结构性对西澳残积土抗剪强度影响的试验研究

2020-10-19施维成胡锡鹏段超然吴昌胜代国忠

中国农村水利水电 2020年10期

施维成，，胡锡鹏，段超然，吴昌胜，代国忠

(1. 常州工学院土木建筑工程学院，江苏常州 213032；2. 西澳大学土木环境及采矿工程学院，澳大利亚珀斯 6009；3. 中交第三公路工程局有限公司，北京 101300)

0 引言

残积土孔隙比大、强度高的特殊性质已经引起不少学者的注意，并对其物理、力学性质展开研究。尹松等[1]通过自钻式旁压试验研究了残积土的原位力学特性。陈晓平等[2]对高液限花岗岩残积土的天然状态指标与抗剪强度参数的规律进行了统计分析。方祥位等[3]对花岗岩残积土做了平均应力等于常数偏应力变化和偏应力等于常数平均应力变化这两种应力路径的三轴排水剪切试验，研究了其应力应变关系。刘胜利等[4]开展了风化片岩残积土大型原位直剪试验，研究了风化片岩残积土的剪切强度特性。陈东霞等[5,6]研究了厦门残积砂质黏性土的强度随含水率变化规律和土-水特征曲线。张先伟等[7]研究了雷州半岛玄武岩残积土的工程特性。吴迪等[8]通过残积土的环剪试验研究了含水率与残余强度的关系。周小文等[9]对未扰动、重塑花岗岩残积土进行比较试验，研究结构性花岗岩残积土的剪切屈服特性。暴雨会诱发残积土边坡滑动，造成严重后果，因此不少学者对残积土边坡[10-13]展开了相关研究。

在水闸、堤坝、边坡等水利水电工程中，残积土地基、边坡、基坑等会在原状土结构性遭到破坏后强度发生急剧衰减，进而导致工程事故的发生，因此研究残积土的结构性对其力学性质的影响具有重要的工程意义。比较原状土和重塑土的力学性质是研究土的结构性对力学性质影响的有效方法，然而对残积土的原状土和重塑土力学性质比较试验报道较少，有必要开展相关试验研究。

西澳某水库坝址处存在大量由母岩经过长期热带化学风化后形成的残积土，离子反复的溶解沉淀使其具有高孔隙比、高渗透性、高灵敏度，这些性质给工程设计时土的强度参数选取造成很大的困难。

单剪试验、三轴压缩试验是测定土体抗剪强度参数的常用方法，本文对该坝址处残积土的原状土和重塑土分别进行单剪试验和三轴固结不排水试验，研究西澳残积土的结构性对其抗剪强度的影响。

1 试验土样

在坝址处现场取原状土，如图1所示，土料与文献[14]相同，为高液限粉土[14]；重塑土的制备采用与文献[14]相同的方法。

图1 原状土的采集Fig.1 Sampling of the intact soil

2 单剪试验

2.1 试验仪器

本文单剪试验使用的单剪仪如图2所示。

图2 单剪仪Fig.2 Simple shear apparatus

2.2 试验过程

本文单剪试验的试样直径为72 mm，试样高度为27.5 mm，试验时法向应力分别保持60、300 kPa不变，在水平向施加水平剪力，同时测出试样在水平向和竖向的变形。

2.3 试验结果

2.3.1 剪应力-剪应变关系曲线

图3为单剪试验得到的剪应力-剪应变关系曲线，纵坐标为剪应力，横坐标为剪应变。

图3 单剪试验得到的剪应力-剪应变关系曲线Fig.3 The relationship between shear stress and shear strain obtained from the simple shear tests

从图3可以看出，不论是原状土还是重塑土，竖向应力为60 kPa的剪应力-剪应变关系曲线位于竖向应力为300 kPa的剪应力-剪应变关系曲线下方，说明产生相同剪应变时，剪应力随着竖向应力的增大而增大。

竖向应力为60 kPa时，原状土的剪应力-剪应变关系曲线位于重塑土的上方；竖向应力为300 kPa时，原状土的剪应力-剪应变关系曲线在剪应力较小时与重塑土很接近，在剪应力较大时位于重塑土的下方。分析原因，虽然原状土的密度比重塑土小，但其结构性较强，在较低的竖向应力作用下，要产生相同的剪应变，原状土比重塑土需要施加更大的剪应力。在较高的竖向应力作用下，原状土的结构性遭到一定程度的破坏，要产生相同的剪应变，在剪应力较小时，原状土和重塑土需要施加的剪应力相差不大；在剪应力较大时，原状土的结构性遭到进一步破坏，要产生相同的剪应变，需要施加的剪应力比重塑土小。

2.3.2 体应变-剪应变关系曲线

图4画出了单剪试验得到的体应变-剪应变关系曲线，横坐标为剪应变，纵坐标为体应变。

图4 单剪试验得到的体应变-剪应变关系曲线Fig.4 The relationship between volume strain and shear strain obtained from the simple shear tests

图4显示，西澳残积土的原状和重塑土在60 kPa和300 kPa竖向应力作用下的单剪试验产生的剪应变比体应变大得多，说明单剪试验中，剪应力的增加会同时产生体应变和剪应变，但产生的剪应变比体应变要大得多。

从图4还可以看出，土在产生剪应变的同时，也会产生少量的体应变，且在剪应变较小时，原状土和重塑土在不同竖向应力作用下的单剪试验产生的体应变都相差不大。在剪应变较大时，不管是原状土还是重塑土，竖向应力为300 kPa时的体应变比60 kPa的都要略小，这是由于较高的竖向应力作用下，土颗粒被压得更为密实，更不易产生体应变。

3 三轴试验

单剪试验过程相对简单，可以较快地得到土的抗剪强度，但是单剪试验规定了破坏面的方向，而且不能测量试验过程中的孔隙水压力变化和剪切波速，有一定的局限性，因此有必要对原状土和重塑土分别进行三轴试验，并将三轴试验得到的抗剪强度与单剪试验进行比较。

3.1 试验仪器

本文三轴试验使用的三轴仪如图5所示。

图5 三轴仪Fig.5 Triaxial appratus

3.2 试验过程

本文三轴试验的试样直径为72 mm，试样高度为150 mm，对原状土、重塑土分别进行了围压60、120、300 kPa下的固结不排水三轴试验。

3.3 应力路径

图6为三轴试验的p′～q关系曲线，纵坐标为剪应力q，横坐标为平均有效应力p′。

图6 三轴试验的q-p′关系曲线Fig.6 The relationship between shear stress q and mean effective stress p′ in the triaxial tests

3.4 应力-应变关系曲线

图7为三轴试验得到的剪应力和轴向应变的关系曲线，纵坐标为偏应力，横坐标为轴向应变。

图7 三轴试验得到的应力-应变关系曲线Fig.7 The relationship between shear stress and axial strain obtained from the triaxial tests

图7显示，围压为60 kPa时，原状土的q～εa曲线位于重塑土的上方；围压为300 kPa时，原状土的q～εa曲线位于重塑土的下方；围压为120 kPa时，原状土和重塑土的q～εa曲线较为接近。这是由于围压较低时，原状土较强的结构性起主导作用，在产生相同的轴向应变时，能够承受比重塑土更大的剪应力；围压较高时，原状土的结构性被破坏，而其较大的孔隙起主导作用，在产生相同轴向应变时的剪应力反而比重塑土要小。

从图7还可以看出，对重塑土，q～εa曲线与围压有关，围压为300 kPa的q～εa曲线在最上方，围压为120 kPa的q～εa曲线在中间，围压为60 kPa的q～εa曲线在最下方；对原状土，围压为60 kPa和120 kPa时的q～εa曲线较为接近，而围压为300 kPa时的q～εa曲线明显在围压为60 kPa和120 kPa的曲线上方。说明重塑土在相同的轴向应变εa下，剪应力q随着围压的增大而增大；原状土在围压较小时，由于原状土的结构性较强，q～εa曲线随围压的变化不明显，在围压较大时，原状土的结构性被破坏，呈现和重塑土类似的规律，即在相同的轴向应变εa下，剪应力q随着围压的增大而增大。