考虑固结路径影响的天然沉积土不排水剪切试验研究

曾玲玲 洪振舜 刘松玉

(1福州大学土木工程学院，福州350108)

(2东南大学岩土工程研究所，南京210096)

天然沉积软黏土剪切过程中所表现的应力-应变及有效应力性状，对于解释天然沉积软黏土强度特性及其地基稳定性分析中参数的选择有着重要的意义［1-2］.目前关于天然沉积土的剪切变形、破坏及强度性状的试验研究主要集中在三轴等向固结剪切性状，通过对土体进行等向固结后再施加轴向应力进行剪切，分析剪切时所表现的应力-应变关系特征、破坏特征，以及不排水条件下剪切过程所表现的孔压变化规律和有效应力性状［1-7］.然而实际工程中面对的天然沉积黏性土在沉积过程中形成的结构性和各向异性［8-10］，造成其屈服特性和不排水剪切特性必然与固结路径有关，等向固结条件的不排水剪切特征无法反映实际工程中天然沉积土非等向固结条件下的剪切变形及屈服性状.本文通过GDS应力路径三轴试验，对连云港天然沉积结构性软黏土进行了不同固结条件后的不排水剪切试验研究，探讨了结构性土的固有各向异性和不等向固结诱发的各向异性对土体结构屈服前后不排水剪切特性的影响.

1 试样及试验方案

1.1 试样

原状样取自连云港—临沂高速公路连云港段工地K50附近，采用薄壁取土器获得地表以下8 m处的不扰动试样，取样地点地下水深0.5 m，有效上覆压力为57.6 kPa.表1为试样的物理指标，其中，w为天然含水率;γ为天然重度;e0为天然孔隙比;wL为液限;wp为塑限.根据粒径组成和塑性图可以得出试样为高液限黏土.

表1 试样的物理指标

1.2 固结不排水剪切试验方案

为研究天然沉积土在结构屈服前后的等向固结不排水剪切特性，以及结构屈服后由于不等向固结引发的各向异性对土体不排水剪切特性的影响，对试样进行不同固结压力下的等向固结不排水剪切试验CIU和不同应力比η(η=Δq/Δp，剪应力q=σ1－σ3，平均应力 p=(σ1+2σ3)/3，σ1为轴压，σ3为围压)下的偏压固结不排水剪切试验CAU.其中等向固结过程设定瞬时加上所需的固结压力，待孔压完全消散后进行不排水剪切试验;偏压固结加载过程设定平均应力的加载速率为0.1 kPa/min，使得压缩过程中土体底部产生的孔隙水压力ub≤1 kPa，以控制有效应力沿着所设定的应力固结路径进行.剪切过程均采用0.07 mm/min的轴向位移剪切速率，具体试验方案如表2所示.

表2 固结不排水剪切试验方案

2 天然沉积土不同应力路径下的压缩特性

图1为文献［11］通过GDS应力路径三轴仪进行不同应力路径固结压缩试验得到的体应变εv与平均有效应力p'(体应力)的关系图.由于固结过程中剪应力增量加大了对土体结构破坏的同时也增大了土体的体应力，使得不同应力路径下天然沉积结构性土的平均结构屈服应力py和结构屈服后的压缩性参数λ(λ为v-lgp'关系的斜率，v为比体积)先随应力比的增大而增大，达到最大值后又随着应力比的进一步增大而减小，结果如图1所示.天然沉积土在固结过程中由于受结构性屈服和剪应力的影响形成了新的各向异性，并进一步影响后续的不排水剪切性状.

图1 不同应力路径压缩过程体应变-平均有效应力关系图

3 不同固结路径下天然沉积土的不排水剪切特性

3.1 剪应力-轴向应变关系

不同压力等向固结后的不排水剪切试验过程的轴向应变εa与剪应力关系如图2所示.由图可见，当固结压力明显小于结构屈服压力(25，40，50 kPa)时，剪应力-轴向应变关系呈现软化特性，存在明显的峰值强度，且峰值强度区别不大;当固结压力达到结构屈服压力后，软化现象不明显;当固结压力小于300 kPa后，剪应力-轴向应变关系基本呈硬化规律，这种规律与天然沉积正常固结黏土剪切过程的应力-应变关系一致，但固结压力达到300 kPa时，土体在剪切过程中剪应力在应变为5%时达到峰值，并维持至8%后剪应力又随着应变的发展呈现下降趋势.文献［12］也描述了围压较大时产生的应力-应变关系曲线呈现峰值并且随应变的发展呈下降的现象，但没有给出解释.造成该现象的原因可能是由于较大的围压产生了较大的体应变，上下透水石的端面约束使得试样变形不均匀，从而导致剪切应力在应变较大时呈现减小的趋势.在相同平均应力下，图3对比了等向固结后和偏压固结后剪切阶段的剪应力-轴向应变关系，其中pc0表示固结过程所设定的平均固结应力，这里仅考虑由于固结过程剪应力引起的各向异性对剪切性状的影响，因此试验偏压固结过程所设定的平均固结压力均大于土体的平均屈服固结压力.从图3的结果看出，虽然固结过程的平均固结应力相同，但固结后剪切过程的应力-应变关系会因固结过程偏应力的存在产生差异，固结过程偏应力的存在会导致峰值强度更大，且在较小的应变内达到峰值强度点.

图2 等向固结的剪应力-轴向应变关系曲线

图3 等向固结与偏压固结后的剪应力-轴向应变关系

3.2 强度特性

不同压力等向固结后剪切阶段的(σ1－σ3)/2与(σ1+σ3)/2的总应力路径及总应力强度包线Kf线如图4所示.图中结果显示:总应力包线分为2个直线段，试样在压力为25，40，50 kPa下的不排水抗剪强度基本与固结应力水平无关，强度包线近似于水平直线，此时土体未发生结构屈服;当等向固结压力pc0≥100 kPa后，土体已发生结构屈服，土体的不排水抗剪强度随着固结压力的增大而增大，可以得到试样的总应力强度指标为φ=12.1°.将图4中土体屈服前、后2条总应力强度包线的交点沿45°左下方向延伸与x轴的交点，得到(σ1+σ3)/2=62 kPa，而等向固结中(σ1+σ3)/2即为平均应力p，也就是土体等向结构固结屈服压力py=62 kPa.图5为等向固结和偏压固结后的不排水剪切总应力强度包线.由图中结果可以看出，固结过程偏应力的存在提高了土体的总应力强度指标，偏压固结试验中不同固结路径终点的剪应力均控制为75 kPa，在这种条件下，其总应力强度包线近似于直线，并相对于等向固结得到的总应力强度包线平行上移，而黏聚力c值相应增大.

图4 CIU试验的总应力强度包线

图5 CIU与CAU试验的总应力剪切强度对比

3.3 有效应力路径变化规律

不同等向固结压力后剪切过程的q-p'有效应力路径以及临界状态M线如图6所示.图中结果显示:当等向固结压力pc0＜py时，土体的有效应力路径性状明显不同于结构屈服后的性状，结构屈服前等向固结后剪切过程的有效应力路径在到达临界状态线时并未发生偏转，有效应力路径靠近屈服面右侧时屈服后向左偏转，而在较小的固结压力下屈服后则是向右偏转或瞬间朝正下方偏转的，从而使得不同的有效应力路径在屈服面内形成包络线.当等向固结压力pc0＞py时，不同等向固结压力下剪切过程的有效应力路径具有相似的形状，即孔压的变化规律是相似的，有效应力强度随着固结压力的增大而增大.可以得到结构屈服后试样的临界状态线指标M=1.03，有效应力路径在达到最大剪应力强度后逐渐沿着强度包线的方向下移.

图6 CIU试验的有效应力路径及有效应力强度包线

Leroueil等［13］指出，天然沉积地基土在施工过程中的有效应力路径受土体结构性、超固结度、渗透特性、排水路径以及加载速率等因素影响.对于相同的试样，室内固结不排水剪切试验中由于剪切阶段孔隙水压力变化受土体固结阶段加载的荷载大小及加载路径影响，得到的有效应力路径形状并不相同.等向固结过程中，不同固结压力将形成大小不同的屈服面，且对这些屈服面可以进行归一化处理，将不同固结压力下剪切阶段的平均有效应力与平均固结压力pc0的比值作为横坐标，将剪切阶段的剪应力与平均固结压力pc0的比值作为纵坐标，便能对修正剑桥模型所假定的不同等向固结压力下的初始屈服面(initial yield curve)与剪切过程有效应力路径的关系进行归一化处理，如图7所示.由图7结果可以看出，当固结压力大于屈服压力后，不同固结压力下剪切过程有效应力路径形状与屈服面的形状具有一定的相似性.Eigenbrod等［1］指出对于正常固结土，在不排水剪切过程中不产生体应变，使得弹性体变膨胀必须与塑性体变相平衡，由此产生土体硬化，屈服面扩大，即图7中的扩展屈服面(expanded yield curve)，从而导致不排水剪切过程中的有效应力路径将偏离初始屈服面向外扩展.从图7的结果看出，固结压力越小，有效应力路径向外偏离初始屈服面的程度越大，即不排水剪切阶段屈服面发展的程度越大.固结压力小于100 kPa时，剪切过程的屈服面发展为初始状态屈服面的1.5倍左右，而小于300 kPa时仅为1.1倍左右.当固结压力小于屈服压力时，土体的屈服面应决定于结构屈服压力而非当前的固结压力.图7中若将其剪切过程的平均有效应力和剪应力分别与结构屈服压力py的比值作为横坐标和纵坐标，则发现在25，40和50 kPa固结压力下剪切过程的有效应力路径变化规律与固结压力大于100 kPa后的有效应力路径变化规律存在较大区别，且与归一化屈服面的形状无明显相关性.

图7 归一化有效应力路径与屈服面的关系

土体偏压固结后剪切过程的q-p'有效应力路径如图8所示.图5的结果表明，等向固结和偏压固结后的总应力强度包线近似平行，若假设等向固结和偏压固结后剪切过程的有效应力路径形状也相同，那么两者的有效应力强度包线也应平行.然而从图8的结果可以看出，偏压固结后有效应力路径的峰值强度点并未落在等向固结临界状态CIU的M线上，而图6中等向固结后剪切过程的有效应力路径中的剪应力峰值点明显，在土体结构屈服后剪切过程有效应力路径便沿着M线下滑.与等向固结后的有效应力路径形状不同的是，偏压固结后剪切过程的有效应力路径拐点并非为剪应力峰值点，有效应力路径偏拐后，随着孔压的增大平均有效应力减小，剪应力缓慢增大至峰值后逐渐减小，有效应力路径逐渐向CIU试验得到的临界状态M线逼近.由此可以得出，偏压固结后剪切过程的有效应力路径相对于等向固结发生了明显偏转.

图8 偏压固结后剪切过程有效应力路径

4 结论

1)等向固结不排水剪切阶段的应力-应变关系曲线特征受土体的结构屈服压力和固结压力影响，结构屈服前后的曲线特征不同.固结压力小于屈服压力时，剪切过程的应力-应变关系呈现一定的软化现象，且峰值强度区别不大;固结压力大于屈服压力后，峰值强度随应力的增大而增大.

2)当固结过程存在剪应力时，相同平均有效固结应力下剪切阶段的应力-应变关系曲线的峰值强度增大，土体的总应力强度指标提高.若控制固结压力终值的剪应力相同，则偏压固结的强度包线相对于等向固结平行上移，黏聚力c值相应增大.

3)在等向固结中，当固结压力大于屈服压力时，剪切过程的有效应力路径形状与屈服面的形状具有一定的相似性，且固结压力越大，不排水剪切过程有效应力路径偏离初始屈服面的程度越小，土体在屈服破坏后有效应力路径沿着临界状态线下滑，且存在明显的剪应力峰值点.

4)偏压固结后剪切过程有效应力路径拐点并非为剪应力峰值点.相对于等向固结后，剪切过程的有效应力路径发生了明显的偏转.

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