重塑黏土侧向应力变化的试验研究

陈龙飞， 王国体

（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009）

0 引 言

土体的侧向应力状态决定了挡土结构物上的土压力分布、工程造价、安全可靠程度等。如计算挡土结构的静止侧向土压力时所需要的参数即静止土压力系数K0的确定就存在着一些问题，长期以来，人们遵循的是实践—总结—提高的路径，用半经验半理论的方法，解决工程实践中碰到的问题，并且还未完全从“必然”向“自由”的境界过渡［1］。已有的一些确定静止土压力系数的方法与研究成果［2－6］，很少涉及土的历史成因以及形成条件对静止土压力系数的影响。本文从重塑的角度出发，通过加载过程，分析土体在不同含水量的固结过程中是否排水，比较土体的侧向应力状况，所得结果有助于以后的土体侧向应力状况的研究，尤其是基坑开挖和高路堤填筑中的支护结构物的设计等。

1 试验方案与仪器

1.1 试验土料

重塑土从属于扰动土的土体基本性状，结构上与原状土的土体完全不同［7］。本试验土样采用合肥市某地地下3 m处的黏土，其基本物理性质见表1所列。土样经风干、碾碎后过0.5 mm标准筛，得到松散土颗粒，加过量水调制成流体状，根据需要风干至所需含水率后将土样装入保鲜袋储存备用。本试验过程中的土样：高含水量代表43%含水率，低含水量代表32%含水率。

表1 土样的基本物理性质指标

1.2 试验仪器

试验采用GJY K0固结仪，如图1、图2所示。改装后的固结仪压力传感器的读数有些滞后，水介质有一定的压缩性、固结仪中的橡胶圈并非是完全刚性材料，这些都会造成试验误差。

图1 GJY K 0固结仪

图2 传感器接收装置

为减少误差，采取的措施主要有：

（1）用气体溶解度较低的蒸馏水代替自来水作为K0固结仪中的压力传递介质。

（2）数据采集前将仪器提前开启30 min防止电子仪器温度影响。

（3）由于存在系统误差，须对数据进行必要的修正，测定值为理论值的95%。

1.3 试验方案

采用黏土进行试验研究，主要是因为黏土在我国有很广的分布，实际工程与黏土联系十分紧密，更能接近实际；而且黏土所体现出来的黏聚力、低渗透性等一些特性是非黏性土所不具备的。

将制备好的土料装入不透水乳胶模，塑成圆柱状试样（土体与乳胶膜的整体），然后装入K0固结仪中，根据固结过程中土体排水与否来决定试样两端是否密封（不排水情况为乳胶膜密封；排水情况为乳胶膜两端部剪开并放置滤纸及透水石）。此后在荷载为零的情况下，向K0固结仪的橡胶圈内注入蒸馏水，记录初始侧压力与初始竖直读数后分级加载，记录加载过程中侧向应力与竖直高度的变化情况。考虑到工程实际情况以及既有的试验规范，荷载分级为：50、100、200、300、400 kPa。

为保证侧向应力值的及时和准确性，同时为使试验数据能够较好地反映土体应力状态的变化情况，试验过程中加大了数据采集的密度，尤其是变载后，1 h需记录4到5次数据，其余采集周期为2 h。参考现有的固结实验规范，施加每级荷载后24 h测定试样的高度变化，每小时变形达0.01 mm时，测定试样高度变化作为稳定标准［8］，同时要求侧向应力每小时变化小于1 k Pa，即可认为土体在该级荷载下稳定，可进行下一级加载。

为保证研究的系统性，本试验主要进行以下4组试验：高含水量不排水试验、高含水量排水试验、低含水量不排水试验、低含水量排水试验。为确保试验准确性与可靠性，每组试验进行2次平行试验。

本试验主要在含水量不同以及固结过程土体是否排水等情况下进行如下分析：

（1）在各级荷载作用下侧应力系数的变化特征。

（2）各级荷载下固结完成时，侧应力系数与土体饱和度和排水条件的关系。

2 实验结果分析

2.1 各级荷载下侧应力系数的变化

土体中任意点的应力满足：

其中，σ为土体总应力；σ′为土体的有效应力；u为孔隙压力。当土体非完全饱和时，孔隙压力等于孔隙水压力与孔隙气压力之和；当土体完全饱和时，孔隙压力等于孔隙水压力。

由于采用分级加载，所以（1）式应转变为增量形式，即

其中，Δσ为加载引起的总应力增量；Δσ′为加载引起的有效应力增量；Δu为加载引起的孔隙压力增量。

根据已有的土的固结理论［9］，分析荷载对土体作用如下：

（1）土体排水情况。土体受载瞬间，Δσ全部由Δu承担，对于非完全饱和土，土中气体具有很高的压缩性，由于孔隙气体压力的作用，一部分要从土体中排出，未排出的气体在压力作用下体积发生变化，而且还有一定量的气体要溶解于水中，Δu逐渐减小，Δσ′逐渐增加；对于完全饱和土，孔隙水逐渐渗出，Δu逐渐消散为0，Δσ′逐渐增加并最终等于Δσ。2种情况下，有效应力均增加，土体固结。

（2）土体不排水情况。土体受载瞬间，Δσ全部由Δu承担，对于非完全饱和土，土中气体在孔隙气体压力作用下体积发生变化，并且还有一定量的气体要溶解于水中，Δu逐渐减小，Δσ′逐渐增大，土体固结沉降，并且随着荷载的增大，饱和度Sr越来越大，Δu的减小量与Δσ′的增加量越来越小，土体的固结沉降量也越来越小；对于完全饱和土，孔隙水无法渗出，Δu无法降低，Δσ′不会增加，土体不会固结。

由（1）式可知，总应力为有效应力与孔隙压力之和，但是涉及不饱和土体的孔隙压力无法测定，所以在侧应力系数的计算时无法采用毕肖普采用的有效应力定义求解，须采用太沙基用总应力来计算，鉴于重塑土体要经历加载过程，为了克服由于应力变化而引起的侧向变化，侧应力系数K可以定义为增量的形式，即

其中，Δσh为土样侧向应力增量；Δσv为土样竖直应力增量，等于荷载增量Δσ。

排水情况下，在各级竖直荷载作用下，K随时间的变化曲线如图3所示。K在加载后快速增加至峰值然后缓慢降低至稳定值，并且K达到稳定值与土体固结完成是同步完成的。土体在排水条件下，在固结过程中无论饱和土或者非饱和土，空隙压力增量Δu都会先增加然后逐渐消散，有效应力逐渐增加。所以在排水情况下，K的变化过程与空隙压力增量Δu的变化过程是一致的。

不排水情况下，在各级竖直荷载作用下，K随时间的变化曲线如图4所示，K在加载后先增加后降低，并且随着荷载的增加，K变化的峰值与稳定值之差越来越小并最终趋近于0。在不排水的情况下，气体随着荷载的增加体积不断减小，水的体积保持不变，饱和度不断增加，最终土体达到完全饱和状态，因此，孔隙压力减小量逐渐减小并最终趋近于0。同样，在不排水情况下K的变化过程与空隙压力增量Δu的变化过程是一致的。

综上所述，加载作用下，侧应力系数K的变化过程是与孔隙压力增量Δu的变化过程是一致的。

图3 排水情况下侧应力系数K在各级荷载下的变化曲线

图4 不排水情况下侧应力系数K在各级荷载下的变化曲线

2.2 土体固结完成时的侧应力系数特征

土体在各级荷载作用下固结稳定后的饱和度Sr计算公式可变形为：

其中，VW为孔隙水体积；VV为孔隙体积；ds为土颗粒比重；ω为土体含水量；ρ为土体密度；ρw为水密度。

土体密度ρ计算公式为

其中，m为在该级荷载下土体的质量；V为在该级荷载下土体的体积。

考虑到仪器由于侧压作用引起的变形，土体体积相应增大，故应修正为：

其中，S为土体未加载时截面面积；h为土体在该级荷载下稳定时的高度；ΔσH为土体在该级荷载下稳定时的侧向应力与未加载时的侧向应力之差；a为单位侧向应力引起的体积变化。

把（5）式、（6）式代入（4）式，可得：

其中，ds＝2.73，ρw＝1.0 g／cm3，a＝4.5× 10－7cm3／k Pa，S＝30 cm2。

在土体不排水情况下，在利用（7）式计算饱和度Sr时，土体的含水量ω、质量m保持不变，只须将各级荷载下稳定时的h与ΔσH代入计算。

在土体排水情况下，可假设土体在未达到完全饱和时，只有气体排出，土体含水量ω和质量m不变，仍可按（7）式计算Sr，直至计算的Sr值大于等于100%，即可取Sr＝100%。

排水条件不同、含水量不同情况下，侧应力系数K与饱和度Sr的关系如图5所示，在不排水情况下，K与Sr呈正比例线性关系，并且当Sr趋近于100%时，K趋近于1.0；在排水情况下，K与Sr同样呈正比例线性关系，但是当Sr趋近于100%时，K趋近于0.50。

图5 侧应力系数K与饱和度S r的关系

在不排水条件下，随着荷载的增加，土中气体不断被压缩，饱和度不断增加，直至土体完全饱和，此时根据（2）式进行分析，土体应力满足Δσ′＝0与Δu＝Δσ，而且此时孔隙水具有各向同异性即ΔσH＝Δu，则K＝Δσh／Δσv＝Δu／Δσ＝1.00。

在排水情况下，随着荷载的增加，饱和度不断增加，直至土样完全饱和，此时土体满足太沙基固结理论，可利用有效内摩擦角φ′计算：

其中，有效内摩擦角根据试样直剪试验得出为30°，计算得K0＝0.50，与试验结果比较吻合。

综上所述，土体在完成时，侧应力系数K与饱和度Sr呈正比例线性关系；最终当土体达到完全饱和时，不排水条件下K趋近于1.00，排水条件下K约为0.50。

3 结 论

本文通过对重塑黏土在加载过程中的侧向应力状态的试验研究，主要得出以下结论：

（1）加载情况下，侧应力系数的变化过程与空隙压力增量的变化过程一致。

（2）土体在固结稳定时，侧应力系数与饱和度呈正比例线性关系。

（3）加载过程中，侧应力系数随荷载增大而增大，直至土体完全饱和为定值。

（4）本试验结果与现有的理论和研究成果吻合。因试验周期较短，只能作出定性分析，未能作出定量分析，而且未进行卸载试验，这将是下一步研究的方向。

试验数据源于国家大学生创新试验项目（101035929），感谢参加本次试验人员：姚胜杰、江楹、何杰。

［1］ 李作勤.影响黏土静止侧压力的一些问题［J］.岩土力学，1995，16（1）：9－16.

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［7］ 聂良佐.重塑土物理力学特性试验参数的影响因素分析［J］.实验技术与管理，2007，24（12）：30－47.

［8］ GB／T 50123－1999，土工试验方法标准［S］.

［9］ 卢廷浩，刘祖德，陈国兴，等.高等土力学［M］.北京：机械工业出版社，2006：37－77.