紹興重塑非飽和黏土三軸剪切特性試驗(yàn)研究

吳瑞潛 楊 光 林群仙 項(xiàng)祺辰

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 紹興 312000)

非飽和土在地球表面的分布十分廣泛，地下水以上的土體通常處于非飽和狀態(tài).隨著氣候與降雨量的變化，土中吸力會(huì)隨之改變，非飽和土強(qiáng)度問題也會(huì)逐漸突顯出來.迄今為止，非飽和土為四相體系(固體、水、空氣、收縮膜)這一理論被更多的學(xué)者所認(rèn)可.非飽和土中孔隙氣壓力與孔隙水壓力的差值即為基質(zhì)吸力.由于歷史環(huán)境原因，紹興地區(qū)軟黏土成因與性質(zhì)區(qū)別于杭州蕭山與寧波軟黏土，紹興地區(qū)存在大量的第四紀(jì)泄湖相、溺谷相與濱海相等海相沉積軟黏土層.該軟黏土層常年平均水位埋深為0.5～1.0 m，且軟黏土沉積厚度大，成層穩(wěn)定，上部存在大量非飽和土.由于非飽和土中基質(zhì)吸力的存在使其土性相較于飽和土更加的復(fù)雜多變，對工程建設(shè)產(chǎn)生重大影響，因此，對非飽和土的研究無論是從理論方面還是工程應(yīng)用方面都具有非常重要的意義.

在學(xué)術(shù)界與工程界,針對非飽和土抗剪強(qiáng)度與變形特性問題研究較多.Hogentogler和Barber[1]描述了非飽和土中毛細(xì)水的流動(dòng)狀態(tài)并且證明了毛細(xì)水的流動(dòng)符合表面張力、重力和水力學(xué)的原理.A W Bishop[2]對Terzaghi飽和有效應(yīng)力公式進(jìn)行拓展，引入?yún)?shù)χ提出單變量抗剪強(qiáng)度理論公式；D G Fredlund[3-4]經(jīng)過大量試驗(yàn)總結(jié)得出用應(yīng)力狀態(tài)變量描述非飽和土強(qiáng)度特性與非飽和土四相體系更加符合，提出了雙變量抗剪強(qiáng)度理論.尹俊等[5]通過改進(jìn)的普通三軸試驗(yàn)讓不同含水率的重塑土樣恢復(fù)原始應(yīng)力研究非飽和土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，在雙曲線模型基礎(chǔ)上總結(jié)出含水率引入硬化參數(shù)中的非飽和土本構(gòu)模型.王斯海等[6]針對寧波地區(qū)筑堤黏土運(yùn)用土水特征曲線與非飽和土直剪試驗(yàn)相結(jié)合的方法分析了含水率、顆粒級(jí)配及基質(zhì)吸力對非飽和土抗剪強(qiáng)度的影響，研究結(jié)果表明：非飽和土抗剪強(qiáng)度很大程度上取決于土體內(nèi)基質(zhì)吸力轉(zhuǎn)化為有效黏聚力的轉(zhuǎn)化情況及基質(zhì)吸力和吸應(yīng)力之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系.戚國慶等[7]等利用某滑坡體的原狀樣與重塑樣研究基質(zhì)吸力變化與體積應(yīng)變之間的關(guān)系，研究結(jié)果表明：試樣的體積應(yīng)變隨著基質(zhì)吸力的增大以對數(shù)函數(shù)形式線性增大，并且體積模量服從冪函數(shù)關(guān)系.基質(zhì)吸力在非飽和土中對其強(qiáng)度的影響機(jī)理認(rèn)識(shí)尚未完全成熟，以不同類型非飽和土為研究對象，探討其強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律,一直是國內(nèi)外非飽和土的研究熱點(diǎn)之一.

本文以浙江紹興某基坑黏土為研究對象，用非飽和土三軸儀對重塑樣進(jìn)行控制基質(zhì)吸力與凈圍壓的三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，研究紹興地區(qū)非飽和重塑黏土強(qiáng)度、變形特性，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考.

1 非飽和土抗剪強(qiáng)度理論

由于基質(zhì)吸力的存在，土中的有效應(yīng)力不再等于粒間壓力，因此飽和土的抗剪強(qiáng)度理論公式不適用于非飽和土.經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者的不斷試驗(yàn)與總結(jié)，經(jīng)典非飽和土抗剪強(qiáng)度公式主要是A W Bishop等提出的單變量抗剪強(qiáng)度公式與D G Fredlund等提出的雙變量抗剪強(qiáng)度公式，在此基礎(chǔ)上還有學(xué)者提出了一些經(jīng)驗(yàn)公式.其中由于Bishop單變量抗剪強(qiáng)度公式參數(shù)χ取值的影響因素眾多，不容易確定且有效應(yīng)力與基質(zhì)吸力對土體抗剪強(qiáng)度作用機(jī)理不同，簡單的疊加是不合理的，這使其在實(shí)際工程中的應(yīng)用受到了限制.因此在理論與實(shí)際工程中應(yīng)用較為廣泛的是Fredlund雙變量抗剪強(qiáng)度公式[8]，如下：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

式(1)中：c′與φ′均是飽和黏性土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，(σ-ua)是凈法向應(yīng)力，(ua-uw)為基質(zhì)吸力，φb表示抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力而增加的速率.

將常規(guī)三軸Mohr-Coulomb強(qiáng)度破壞包絡(luò)進(jìn)行延伸，以剪應(yīng)力τ為縱坐標(biāo)、(σ-ua)和(ua-uw)為橫坐標(biāo)，可以繪制出三維非飽和土強(qiáng)度破壞包絡(luò)面，在空間上，平面可能會(huì)有一些彎曲.如圖1所示.三維坐標(biāo)的前緣面表示飽和土狀態(tài).從圖中可以看出，凈法向應(yīng)力與基質(zhì)吸力對非飽和土的力學(xué)特性影響是不同的，有效摩擦角φ′表示抗剪強(qiáng)度隨凈法向應(yīng)力變化情況，φb表示抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力變化情況.除了以上兩種經(jīng)典非飽和土抗剪強(qiáng)度理論公式，還有一些學(xué)者總結(jié)得到的非飽和土經(jīng)驗(yàn)公式，如Vanapalli等[9]經(jīng)過大量試驗(yàn)總結(jié)得出了采用土水特征曲線(SWCC)來預(yù)測非飽和土抗剪強(qiáng)度的公式；沈珠江等[10]發(fā)現(xiàn)可以采用雙曲線模型來擬合重塑非飽和黏土抗剪強(qiáng)度公式等.

圖1 非飽和土的Mohr-Coulomb破壞包絡(luò)面

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)全部用土取自浙江紹興某基坑，取土深度為3.5～4.0 m,為第三系上更新統(tǒng)上段黏性土，沖湖積成因，土體呈棕黃-灰黃色，具少量鐵錳質(zhì)浸染與鈣質(zhì)結(jié)核.在室內(nèi)對原土進(jìn)行烘干、碾碎，過2 mm篩，根據(jù)試驗(yàn)所需含水率配制土樣放置保濕缸內(nèi)靜置24 h后備用.試樣為標(biāo)準(zhǔn)三軸土樣，高80 mm，直徑39.1 mm，試樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示.

表1 試樣的基本物理性質(zhì)

2.2 試驗(yàn)方案

共3組9個(gè)土樣進(jìn)行控制吸力的三軸固結(jié)排水試驗(yàn)，研究在不同吸力作用下土的強(qiáng)度與變形特性.試驗(yàn)中基質(zhì)吸力s分別控制為50 kPa、100 kPa、200 kPa，凈圍壓(σ3-ua)分別為30 kPa、130 kPa、230 kPa.控制土樣初始含水率w=21.0%，干密度ρd=1.6 g·cm-3.詳細(xì)試驗(yàn)方案如表2所示.

表2 試驗(yàn)方案

2.3 試驗(yàn)過程

①在試驗(yàn)開始之前要先制備“無氣”實(shí)驗(yàn)用水，將試驗(yàn)儀器的控制器與管路內(nèi)氣體排凈并且需飽和陶土板24 h以上；②按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)，試驗(yàn)前將試樣放入真空飽和裝置內(nèi)飽和24 h，確保試樣完全飽和；③取出預(yù)飽和試樣稱其重量，在試樣一端放透水石與濾紙，另一端無透水石、濾紙置于陶土板上，用橡膠膜固定試樣;④安裝內(nèi)外壓力室罩，將軸向壓力傳感儀緊置于試樣帽上；⑤注水排氣，檢查有無漏氣或漏水現(xiàn)象，打開、關(guān)閉相應(yīng)閥門即可進(jìn)行試驗(yàn).

試驗(yàn)采用軸平移技術(shù)，試樣在儀器設(shè)定的孔隙氣壓與圍壓下至固結(jié)穩(wěn)定，固結(jié)穩(wěn)定的判定標(biāo)準(zhǔn)為2 h內(nèi)體變和排水均不超過0.01 cm3，且最少歷時(shí)40 h.待試樣固結(jié)穩(wěn)定后即可剪切，剪切速率為0.003 2 mm/min；剪切至軸向應(yīng)變達(dá)15%后停止剪切.

2.4 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)所用的儀器為南京泰克奧公司生產(chǎn)的TKA新型雙壓力室非飽和三軸儀，內(nèi)外壓力室壁均由高強(qiáng)度的有機(jī)玻璃材質(zhì)構(gòu)成，玻璃能夠徹底根除水的吸附作用，有效控制試驗(yàn)誤差.控制方式與數(shù)據(jù)采集全部由電腦自動(dòng)控制，其主要組成部分有雙腔壓力室、控制系統(tǒng)、測量與采集系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理四個(gè)部分.具體構(gòu)成如圖2所示.

圖2 TKA雙壓力非飽和土三軸儀

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在非飽和土中運(yùn)用凈總應(yīng)力(σ-ua)和基質(zhì)吸力(ua-uw)兩個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力狀態(tài)變量來衡量強(qiáng)度特性，并且通過指定不同的參數(shù)反映狀態(tài)變量對土樣抗剪強(qiáng)度的影響，大量的試驗(yàn)表明這種方式具有很好的可行性.因此本文采用以下公式及符號(hào)來描述應(yīng)力狀態(tài)[11]：

(2)

q=σ1-σ3

(3)

s=ua-uw

(4)

式中：p為凈平均應(yīng)力，q為偏應(yīng)力，s為基質(zhì)吸力，ua為孔隙氣壓力，uw為孔隙氣壓力.

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

在相同基質(zhì)吸力，不同凈圍壓下三軸剪切試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示.從中可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線近似雙曲線函數(shù)，與1963年Kondner[12]根據(jù)大量室內(nèi)三軸試驗(yàn)得出的結(jié)論一致.該土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要表現(xiàn)為硬化型，沒有明顯的破壞點(diǎn).在同一基質(zhì)吸力下，隨著凈圍壓的增大，非飽和黏性土的抗剪強(qiáng)度逐漸增大，且前期偏應(yīng)力上升較快，當(dāng)軸向應(yīng)變至3%后，曲線斜率明顯減小.尤其是在凈圍壓為30 kPa時(shí)，前期應(yīng)力快速增加，后期應(yīng)力增大曲線斜率近似為0，表明在低圍壓狀態(tài)下，土樣強(qiáng)度主要由前期強(qiáng)度提供.在較高吸力的作用下，土的硬化特征更加明顯.在相同的凈圍壓下，隨著基質(zhì)吸力的增加，土的抗剪強(qiáng)度性質(zhì)也有明顯增強(qiáng).其主要原因是基質(zhì)吸力的增強(qiáng)，減少了土體孔隙中的水分，使土顆粒間缺少了水的潤滑作用，同時(shí)氣—水界面的收縮膜隨著基質(zhì)吸力的改變對土體的抗剪強(qiáng)度也起到了很大作用.

(a)s=50 kPa

根據(jù)既有研究成果，本試驗(yàn)土樣的應(yīng)變硬化特性與非飽和紅土[13]在較高圍壓條件下表現(xiàn)出明顯的硬化特性，而在低圍壓下表現(xiàn)不明顯相似，但與非飽和黃土[14]剪切破壞特性具有明顯的差異.非飽和黃土破壞形式分別為:硬化型、理想彈塑性和軟化型，并且紹興非飽和黏土由于歷史成因與環(huán)境因素，其與杭州蕭山[15]、寧波非飽和黏土區(qū)別是其軸向應(yīng)變3%之前偏應(yīng)力增大較快，后期增幅逐漸減小.因此在工程設(shè)計(jì)中可充分利用非飽和黏土前期偏應(yīng)力增大較快，后期殘余強(qiáng)度較大特性，提高工程效益與安全性.

3.2 基質(zhì)吸力與抗剪強(qiáng)度參數(shù)關(guān)系

本試驗(yàn)中的9個(gè)土樣均呈應(yīng)變硬化型特征，無明顯的破壞點(diǎn)，因此選取軸向應(yīng)變15%所對應(yīng)的軸向應(yīng)力作為破壞應(yīng)力(qf,pf).具體破壞應(yīng)力值如表3所示.根據(jù)表3中數(shù)值在p-q平面內(nèi)畫出強(qiáng)度包線如圖4所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)吸力相同的p-q值點(diǎn)均在一條直線上，因此可用陳正漢提出的有關(guān)非飽和土強(qiáng)度參數(shù)算法[16]進(jìn)行參數(shù)計(jì)算.運(yùn)用如下函數(shù)關(guān)系式對圖中直線進(jìn)行擬合：

圖4 偏應(yīng)力-凈平均應(yīng)力平面強(qiáng)度包線

qf=ξ+pftanω

(5)

式(5)中：ξ和tanω分別為直線的截距和斜率.

土的有效內(nèi)摩擦角φ′由下式求得：

(6)

土的總黏聚力c由下式求得：

(7)

從表3中可以看出，隨著基質(zhì)吸力的增大，重塑非飽和黏土的黏聚力c與有效內(nèi)摩擦角φ′都有不同程度的增大，黏聚力的增大更為明顯，這也充分說明了基質(zhì)吸力在增強(qiáng)土樣的抗剪強(qiáng)度機(jī)理上主要是黏聚力起主導(dǎo)作用，特別是在高吸力的作用下其影響更加突出，究其原因是土體孔隙的毛細(xì)作用使表面張力增加，引起土顆粒的氣封增加.根據(jù)表3中的值可繪制出黏聚力c、有效內(nèi)摩擦角φ′與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線，如圖5所示.

表3 土樣的強(qiáng)度參數(shù)

(a)黏聚力與基質(zhì)吸力關(guān)系曲線

由于本試驗(yàn)分析采用2個(gè)應(yīng)力狀態(tài)變量，因此運(yùn)用Fredlund等提出的雙變量非飽和土抗剪強(qiáng)度公式即式(1)來描述土體的強(qiáng)度，從圖中可以看出：c-s近似線性關(guān)系，隨著基質(zhì)吸力的增大，土的有效黏聚力c也隨之增大，其在單位基質(zhì)吸力上的增幅就是tanφb，φb即為c-s擬合直線的傾角，由此便可計(jì)算出本試驗(yàn)土樣φb=16.12°.

3.3 體積應(yīng)變-軸向應(yīng)變關(guān)系

本試驗(yàn)采用的是雙壓力室非飽和三軸儀，由于內(nèi)外壓力室壁都是高強(qiáng)度有機(jī)玻璃材質(zhì)，同時(shí)內(nèi)外圍壓均為σ3，內(nèi)壓力室不會(huì)產(chǎn)生變形，因此本試驗(yàn)認(rèn)定內(nèi)壓力室的水體積變化就是試樣體積的變化，通過體變儀就能夠自動(dòng)連續(xù)的記錄試樣體積變化.

土樣在剪切過程中體積變化(εv)與軸向應(yīng)變(εa)的關(guān)系曲線如圖6所示.從圖中可以看出，在不同的基質(zhì)吸力與凈圍壓下，體變呈剪脹趨勢，不存在剪縮現(xiàn)象.從數(shù)值上可以看出，基質(zhì)吸力為50 kPa、100 kPa時(shí)，體積應(yīng)變隨凈圍壓的增幅大致相同，其分別增加0.57%、0.51%、0.7%、0.7%.基質(zhì)吸力為200 kPa時(shí)，其隨每級(jí)凈圍壓的增幅分別為0.59%、1.35%.由于基質(zhì)吸力的增大，土體中孔隙氣體積增大，在剪切過程中更多的孔隙氣被壓縮，且凈圍壓增大，土中孔隙半徑減小.因此基質(zhì)吸力越大，凈圍壓越大，體積應(yīng)變隨軸向應(yīng)變增大，在軸向應(yīng)變達(dá)至3%之前體積應(yīng)變增幅較大，之后增幅逐漸減小.這與前面分析的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系相對應(yīng)，表明偏應(yīng)力的增幅與體積應(yīng)變的增幅成正比關(guān)系.根據(jù)既有研究成果，合肥地區(qū)[17]非飽和黏土體積隨軸向應(yīng)變先剪縮后剪脹，并且與凈圍壓有關(guān)，凈圍壓越小，形成的反差越大.而非飽和黃土隨著基質(zhì)吸力的增大剪脹特性越明顯，表明不同區(qū)域的非飽和黏土受到基質(zhì)吸力與凈圍壓的影響而產(chǎn)生的現(xiàn)象是不同的，并且土體體積的變化對實(shí)際工程有重大的影響，因此研究紹興地區(qū)非飽和黏土基質(zhì)吸力對體積應(yīng)變的影響具有一定的工程意義.

(a)s=50 kPa

將基質(zhì)吸力、凈圍壓相同的試樣破壞后的體積應(yīng)變?nèi)∑骄?，分別繪成如圖7、圖8所示的體積應(yīng)變與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線、體積應(yīng)變與凈圍壓的關(guān)系曲線.從圖中可以看出，基質(zhì)吸力改變引起的體積應(yīng)變小于由凈圍壓改變引起的體積應(yīng)變，且基質(zhì)吸力引起的體應(yīng)變的變化斜率逐漸減小，凈圍壓引起的體應(yīng)變斜率逐漸增大，這與沈珠江[18]提出的“基質(zhì)吸力只有一部分能有效增加土體的強(qiáng)度與抗變形能力”廣義吸力概念相符.因此在重塑非飽和黏土中，對體積應(yīng)變影響更大的是作用于土骨架上的“凈法向應(yīng)力”[19-20].

圖7 體積應(yīng)變-基質(zhì)吸力關(guān)系曲線

圖8 體積應(yīng)變-凈圍壓關(guān)系曲線

4 結(jié)論

以紹興重塑非飽和黏土為研究對象，采用雙壓力室全自動(dòng)非飽和土三軸儀，進(jìn)行控制基質(zhì)吸力與凈圍壓的三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，主要得出以下結(jié)論：

(1)基質(zhì)吸力與凈圍壓為常數(shù)時(shí)，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似雙曲線函數(shù)，主要表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型,基質(zhì)吸力越大，凈圍壓越大，土樣硬化特征越明顯，抗剪強(qiáng)度越大.紹興重塑非飽和黏土與杭州蕭山、寧波非飽和黏性土區(qū)別是其軸向應(yīng)變3%之前偏應(yīng)力增大較快，后期增幅逐漸減小.

(2)隨著基質(zhì)吸力的增大，試樣的黏聚力c值與有效內(nèi)摩擦角φ′值都有不同程度的增大，前者對基質(zhì)吸力的改變更加敏感.此外，根據(jù)雙變量抗剪強(qiáng)度理論得出與基質(zhì)吸力相關(guān)的內(nèi)摩擦角φb=16.12°.

(3)隨著凈圍壓與基質(zhì)吸力的增大，試樣體積應(yīng)變都有不同程度的增幅，且基質(zhì)吸力引起的體積應(yīng)變小于由凈圍壓引起的體積應(yīng)變，說明在重塑非飽和黏土中，對體積應(yīng)變影響更大的是作用于土骨架上的“凈法向應(yīng)力”.與合肥地區(qū)重塑非飽和黏土先剪縮后剪脹特性不同的是紹興地區(qū)非飽和黏土在三軸剪切過程中體變呈剪脹趨勢，無剪縮現(xiàn)象.

研究了解紹興重塑非飽和黏土三軸剪切特性，尤其是其硬化特性以及體積應(yīng)變規(guī)律，有助于我們正確認(rèn)識(shí)土體特性，并為紹興地區(qū)地基處理、基坑工程等設(shè)計(jì)施工土體參數(shù)選擇提供借鑒.