饱和粉土变形特性三轴试验

2017-11-14宋丹青张洪瑞冯兴波

河南科技大学学报(自然科学版) 2017年1期

关键词：制样粉土主应力

宋丹青，张洪瑞，冯兴波

(1.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200030；2.郑州大学土木工程学院，河南郑州 450001)

饱和粉土变形特性三轴试验

宋丹青1，张洪瑞2，冯兴波1

(1.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200030；2.郑州大学土木工程学院，河南郑州 450001)

对取自南京市某拟建高速公路路基的粉土，在室内按不同的干密度和含水率进行了试样重塑。按不同干密度和不同初始制样含水率进行饱和三轴固结排水剪切试验，测得不同围压条件下的固结排水剪应力-应变曲线以及有效应力比曲线形态等工程特性。分析了粉土干密度、初始制样含水率和围压对饱和粉土强度的影响。试验结果表明：粉土的强度随干密度的增加而变大，随围压增大而增加；初始制样含水率对粉土的强度有不同程度的影响；粉土的应力应变表现为弱应变软化型。

粉土；干密度；含水率；三轴试验

0　引言

《岩土工程勘察规范》[1]规定：粒径大于0.075 mm，颗粒含量等于或小于总质量的50%，塑性指数小于或等于10的土，称之为粉土。由于粉土的工程性质较为复杂，与黏性土和砂土相比，粉土颗粒与水的相互作用具有明显区别，主要表现出“粉粒”的特征，其工程性质随着颗粒组成的不同表现为转折性变化[2]。

目前,许多学者针对粉土进行了研究。文献[2]通过不固结不排水三轴剪切试验和固结不排水三轴剪切试验，对变龄期和变掺量条件下粉土及稳定土的强度和变形特性进行了研究。文献[3]研究了液化程度和干密度对粉土液化后变形特性的影响，并考虑试验动加载前不规则动加载和小幅预振对粉土液化后变形特性的影响。文献[4]分析了粉土细粒含量和干密度对饱和粉土抗液化强度的影响。文献[5]分析了动应力比、饱和度及固结围压对非饱和粉土动力液化特性、强度特性及孔压特性的影响。文献[6]使用吸力可测或可控的非饱和土振动三轴试验仪，对饱和及非饱和粉土进行了动力变形试验，在不同初始含水率和净围压应力的条件下，得到了非饱和粉土及饱和粉土试样的动应力应变骨架曲线、阻尼比和动弹性模量。文献[7-8]研究了黏粒含量对粉土的若干动力性质和抗液化强度的影响。文献[9]采用多功能静动液压剪切仪进行了室内动力循环试验，分析了饱和重塑粉质土孔压变化规律。文献[10]利用“土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪”，研究了初始成样含水率和初始主应力方向对粉土孔隙水压力变化、应力-应变关系和有效应力路径等的影响。

但是，由于粉土原状样难以获取、易扰动、花费大，室内没有如砂土和黏性土的比较成熟的制样技术，导致制样费时费力，难度较大[11-12]，针对粉土进行的室内研究有待加强。本文采用SJ-IA.G型三轴剪力仪,对南京地区某拟建高速公路路基的粉土进行饱和三轴固结排水试验，研究了干密度、围压和初始制样含水率对粉土强度的影响。

1　试验方案

本试验选用材料为粉土，土样取自南京市某拟建高速公路的路基。粉土的物理指标为：取土深度15 m，天然重度γ=18.5 kN·m-3，塑限wp=19.4%，压缩模量Es=7.9 MPa。

本试验使用SJ-IA.G型三轴剪力仪，针对不同干密度、围压及初始制样含水率下的粉土进行了饱和固结排水试验。试样制备方法如下：首先，测定均匀拌和后的粉土含水率(质量分数，下同)，将含水率控制为4个初始含水率10%、12%、14%和16%，按照不同的干密度(1.5 g/cm3、1.6 g/cm3和1.7 g/cm3)在试样对开模中分5层击实，使每层质量相同，每装一层用击锤轻压使其接触密实；然后，把接触面轻微刮擦一下，使每两层接触紧密，以免造成装样分层现象，制成直径为39.1 mm、高度为80.0 mm的试样。试样制备完成后将其放在室内进行养护，龄期3 d后将其从试样模中取出，并准确测量试样的高度、直径及质量。

饱和粉土固结排水试验方法如下：将粉土试样放入真空饱和装置，开启真空泵进行抽气饱和。试样充分饱和是本试验的关键。在试样抽气饱和12 h后，将其取出放置于三轴仪内，设置围压后打开围压阀，关闭反压阀及排水阀进行固结。待试样固结12 h后开始试验，采用TSW-5土工试验数据采集系统对试验数据进行采集。

2　试验结果与分析

2.1干密度对粉土试样强度的影响

图1　龄期3 d、围压100 kPa时，不同干密度粉土的应力-应变曲线

绘制龄期3 d、围压100 kPa条件下，粉土干密度分别为1.5 g/cm3、1.6 g/cm3和1.7 g/cm3时的应力-应变曲线，如图1所示。由图1可知：随着干密度的增加，相同龄期条件下，不同干密度粉土试样的应力-应变关系基本上表现为弱应变软化型。不同干密度的粉土强度不同，干密度1.5 g/cm3时的主应力差峰值约为700 kPa，干密度1.6 g/cm3时的主应力差峰值约为950 kPa，干密度1.7 g/cm3时的主应力差峰值约为1 100 kPa。由此可以看出：粉土的强度随着干密度的增加表现为增大趋势。这与颗粒间的微观结构有关，由于粒径0.25 mm内的粉土颗粒较为单一，导致颗粒间的孔隙较大。随着试样的干密度增加，试样变得更为密实，围压使孔隙体积产生压缩，同时还改变了粉土颗粒的微观结构，使颗粒间排列更加紧密，颗粒骨架更加坚硬，抵抗外部荷载变形的能力有较大幅度的提高，进而导致其抗剪强度也随之增大[13-14]。试样密实(干密度1.6 g/cm3和1.7 g/cm3)条件下，达到最大轴向承载力时，粉土试样的微观结构发生破坏，使骨架发生破坏，导致骨架的承载力开始降低，宏观表现为试样的弱应变软化特性。

2.2围压对粉土试样强度的影响

图2　龄期3 d、干密度1.5 g/cm3、初始制样含水率16%时，不同围压的应力-应变曲线

以初始制样含水率16%、干密度1.5 g/cm3、龄期3 d的粉土试样为例，绘制不同围压(100 kPa、200 kPa和300 kPa)下粉土试样的应力-应变曲线，如图2所示。由图2可知：随着围压增大，主应力差的峰值随之增大，主应力差相同时相应的应变越小。随着围压的增大，主应力差的峰值对应的应变随之增大。围压100 kPa和200 kPa时，主应力差峰值对应的应变约为2.5%；围压300 kPa时，主应力差峰值对应的应变约为1.5%。主要原因为：材料在剪切之前，围压愈大，压缩量愈大，相对密实度愈大，颗粒之间的咬合能力及抗剪切变形能力愈强，变形模量愈大。

围压与粉土试样的应力-应变具有相关关系。围压100 kPa和300 kPa时，干密度1.5 g/cm3的粉土试样表现出应变软化特性，试样破坏后强度表现为先缓慢下降，再逐渐趋于稳定；但是，围压200 kPa时，粉土试样破坏后强度基本逐渐趋于稳定。相同干密度条件下，随着围压的增加，主应力差峰值越大，其强度也表现为增大趋势。

2.3初始制样含水率对粉土试样强度的影响

初始制样含水率与粉土的强度具有相关关系，以龄期3 d、围压100 kPa时干密度1.5 g/cm3的粉土试样为例，绘制在不同初始制样含水率(10%、12%、14%和16%)的主应力差的应力-应变曲线，如图3所示。由图3可知：随着初始制样含水率的增加，主应力差的峰值也随之变化。初始制样含水率12%～16%时，主应力差峰值较为接近，以含水率12%的强度最大，并且试样破坏后的强度也较为接近。但是，初始制样含水率为10%时，粉土试样的主应力差峰值约为730 kPa，较其他含水率的强度小很多。由此可知：初始制样含水率对粉土试样的强度具有一定程度的影响，其中以含水率12%～14%为宜。

初始制样含水率10%时，试样主应力差的峰值应变约为2.0%；含水率12%时，主应力差的峰值应变约为1.5%；含水率14%和16%时，主应力差的峰值应变约为2.5%。因此，围压相同时，不同龄期的试样出现破坏时的应变基本相同，主应力差峰值相应的应变基本保持在1.5%～2.5%。同时可知：粉土试样在不同初始制样含水率的条件下，均表现为弱应变软化特性。

2.4有效应力比的变化规律

以粉土为例，有效应力比随应变的变化规律如图4和图5所示。由图4可知：围压100 kPa条件下，试样的有效应力比均随干密度的增大而增加。在干密度较大(1.6 g/cm3和1.7 g/cm3)条件下，有效应力比随应变的增长趋势是先快速增长直至达到峰值，再快速下降达到稳定；在干密度较小(1.5 g/cm3)时，有效应力比随应变的增长趋势是先快速增长至稳定值，然后趋于稳定或者缓慢下降趋于稳定。由图5可知：龄期3 d、围压100 kPa、干密度1.5 g/cm3条件下，有效应力比在初始含水率12%～16%时较大，在含水率10%时较小。

图5　龄期3 d、干密度1.5 g/cm3、围压100 kPa时，不同初始制样含水率的有效应力比变化曲线

2.5主应力差的变化规律

以龄期3 d的粉土为例，给出了不同干密度下最大主应力差与围压的关系，如图6所示。由图6可知：围压相同时，随着干密度的增加，最大主应力差也随之变大；相同干密度条件下，最大主应力差随着围压增大而变大。由图1至图3可知：粉土试样主应力差均在较小的轴向应变范围内达到峰值，基本上在轴向应变2.5%以内。3种干密度的试样的最大主应力差与围压的关系基本呈线性增大，在同一围压条件下，干密度1.7 g/cm3粉土试样的最大主应力差最高，最大主应力差随着干密度的增加而增加。