固结方式对黏性土不排水强度性状的影响

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(江苏大学 土木工程与力学学院，江苏 镇江 212013)

我国东南沿海地区广泛分布着软黏土，随着我国经济的迅速发展，现代化建设的步伐不断加快，沿海地区是我国经济相对发达地区，许多大型工程(如高速公路、铁路、隧道、机场和码头等)不可避免地要建设在这些软黏土地基之上[1]。由于软黏土地基排水固结缓慢，稳定性差，沉降问题突出，在外载荷作用下土体破坏表现出较大的突发性，给工程建设造成极大危害，因此必须要对软黏土的工程力学性状有一个全面和深入的认识。

各向异性是土体的重要力学特性之一，在很大程度上影响土体的性状。土的各向异性可分为固有各向异性和应力诱发各向异性[2]。应力诱发各向异性对天然软黏土工程特性的影响尤为明显，包含静止土压力系数K0的固结应力诱发各向异性，主要是由于天然土体的初始应力状态为K0固结状态，而非各向等压状态，因此土体固结结束后会产生各向异性。土的室内三轴试验一般采用的是各向等压固结，而天然土处于K0固结状态[3]，试样中的孔隙水压力和有效应力会因剪切前试样的固结状态不同产生差异，从而影响试样的不排水强度[4]。

国内外学者围绕土的不排水强度开展了大量的研究工作，主要集中在三轴等向固结或K0固结条件下的研究[5-11]，但对两者的对比研究开展的比较少。本文中通过获取天然沉积土原状样，开展三轴等向固结和K0固结不排水剪切试验，探索固结方式对天然沉积土不排水强度性状的影响规律。

1 土样基本特性

试验土样取自江苏省连云港市某工程场地，采用大直径聚氯乙烯管(内径为30 cm，高度为30 cm)获取高质量的原状土样，现场取土深度为2.5 m，场地地下水位为1.5 m。首先将取回的土样进行常规的室内土工试验，测定其基本物理指标，如表1所示。根据试验结果，绘制土的塑性图，如图1所示。从图中可以看出，土样位于A线上方，B线右侧，属于高液限黏性土。

表1 土的基本物理指标

图1 试验土样的塑性图

2 试验方案

通过TKA系列全自动应力路径三轴仪中的K0固结模块，测得该土样的静止土压力系数K0为0.59，K0表示为

(1)

在三轴试验中，土样的应力状态可用q-p′关系来表示，其中q为偏应力或广义剪应力，p′为有效均应力，分别表示为

(2)

(3)

采用切土器平行制备一组三轴原状样(直径为3.91 cm，高度为8 cm)，采用TKA系列全自动应力路径三轴仪分别进行等向与K0固结不排水剪切试验，结果如图2所示。等向固结与K0固结的区别在于等向固结始终保持偏应力q=0，而K0固结偏应力q随p′线性增大，由K0=0.59代入式(2)、(3)，可以计算出q/p′=0.56。 具体试验时，首先对土样进行反压饱和，待饱和度达到0.95后进行固结试验；等向固结试验采用等向固结模块，有效均应力p′分别取15、25、50、100、150、200 kPa；K0固结试验采用K0固结模块，沿K0线固结(q/p′=0.56)，分别设置有效均应力p′为15、25、50、100、150、200 kPa；待固结稳定后，进行不排水剪切试验，剪切速率设为0.073 mm/min。

K0为静止压力系数；p为偏应力；p′为有效均应力。图2 土样固结方式示意图

3 试验结果分析

对试验原状土样进行等向固结与K0固结不排水剪切试验，得到不同p′下的偏应力与轴向应变的关系曲线，分别如图3所示。在图3(a)的K0固结的关系曲线中，由于土样沿着K0线固结，土样在不同p′下固结完成时具有一定的q值，因此当轴向应变εa=0时，q不为0。在图3(b)的等向固结关系曲线中，当εa=0时，所有土样的q均为0。通过对比图3可以看出，等向固结与K0固结土样在低有效均应力(p′=15、25、50 kPa)时，呈现应变硬化现象。

(a)K0固结

(b)等向固结p′为有效均应力。图3 土样K0(静止土压力系数)固结和等向固结应力-应变曲线

随着有效均应力p′的增大，应力-应变关系曲线均呈现应变软化特征。

为了进一步比较K0固结与等向固结下的不排水强度特性，根据图3确定不同p′下的不排水强度Su值，结果如图4所示。若q-εa曲线在εa=15%前出现最大偏应力qmax时，取Su=qmax/2，未出现最大偏应力时，则取εa=15%对应的q值的一半作为Su。

为三轴屈服应力。图4 土样等向固结与K0(静止土压力系数)固结不排水强度对比

为了进一步分析不同固结方式对原状土样不排水强度的影响，根据试验结果绘制总应力和有效应力莫尔圆，如图6所示。 图中取屈服后的莫尔圆切线来确定总应力强度指标和有效应力强度指标。

图5 土样等向固结与K0(静止土压力系数)固结不排水剪切应力路径

其中，等向固结不排水剪切的总应力强度指标，土的黏聚力为2.7 kPa，内摩擦角为14.2°；有效应力强度指标，土的有效黏聚力为3.1 kPa，有效内摩擦角为31.1°。K0固结不排水剪切的总应力强度指标，土的黏聚力为5.0 kPa，内摩擦角为18.3°；有效应力强度指标，土的有效黏聚力为4.1 kPa，有效内摩擦角为30.2°。 就有效应力强度指标而言，2种固结方式下的黏聚力和内摩擦角变化较小，表明等向固结与K0固结方式对有效应力强度指标影响较小。 就总应力强度指标而言，固结方式对有效应力强度指标的影响主要是内摩擦角。K0固结不排水剪切的内摩擦角为18.3°，而等向固结不排水剪切的摩擦角为14.2°，这主要是由K0固结诱发的各向异性引起土颗粒的排列方式与等向固结的有差异所致。

(a) 等向固结

(b)K0固结图6 土样等向固结和K0(静止土压力系数)固结不排水剪切试验确定的应力莫尔圆

4 结论

1)原状土样等向固结与K0固结土样应力-应变在低固结压力下呈现应变硬化，随着固结压力p′的增加，应力-应变关系曲线呈现应变软化特性。

2)不同固结方式导致天然沉积土不排水强度存在差异，相同固结压力下，K0固结不排水强度大于等向固结不排水强度。等向固结与K0固结不排水强度与有效均应力p′的关系可以用双直线表示，屈服前不排水强度随有效均应力的增大而增加较慢，屈服后不排水强度包线与重塑土相似，为一条通过原点的直线。

4)2种固结方式下有效应力强度指标(土的有效黏聚力和有效内摩擦角)参数变化较小，表明等向固结与K0固结对有效应力强度指标参数影响较小。K0固结的内摩擦角大于等向固结的内摩擦角，两者的黏聚力值变化不大，固结方式对总应力强度指标的影响主要体现在内摩擦角的不同。