两种K0固结土样的强度比及其各向异性

高彦斌

(同济大学 土木工程学院，上海 200092)

在K0正常固结软黏土的强度比及其各向异性的试验研究中，采用的土样通常有原状土样和重塑土样两种.长期以来的研究重点集中在不同试验(室内三轴、直剪、单剪以及原位十字板)测得的强度比与土的塑性指数IP(代表土的物质成分)的关系[1-6].人们普遍接受的结论是，ACUC强度比随IP变化不大,但ACUE强度比随IP的增大而增大，从而导致强度各向异性随着IP的增大而减小.然而也有不同的意见，Hanzawa等[7]、Shogaki等[8]认为,K0正常固结软黏土的强度比与IP的相关性不明显.Won[9]专门统计了14个国家203组原状黏性土的试验数据，发现原状黏性土的强度各向异性与IP的相关性并不明显；Won还发现ACUE强度的取值标准会对强度各向异性统计结果产生显著影响.

原状软土通常具有非稳定的絮凝结构(flocculated structure)，而重塑土样具有稳定的分散结构(dispersed structure)[10].由于结构效应，两种土样在正常固结和超固结范围内的变形和强度会有明显差别并受到广泛关注[11-13].但在K0正常固结软黏土的强度比及其各向异性的研究中，这种效应常被忽略，在相关试验结果的统计发现研究中，多数并不刻意区分这两种土样.而上面提到的研究结果不一致的现象，在某种程度上可能是由于土样的结构效应造成的.

上海软黏土具有一定的结构性，灵敏度在4～6左右.一些学者曾对上海软黏土强度各向异性的特征进行研究，包括采用异形十字板方法[14]、不同切土方向的常规三轴试验[15]以及三轴ACUC和ACUE试验[16].本文的目的是通过对比上海软黏土的原状土样和重塑土样的三轴ACUC和ACUE试验以及直剪试验得到的强度比，揭示这两种土样所具有的不同的结构性对强度比及其各向异性的影响规律.

1 土样制备和试验方案

1.1 土样制备

重塑土样由原状土样风干、碾碎、加水预压制成.过筛的风干土与无气蒸馏水在1.75倍液限含水量状态下搅拌混合成泥浆，然后倒入直径为10 cm、高度为20 cm的不锈钢固结仪中，在双面排水的状态下逐级施加5、10、25、75 kPa的固结压力，每级荷载持续时间为8 h，最后一级荷载持续7 d，以保证土样充分固结.然后脱模切取三轴试验用的圆柱状土样.

1.2 三轴ACUC和ACUE试验

三轴剪切试验方案见表1.原状土样分别进行4个不同固结压力下的ACUC和ACUE试验，试验编号以N开头；重塑土样分别进行2个不同压力等级下的ACUC和ACUE试验，试验编号以R开头.三轴试样侧面贴滤纸条以加速排水.三轴剪切仪采用GDS牌应力路径三轴仪.试验采用的反压为150 kPa.

表1 三轴ACUC、ACUE试验两种土样的固结压力和强度比Tab.1 Consolidation and normalized strength of two kinds of specimens in ACUC and ACUE tests

除了以上两种三轴试验外，还进行了直剪固结快剪试验.剪切速率为0.8 mm·min-1.直剪试验中土样的破坏面为水平向，与三轴试验不同.

1.3 土样固结状态

图1 三轴试验中两种土样的固结状态(ACUC试验)Fig.1 Consolidation states for natural and remolded specimens in ACUC test

2 三轴试验和直剪试验结果

2.1 三轴试验有效应力路径和有效内摩擦角

图2给出了三轴ACUC和ACUE试验得到的两种土样在q-p′空间中的有效应力路径.这里将剪切破坏阶段有效应力路径发生明显转折的点作为极限状态(空心圆点)，对应的强度称为极限强度，对应的轴向应变约为10%.由于各向异性的影响，两种土样的有效应力路径并不关于p′轴对称，ACUE得到的强度要明显小于ACUC试验得到的强度.只有在原状土的ACUC试验中出现软化现象和峰值强度(实心圆点)，对应的轴向应变约为1%.

a 原状土样

b 重塑土样

2.2 孔隙比和有效平均应力空间中的极限状态线

图3给出了两种土样的极限状态线在孔隙比e和有效平均应力p′空间内的位置.可以看出，两种土样的极限状态线有明显的差别，原状土的极限状态线位于重塑土之上.这表明即使在极限状态，两种土样的结构仍然差别较大.另外，两种试验中重塑土样似乎具有唯一的极限状态线 ，表明试验过程中的剪缩相同.原状土样的极限状态与试验方式有关，ACUE试验的极限状态线位于ACUC之上，表明ACUE试验中的剪缩现象要小于ACUC试验.可见,两种土样所具有的不同结构性对剪缩特性以及极限状态的位置有明显影响，这也是两种土样表现出不同强度特性的本质原因.

图3 两种土样在e-lg p′中的极限状态Fig.3 Ultimate state in e-lg p′ space

2.3 直剪试验结果

图4 两种土样的直剪快剪、慢剪试验强度曲线Fig.4 Direct shear strength of two kinds of specimens

3 两种土样的强度比对比

3.1 强度比与固结应力的关系

图5 两种土样的强度比Fig.5 Normalized strengths of two kinds of specimens

3.2 与文献[2]统计结果的对比

Ladd[2]收集了大量资料，给出了图6所示的3种试验(三轴ACUC、ACUE试验和单剪试验)得到的K0正常固结黏性土的强度比与土的塑性指数IP之间的关系曲线.其中,所有的强度均取峰值强度，在没有峰值强度的情况下，取较大应变下的强度.图6给出了本文试验结果与文献[2]给出的强度线的对比.可以看出，重塑土样的ACUC和ACUE强度与文献[2]给出的强度曲线均差别不大.对于正常固结阶段内原状土ACUC峰值强度，3个土样(NAC2、NAC3、NAC4)的强度均比文献[2]给出的结果略低.而对于正常固结阶段内原状土ACUE强度，两个土样(NAE2和NAE3)的强度要明显大于文献[2]给出的结果，只有在固结压力高达4.5倍原位应力的情况下的土样NAE4的强度接近文献[2]的结果.这些差别应该是由于原状土样的结构造成的.

图6 与文献[2]给出的强度曲线的对比Fig.6 Comparision of test results with Ladd’s strength lines

3.3 强度各向异性

图7 两种土样的强度各向异性Fig.7 Strength anisotropy of two kinds of specimens

4 结论

因此可以认为，K0固结软黏土的强度比及其各向异性应该不仅与土的物质成分有关，还与土的结构性有关.而原状土的结构性不仅与初始结构特征有关，还和固结压力的不同造成的破损程度有关，这加剧了原状土强度各向异性的复杂性.这在一定程度上能够解释以往研究中发现的原状黏性土的强度各向异性与塑性指标IP指标间相关性不明显的现象.在对软黏土ACUC和ACUE强度比及其各向异性特性试验研究与统计分析研究中，有必要区分这两种土样的类型以及试验采用的固结压力的范围.当然，这种结构性对软黏土强度及其强度各向异性的影响规律可能也与结构性的强弱有关，本文给出的规律是否适用于结构性更强的软黏土(如灵敏度达到几十的quick clay)，还需要进一步验证.