考虑固结路径影响的花岗岩残积土不排水剪切试验研究

刘　攀，周小文，何勇彬，赵仕威

(华南理工大学 a.土木与交通学院，b.亚热带建筑科学国家重点实验室， 广州　510640)

考虑固结路径影响的花岗岩残积土不排水剪切试验研究

刘攀a,b，周小文a,b，何勇彬a,b，赵仕威a,b

(华南理工大学 a.土木与交通学院，b.亚热带建筑科学国家重点实验室， 广州510640)

摘要：针对常规的等向固结剪切试验不能反映实际工程中复杂应力路径对土体力学特性的影响，采用GDS应力路径三轴仪，对华南地区广泛分布的花岗岩残积土进行了不同固结条件下的不排水剪切试验，探讨不同初始平均有效主应力与初始应力比ηc对其不排水特性的影响。结果表明：在初始应力比相同的情况下，初始平均有效主应力越大，花岗岩残积土的不排水剪切强度越大，破坏时的孔压也越大；在初始平均有效主应力相同的情况下，初始应力比越大，花岗岩残积土的不排水剪切强度越大，而破坏时的孔压越小。然而，e-p′-q三维空间中的临界状态线是唯一的，不受初始平均有效主应力和初始应力比影响。

关键词：花岗岩残积土；三轴试验；应力路径；临界状态线;三维空间

1研究背景

花岗岩在我国东南、华南以及香港地区广泛分布，这些地区由于受热带、亚热带季风气候的影响，使得花岗岩母岩在温暖、潮湿的环境下发生一系列物理化学风化作用，从而形成覆盖于母岩之上的花岗岩残积土[1]。这类土体未经搬运，具有高孔隙比、高强度、低密度和中低压缩性等特点，在上述地区大面积出露[2]。例如在广东省，花岗岩残积土出露面积约占全省陆地面积的40%[3]。因此，花岗岩残积土是华南地区常见的工程建设材料或岩土工程载体。然而，由于对花岗岩残积土认识不足，导致在每年的暴雨过程中都有大量花岗岩残积土边坡发生滑坡，许多城市建筑在遇到残积土地基时出现桩基承载力变异大和基坑失稳的现象，是华南地区主要的地质灾害。而且花岗岩风化壳的发育程度与所处的气候条件、地形地貌条件以及环境条件密切相关，使得华南地区的花岗岩残积土具有强烈的地域性与特殊性[4-6]。

目前关于花岗岩残积土的剪切变形、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特性，即通过对土体进行三轴等向固结后再轴向施加荷载进行剪切，分析剪切过程中的应力-应变关系特征与孔压变化规律[7-13]。然而实际工程中花岗岩残积土所受荷载条件十分复杂，等向固结条件下的不排水剪切特征无法反映工程现场花岗岩残积土在非等向固结条件下的强度特性以及孔压变化规律。本文采用GDS应力路径三轴仪，对深圳地区花岗岩残积土重塑样进行了不同固结条件下的不排水剪切试验，探讨了初始平均有效主应力与初始应力比对其不排水剪切特性的影响，以期通过试验成果的累积，建立针对花岗岩残积土特点的本构模型，为工程应用提供依据。

2试样与试验方案

2.1试样

花岗岩残积土土样取自深圳市福田区某一建筑基坑，取样深度11 m。土样主要呈肉红、黄褐、灰白等色，并夹杂着黑点。现场取样照片如图1所示。根据地质勘察报告，土体母岩为燕山晚期花岗岩。X射线衍射分析结果显示其主要矿物为长石和石英，次要矿物为黑云母、角闪石。根据《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)[14]表A.0.3的分类标准，该土样为残积土。

图1　现场取样Fig.1　In-situ soil sampling at the construction site

图2　颗分曲线Fig.2　Particle size distributionof tested soil

土样颗分曲线如图2所示，该土样包含11%砾石、45%砂粒、21%粉粒以及23%黏粒，不均匀系数Cu=100，曲率系数Cc=0.18。土粒密度Gs=2.6，天然含水率ω=19.35%，湿密度ρ=1.79 g/cm3，干密度ρd=1.50 g/cm3，天然孔隙比e=0.736。通过轻型击实试验得到土样最大干密度为1.65 g/cm3，对应最优含水率为22%。土样液限为40%，塑限为25.2%，塑性指数为14.8。根据粒径组成和塑性图可将土样定义为中液限黏性土。

表1　试验方案及各参数值

图3　固结应力路径Fig.3　Consolidation stress path of each testbefore undrained shearing

等向固结不排水剪切试验分为2个阶段：等向固结阶段和不排水剪切阶段，即首先将土样在预定围压下固结至超静孔压完全消散，然后在不排水条件下进行剪切。剪切速率为0.015 2 mm/min。

每个试样在固结前都进行了反压饱和：围压与反压同时以50 kPa/h的速率加载到200 kPa，稳压1 h。经B值检测，反压饱和后所有试样饱和度都在0.98以上。

3试验结果与分析

3.1应力-应变关系特征与孔压变化规律

试样CU125r，PU125-0.2，PU125-0.5在剪切过程中(包括等p′阶段和不排水剪切阶段)的偏应力q、超静孔压u与轴向应变εa的关系曲线如图4所示，图中实心点表示不排水剪切起始时的应力状态。

图4　CU125r，PU125-0.2，PU125-0.5试验结果Fig.4　Test results of sample CU125r, PU125-0.2,and PU125-0.5

由图4(a)可见，在轴向应变较小时，各试验偏应力值接近，曲线相互重叠在一起。当应变超过2%之后3条曲线开始分离直到各自达到稳定状态，稳定状态时的偏应力值(不排水剪切强度)PU125-0.5>PU125-0.2>CU125r。从图4(b)中可以看出，CU125r由于在等向固结完成后直接进入不排水剪切阶段，没有经历等p′阶段，故剪切一开始就产生了超静孔压。PU125-0.2在125 kPa围压下固结完成后，在等p′阶段中处于排水状态，没有产生超静孔压，直到轴向应变达到0.3%时，偏应力为25 kPa，然后开始不排水剪切。试样PU125-0.5的试验过程与PU125-0.2类似，不同的是PU125-0.5在不排水剪切起始时的初始应力比为0.5，对应的偏应力为62.5 kPa，相应的轴向应变为1.1%，稍大于PU125-0.2不排水剪切起始时的轴向应变。当轴向应变>5%时，各试验超静孔压趋于稳定，其值PU125-0.5

图5　CU225r，PU225-0.2，PU225-0.5试验结果Fig.5　Test results of sample CU225r, PU225-0.2,and PU225-0.5

图6　CU350r，PU350-0.2，PU350-0.5试验结果Fig.6　Test results of sample CU350r, PU350-0.2,and PU350-0.5

从以上3组试验结果可以看出，初始平均有效主应力与初始应力比对重塑花岗岩残积土在不排水剪切过程中的应力-应变关系特征以及孔压变化规律都有影响。在初始应力比相同的情况下，初始平均有效主应力越大，土体不排水剪切强度越大(例如CU350r>CU225r>CU125r)，破坏时的孔压也越大；在初始平均有效主应力相同的情况下，初始应力比越大，土体不排水剪切强度越大(例如PU225-0.5>PU225-0.2>CU225r)，而破坏时的孔压越小。

3.2临界状态量

各试验不排水剪切起始时与临界状态时的孔隙比e与平均有效主应力p′的关系如图7所示。图中空心圆点表示各试验不排水剪切起始时的状态，实心圆点表示临界状态。

图7　e-lgp′平面上临界状态线Fig.7　Critical state line in the e-logp′ plane

从图7可以看出，各试验等向固结完成时的孔隙比e与相应的平均有效主应力p′在图中大致呈线性关系，即重塑土正常固结线，可表示为

e=-0.164 4lgp′+0.995 7。

(1)

从图7中还可以看出，偏压固结过程中土体平均有效主应力保持不变，孔隙比减小；偏压固结完成时初始应力比越大，相应的孔隙比越小。这就说明了在平均有效主应力相同的情况下，偏压固结过程中土体所受偏应力使得土体变得更加密实，从而提高了土体不排水剪切强度，同时，减小了土体在不排水剪切过程中的体缩趋势，降低了破坏时的孔压。

在不排水剪切过程中，土体孔隙比保持不变，平均有效主应力减小直到临界状态。各试验达到临界状态时的孔隙比与相应的平均有效主应力也基本呈线性关系，线性拟合结果可表示为

(2)

可以看出，e-lgp′平面上，临界状态线与正常固结线在平均有效主应力低于300 kPa时是平行的。Lee等[8]在高围压下对重塑花岗岩残积土进行常规三轴试验也得到了相同的结果。

各试验有效应力路径在p′-q坐标系中的关系如图8所示。

图8　各试验有效应力路径Fig.8　Effective stress path of each test

从图8中可以看出，对于不同的固结状态，土体不排水剪切应力路径不同，但都在同一条线上到达临界状态，即临界状态线，可表示为

(3)

从以上结果可以看出，在不同的初始平均有效主应力与初始应力比下对土体进行不排水剪切，无论是在e-lgp′坐标系下，还是在q-p′坐标系下，都对应着唯一的一条临界状态线。这说明，对于本文花岗岩残积土而言，三维空间e-p′-q中的临界状态线是唯一的，不受初始平均有效主应力与初始应力比的影响。然而，由于本文花岗岩残积土粗颗粒含量较高(11%砾石以及45%砂粒)，可能会在高应力水平下(p′≥1 000 kPa)出现颗粒破碎的现象，从而导致临界状态线呈现非线性或者多段线性，这值得进一步的试验研究与讨论。

4结论

本文采用GDS应力路径三轴仪，对重塑花岗岩残积土进行了不同固结条件下的不排水剪切试验，基于试验结果与分析，得出以下几点认识：

(1) 重塑花岗岩残积土不排水剪切特性与初始平均有效主应力和初始应力比有关。在初始应力比相同的情况下，初始平均有效主应力越大，土体不排水剪切强度越大，破坏时的孔压也越大；在初始平均有效主应力相同的情况下，初始应力比越大，土体不排水剪切强度越大，破坏时的孔压越小。

(2) 偏压固结会导致土体在保持平均有效主应力不变的情况下，孔隙比减小，使得土体变得密实，从而提高不排水剪切强度，降低破坏时的孔压。

(3) 对于本文重塑花岗岩残积土而言，在e-p′-q三维空间中的临界状态线是唯一的，不受初始平均有效主应力和初始应力比影响。

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[14]GB50021—2001，岩土工程勘察规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社, 2001.

(编辑：赵卫兵)

LIU Pan1,2, ZHOU Xiao-wen1,2, HE Yong-bin1,2, ZHAO Shi-wei1,2

(1.School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology,

Guangzhou510640, China; 2.State Key Laboratory of Subtropical Building Science,

South China University of Technology, Guangzhou510640, China)

Experimental Study on Undrained Shear Behavior of Granite ResidualSoil under Various Consolidation Stress Paths

Abstract:In engineering practice, conventional triaxial tests under isotropically consolidated conditions cannot reflect the effects of various stress paths on the mechanical behavior of granite residual soil which is widely distributed in south China. To investigate the influence of the initial mean effective stress and the initial stress ratio ηc on the undrained shear behavior of reconstituted granite residual soil, a series of triaxial tests under different consolidated conditions were conducted on the GDS triaxial apparatus. The test results revealed that both the initial mean effective stress and the initial stress ratio have effects on the undrained shear behavior. It was found that, for the granite residual soil in this study, under the same initial stress ratio, there would be an increase of undrained shear strength and excess pore water pressure with a higher initial mean effective stress. Besides, under the same initial mean effective stress, the higher the initial stress ratio is, the higher the undrained shear strength and the lower the excess pore water pressure would be. However, a unique critical state line can be postulated in e-p′-q space, regardless of the various initial mean effective stress and initial stress ratio.

Key words:granite residual soil; triaxial test; stress path; critical state line； 3-D space

收稿日期：2015-03-09；修回日期：2015-04-04

基金项目：国家自然科学基金项目(51109083)；华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室自主课题 (2013ZC04)

作者简介：刘攀(1991-)，男，江西吉安人，博士研究生，主要从事土的基本性质及岩土工程问题等方面的研究，(电话) 13427570305(电子信箱)panliu2013@126.com。 通讯作者：周小文(1965-)，男，江西吉安人，教授，博士，主要从事土的基本性质及岩土工程问题等方面的研究，(电话) 020-87114373(电子信箱)xwzhou@scut.edu.cn。

doi:10.11988/ckyyb.20150166

中图分类号：TU411

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)06-0070-05

2016,33(06):70-74