下粉土結(jié)構(gòu)越密實(shí)有效應(yīng)力比越大。干密度小的粉土有效應(yīng)力比最后穩(wěn)定值為0，干密度大的粉土有效應(yīng)力比穩(wěn)定值為0.4。

壓縮試驗(yàn)，有效應(yīng)力比最大值大于1。干密度小的粉土有效應(yīng)力比隨應(yīng)變的增長(zhǎng)快速達(dá)到峰值之后迅速下降為0附近。干密度大的粉土有效應(yīng)力比隨應(yīng)變的增加趨于穩(wěn)定，有效應(yīng)力比隨圍壓的增大而減小，相同圍壓下粉土結(jié)構(gòu)越密實(shí)有效應(yīng)力比越大。

圖5 拉伸試驗(yàn)(有效應(yīng)力比-應(yīng)變)Fig.5 Effective stress ratio-strain of tensile test圖6 壓縮試驗(yàn)(有效應(yīng)力比-應(yīng)變)Fig.6 Effective stress ratio-strain of compression test

3 結(jié)論

本文對(duì)飽和粉土進(jìn)行分析，進(jìn)行三軸等p應(yīng)力路徑試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)拉伸試驗(yàn)粉土的應(yīng)力隨應(yīng)變的增大先減小后增大，最后趨于穩(wěn)定，干密度小的粉土應(yīng)力峰值出現(xiàn)較早，干密度大的粉土應(yīng)力峰值出現(xiàn)偏晚，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)越密實(shí)粉土更具穩(wěn)定性不易受擾動(dòng)。壓縮試驗(yàn)干密度小的粉土隨應(yīng)變的增大，應(yīng)力先增大后減小，穩(wěn)定值相同，干密度大的粉土隨應(yīng)變的增大，應(yīng)力先增大后趨于穩(wěn)定且圍壓越大穩(wěn)定值越大。拉伸試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)中相同圍壓條件下粉土越密實(shí)應(yīng)力峰值越大。同種粉土拉伸或壓縮試驗(yàn)，圍壓越大應(yīng)力峰值越大。

(2)干密度小的粉土的拉伸試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)孔壓曲線變化趨勢(shì)相同，開始上升之后趨于平穩(wěn)且相同粉土同種試驗(yàn)圍壓越高相同應(yīng)變對(duì)應(yīng)的孔壓越高。干密度大的粉土的拉伸試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)，孔壓的曲線都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值且同種試驗(yàn)圍壓越大相同應(yīng)變對(duì)應(yīng)的孔壓越大。

(3)拉伸試驗(yàn)有效應(yīng)力比和應(yīng)變關(guān)系中，有效應(yīng)力比小于1，趨勢(shì)由大變小趨于穩(wěn)定，相同圍壓下粉土結(jié)構(gòu)越密實(shí)有效應(yīng)力比越大。壓縮試驗(yàn)有效應(yīng)力比和應(yīng)變關(guān)系中，有效應(yīng)力比最大值大于1。干密度小的粉土有效應(yīng)力比隨應(yīng)變的增長(zhǎng)快速達(dá)到峰值之后迅速下降為0附近。干密度大的粉土有效應(yīng)力比隨應(yīng)變的增加趨于穩(wěn)定，有效應(yīng)力比隨圍壓的增大而減小，相同圍壓下粉土結(jié)構(gòu)越密實(shí)有效應(yīng)力比越大。