申海娥, 孫德安, 陳 波

(上海大學(xué) 土木工程系,上海 200072)

蘇州黏土的力學(xué)特性

申海娥, 孫德安, 陳 波

(上海大學(xué) 土木工程系,上海 200072)

為了研究結(jié)構(gòu)性對(duì)土的力學(xué)特性的影響,對(duì)蘇州黏土的原狀樣和人工制備樣進(jìn)行等向壓縮試驗(yàn)、三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)和不排水剪切試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明:在固結(jié)壓力相同時(shí),原狀樣比人工制備樣具有更大的孔隙比、壓縮指數(shù) Cc和膨脹指數(shù) Cs;剪切時(shí)的圍壓對(duì)人工制備樣的應(yīng)力比-應(yīng)變曲線沒(méi)有影響,而對(duì)原狀樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有影響,即剪切圍壓小的試樣得到的應(yīng)力比較高;排水剪切圍壓相同時(shí),人工制備樣的強(qiáng)度高于原狀樣的強(qiáng)度,這是由于原狀樣的孔隙比大于人工制備樣的孔隙比;孔隙比相同時(shí),原狀樣的強(qiáng)度比人工制備樣的要高.

原狀土;人工制備土;結(jié)構(gòu)性;等向壓縮試驗(yàn);排水剪切試驗(yàn)

目前,結(jié)構(gòu)性對(duì)土力學(xué)特性的影響早已引起了人們的重視.為了全面了解結(jié)構(gòu)性對(duì)土力學(xué)特性的影響,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量的試驗(yàn)研究,并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到一些重要結(jié)論.例如:根據(jù)原狀土壓縮試驗(yàn)可知,結(jié)構(gòu)性土壓縮曲線初始段很平緩,當(dāng)壓力超過(guò)結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí),曲線出現(xiàn)陡降段,并向人工制備土壓縮曲線靠近[2-6];根據(jù)原狀土剪切試驗(yàn)可知,對(duì)于結(jié)構(gòu)性強(qiáng)的黏土,結(jié)構(gòu)性的存在不僅會(huì)影響土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,還會(huì)使土體的強(qiáng)度包線呈折線形[5-9];根據(jù)原狀土固結(jié)試驗(yàn)可知,結(jié)構(gòu)性土在壓力低于屈服應(yīng)力時(shí),固結(jié)系數(shù)較高,接近屈服應(yīng)力時(shí),固結(jié)系數(shù)急劇降低,接近人工制備土的固結(jié)系數(shù),且最高值和最低值之間可差幾十倍[5-7].

本工作通過(guò)對(duì)蘇州黏土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),得到黏土的物理性質(zhì) (顆粒密度、液限、塑限和顆分曲線等)及其力學(xué)特性 (變形特性和強(qiáng)度特性),并通過(guò)比較原狀土樣和人工制備土樣的試驗(yàn)結(jié)果,研究結(jié)構(gòu)性對(duì)黏土力學(xué)特性的影響.

1 物理特性

試驗(yàn)用土樣取自蘇州樂(lè)園附近,地表以下深度16.1～19.5 m,為蘇州最具代表性的第五層淤泥質(zhì)黏土.土樣采用薄壁取土器取土,取出后立即用蓋子將襯管兩端蓋嚴(yán),然后用膠布密封接縫處,涂上熔化的石蠟,并在襯管上面注明土樣的上、下端,貼上標(biāo)簽.為了減小運(yùn)輸過(guò)程中的擾動(dòng),土樣在運(yùn)輸前妥善裝箱,并填塞緩沖材料,直接從工地護(hù)送到實(shí)驗(yàn)室.將取來(lái)的土樣保存在養(yǎng)護(hù)室內(nèi),防止水分蒸發(fā)導(dǎo)致含水量變化,影響試驗(yàn)結(jié)果.此外,及時(shí)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn),防止試樣放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而影響試驗(yàn)結(jié)果.因此,本工作所指原狀土樣是指現(xiàn)場(chǎng)用薄壁取土器取樣后盡可能減少土樣擾動(dòng)條件下的土樣.

為了研究蘇州黏土的基本物理特性,對(duì)土樣分別進(jìn)行土粒比重、界限含水量、靈敏度以及顆粒分析試驗(yàn).試驗(yàn)各進(jìn)行 3次,并對(duì)相應(yīng)的數(shù)值取平均值,得到蘇州黏土的基本物理指標(biāo)和顆粒級(jí)配曲線,分別如表1和圖 1所示.

表1 蘇州黏土的物理指標(biāo)Table 1 Physical index of Suzhou clay

圖 1 蘇州黏土的顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Grad ing curve of Suzhou clay

根據(jù)表1可知,蘇州黏土的液限WL為 35.9%,小于 50%,塑性指數(shù) Ip=11.5,10＜Ip＜17.根據(jù)塑性圖細(xì)粒土分類法可知,蘇州第五層土屬于低液限粉質(zhì)黏土,蘇州黏土的靈敏度為 St=3.4,2＜St＜4,所以蘇州黏土屬于中等靈敏度土.顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果如圖 1所示.由顆粒級(jí)配曲線可知,試樣中粒徑小于 0.075 mm的細(xì)粒含量為 95%左右,大于全部質(zhì)量的 50%,所以蘇州土為細(xì)粒土,其中黏粒土含量為 26.35%,粉土含量為 69.2%,砂土含量為4.45%.

2 等向壓縮試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

為了研究結(jié)構(gòu)性對(duì)蘇州黏土壓縮特性的影響,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取回的原狀土利用常規(guī)三軸儀進(jìn)行一組等向壓縮、回彈試驗(yàn),試驗(yàn)進(jìn)行 3次,對(duì)人工制備土樣進(jìn)行等向壓縮、回彈試驗(yàn),試驗(yàn)進(jìn)行 2次.原狀土和人工制備土的等向壓縮-回彈曲線如圖 2所示.試驗(yàn)采用分級(jí)加載的方式,每級(jí)荷載固結(jié) 24 h(見表2).試驗(yàn)用的人工制備土樣制備方法如下:將試驗(yàn)用過(guò)的原狀土浸泡在一定量的水中,當(dāng)其含水量大于液限的 2倍以上時(shí),用攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢?制成飽和泥漿;然后將其倒入直徑為 15cm,高16cm的制樣桶中,分級(jí)加載,固結(jié)成樣.為研究正常固結(jié)土的力學(xué)特性,最后一級(jí)的固結(jié)壓力為 70kPa.試驗(yàn)時(shí),根據(jù)試樣尺寸大小從上述的固結(jié)人工制備土樣中切取一部分制成所需試樣.

圖 2 原狀土和人工制備土的等向壓縮-回彈曲線Fig.2 Compression curves of undisturbed and reconstitutedsamples

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

由圖 2,可以得到以下結(jié)論:

(1)固結(jié)壓力相同時(shí),原狀土比相應(yīng)的人工制備土具有更大的孔隙比.從試驗(yàn)結(jié)果可知,p=10kPa時(shí),人工制備土的孔隙比為 0.73左右,而原狀土的孔隙比為 0.95左右,比人工制備土的孔隙比高 0.2左右.國(guó)內(nèi)試驗(yàn)資料表明,天然軟土的孔隙比往往比同一垂直壓力下的人工制備土高0.2～0.4[5],這說(shuō)明沉積過(guò)程形成的原狀土具有不同于人工制備土的結(jié)構(gòu).在沉積過(guò)程中,原狀土顆粒之間相互粘結(jié),并產(chǎn)生膠結(jié)強(qiáng)度,阻止土體的壓密,使原狀土體保持著較大的孔隙.由原狀土的等向壓縮曲線,根據(jù)卡薩格蘭德法可知,原狀蘇州黏土的前期固結(jié)壓力為Pc=99.6kPa.

(2)結(jié)構(gòu)性對(duì)黏土壓縮性有一定的影響.原狀土的壓縮曲線為一條有明顯屈服點(diǎn)的曲線,當(dāng)固結(jié)壓力小于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí),土體的壓縮量較小,為土體的回彈再壓縮過(guò)程,其壓縮系數(shù) Cc與土體回彈曲線斜率接近.當(dāng)固結(jié)壓力超過(guò)結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí),其壓縮性明顯增大,因此,原狀土的壓縮指數(shù) Cc為一變量.人工制備土的壓縮曲線沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn),其壓縮曲線近似為一直線,壓縮指數(shù) Cc為一常數(shù),這是由于人工制備土的微結(jié)構(gòu)已完全破損造成的.隨著結(jié)構(gòu)的破壞,原狀土的力學(xué)特性逐漸向人工制備土的力學(xué)特性轉(zhuǎn)化.

(3)由壓縮曲線和回彈曲線的斜率可以得到原狀土的壓縮指數(shù) Cc和膨脹指數(shù) Cs的平均值分別為0.256,0.058,而人工制備土則為 0.175,0.043(見表2).因此,原狀土與人工制備土相比,壓縮指數(shù) Cc大31%左右,膨脹指數(shù) Cs大 25%左右.

2.3 結(jié)果分析

原狀土的高孔隙比是由于在緩慢沉積過(guò)程中顆粒之間形成化學(xué)膠結(jié),使土體具有一定的結(jié)構(gòu)性,阻礙土體的進(jìn)一步壓密形成的.土體在沉積過(guò)程中,由于化學(xué)膠結(jié)作用等原因形成的結(jié)構(gòu)性,使原狀土與人工制備土的壓縮特性存在一定的差別.膠結(jié)強(qiáng)度和孔隙比是影響結(jié)構(gòu)性土力學(xué)特性的重要因素.對(duì)具有膠結(jié)的結(jié)構(gòu)性土,顆粒間的滑移變形只有達(dá)到一定的應(yīng)力水平,即化學(xué)膠結(jié)發(fā)生破碎時(shí)才能發(fā)生.天然黏土顆粒之間的膠結(jié)強(qiáng)度不一樣,內(nèi)部存在較弱的面或帶.當(dāng)荷載增大到一定程度后,薄弱處先發(fā)生破損,形成結(jié)構(gòu)面.結(jié)構(gòu)面之間為保持完好的小塊體或團(tuán)粒.隨著荷載的增大,小土塊逐步破裂成更小的土塊,天然黏土的力學(xué)特性逐步向人工制備土的力學(xué)特性轉(zhuǎn)化[11].許多研究者認(rèn)為:結(jié)構(gòu)性使原狀土的壓縮曲線表現(xiàn)為一條陡降形的曲線,在低于屈服應(yīng)力范圍內(nèi),壓縮性小;在高于屈服應(yīng)力的范圍內(nèi),壓縮性急劇增大;等于土體的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí),壓縮性發(fā)生巨變[2-6].

表2 等向壓縮試驗(yàn)的初始含水量、初始孔隙比、加載路徑、壓縮指數(shù) Cc和膨脹指數(shù) CsTable2 Initialwatercontent,voidratio,stresspath,compressionandswellingindicesforisotropiccompressiontests

3 三軸剪切試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

為了研究結(jié)構(gòu)性對(duì)蘇州黏土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響,分別對(duì)原狀土試樣和人工制備土試樣進(jìn)行在三軸剪切過(guò)程中圍壓不變的固結(jié)排水剪切試驗(yàn)和固結(jié)不排水剪切試驗(yàn).首先,對(duì)原狀土試樣進(jìn)行一組圍壓不同的排水剪切試驗(yàn),試驗(yàn)共進(jìn)行 4次;然后,對(duì)原狀土試樣進(jìn)行一組圍壓不同的不排水剪切試驗(yàn),試驗(yàn)進(jìn)行 3次;最后,對(duì)人工制備土試樣進(jìn)行一組圍壓不同的排水剪切試驗(yàn),試驗(yàn)進(jìn)行 3次,分別得到原狀土和人工制備土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見表3).由于蘇州黏土的透水系數(shù)較小,為了保證剪切過(guò)程中產(chǎn)生的超孔隙水應(yīng)力全部消散,對(duì)于固結(jié)排水剪切試驗(yàn)選用慢剪形式進(jìn)行剪切,剪切速率為0.174 mm/h,剪切一次需要 3 d;而對(duì)于固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)采用相對(duì)較快形式進(jìn)行剪切,剪切速率為 1.98 mm/h,剪切一次需要 6 h.

表3 三軸剪切試驗(yàn)試樣的初始含水量、孔隙比及剪切圍壓Table 3 In itial water content,void ratio and conf in ing pressures in consolidated-dra in and undra ined tr iaxial tests

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)原狀土試樣和人工制備土試樣的常規(guī)三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)結(jié)果,可以得到蘇州黏土原狀土和人工制備土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線 (見圖 3).圖 4為蘇州黏土原狀土的三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)結(jié)果.圖中:εa和εv分別為軸向應(yīng)變和體應(yīng)變;σa和σr在排水剪切試驗(yàn)中分別表示軸向應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力,在固結(jié)不排水試驗(yàn)中分別表示有效軸向應(yīng)力和有效側(cè)向應(yīng)力;u為孔隙水壓力.

由圖 3可以得到以下結(jié)論:

(1)正常固結(jié)狀態(tài)下,原狀土和人工制備土常規(guī)排水剪切試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線屬于剪縮硬化型.人工制備土在不同圍壓下剪切得到的應(yīng)力比-應(yīng)變曲線基本相同,這說(shuō)明圍壓對(duì)人工制備土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒(méi)有影響,這與劍橋模型的預(yù)測(cè)結(jié)果是一致的;原狀土在不同圍壓下剪切得到的應(yīng)力比-應(yīng)變曲線卻不同,低圍壓下剪切得到的應(yīng)力比大于高圍壓下的總應(yīng)力比,這說(shuō)明圍壓對(duì)原狀土的應(yīng)力比-應(yīng)變曲線有影響,即結(jié)構(gòu)性對(duì)原狀土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有影響.

(2)國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為,結(jié)構(gòu)性的存在使原狀土體具有更高的強(qiáng)度[2,5-7].本工作根據(jù)原狀土和人工制備土在相同圍壓下排水剪切試驗(yàn)結(jié)果,得出原狀土的剪切強(qiáng)度小于人工制備土的剪切強(qiáng)度,與一般試驗(yàn)結(jié)果不同.另外,剪切時(shí)原狀土的體變大于人工制備土的體變.我們認(rèn)為,這些都是由于在相同圍壓下原狀土的孔隙比大于人工制備土的孔隙比引起的.

(3)結(jié)構(gòu)屈服破壞的傳統(tǒng)解釋認(rèn)為:原狀土存在某一結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力水平超過(guò)結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí),土的結(jié)構(gòu)逐漸破碎,結(jié)構(gòu)性影響逐漸消失[12].此結(jié)論是根據(jù)原狀土和人工制備土的壓縮曲線得到的,而本工作通過(guò)比較原狀土在不同圍壓情況下的排水剪切強(qiáng)度,得到土體在高圍壓時(shí)的剪切應(yīng)力比小于低圍壓時(shí)的剪切應(yīng)力比,這更好地說(shuō)明了土的結(jié)構(gòu)是逐漸破壞的.

圖 3 原狀土和人工制備土的三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Results of con solidated-dra ined tr iax ial tests on und isturbed and reconstituted samples

圖 4 原狀土的三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Results of consolidated-undra ined tr iaxial tests on und isturbed sam ples

(4)從體應(yīng)變-軸向應(yīng)變的關(guān)系 (見圖 3(a))可以看出:在圍壓為 80 kPa時(shí),土體屬于弱超固結(jié)土,土體體積變形是在剪切開始時(shí)剪縮,接著發(fā)生剪脹;在低圍壓時(shí),原狀土的體應(yīng)變比較小.結(jié)構(gòu)性土的體應(yīng)變主要來(lái)自 2個(gè)方面:一是由顆粒摩擦滑移所產(chǎn)生的體應(yīng)變;二是由膠結(jié)破碎所產(chǎn)生的附加變形.原狀土在低圍壓下膠結(jié)破壞比較少,從而引起的附加變形比較小,同時(shí)膠結(jié)阻止了顆粒的滑移,相應(yīng)的滑移體應(yīng)變比較小,因此,在低圍壓下的總體應(yīng)變比較小.在一定范圍內(nèi)的高圍壓下,膠結(jié)破壞比較多,由此產(chǎn)生的附加變形比較大,隨著膠結(jié)的逐漸破壞,顆粒滑移體應(yīng)變?cè)龃?因此,高圍壓下的體應(yīng)變比低圍壓下的體應(yīng)變大.從圖 4可以看出,在不排水剪切條件下,結(jié)構(gòu)性土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化的特點(diǎn),尤其在低圍壓下更為明顯.

從圖 3(a)和圖 4可以看到,當(dāng)達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí),蘇州原狀黏土的應(yīng)力比集中分布在 3.2～3.3之間.考慮到原狀土的不均勻性,在取樣、包裝、運(yùn)輸以及室內(nèi)試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)原狀土試樣存在不同程度的擾動(dòng),因此,試驗(yàn)結(jié)果有一定的離散性是正常的,可以認(rèn)為蘇州原狀黏土和重塑黏土的三軸排水剪切試驗(yàn)、三軸不排水剪切試驗(yàn)在臨界狀態(tài)時(shí)的臨界應(yīng)力比是一致的.根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),得到原狀蘇州黏土的臨界狀態(tài)強(qiáng)度的應(yīng)力比σa/σr為 3.25左右.根據(jù)臨界狀態(tài)理論,利用式 (1)和 (2),可得到臨界狀態(tài)應(yīng)力比M及內(nèi)部摩擦角 φ,

M =q/p=3(σa/σr-1)/(σa/σr+2), (1)

sinφ=3M/(6+M), (2)

式中,M為臨界狀態(tài)應(yīng)力比,p為平均應(yīng)力,p=(σa+2σr)/3,q為偏應(yīng)力,q=σa-σr, φ為土的內(nèi)摩擦角.

根據(jù)計(jì)算,得到原狀蘇州黏土臨界狀態(tài)應(yīng)力比M=1.29,內(nèi)摩擦角 φ=32.1°.由圖 5可知,原狀蘇州黏土臨界狀態(tài)時(shí)的臨界應(yīng)力比M=1.30,與計(jì)算結(jié)果一致.

圖 5 p-q平面上的應(yīng)力路經(jīng)Fig.5 Stress path in the p-q plane

3.3 結(jié)果分析

許多學(xué)者認(rèn)為原狀土的強(qiáng)度大于人工制備土的強(qiáng)度,而本工作得到的卻是人工制備土的強(qiáng)度大于原狀土的強(qiáng)度.二者似乎有矛盾,其實(shí)不然,因?yàn)橛绊懲恋目辜魪?qiáng)度的因素有很多,如土的種類、結(jié)構(gòu)、孔隙比、應(yīng)力歷史及應(yīng)力狀態(tài)等.因此,對(duì)于原狀土的強(qiáng)度特性,不僅需要考慮結(jié)構(gòu)性對(duì)土體強(qiáng)度的影響,還要考慮孔隙比等因素對(duì)土體強(qiáng)度的影響.

Graham等[8]對(duì) Winnipeg黏土的原狀土試樣和人工制備土試樣進(jìn)行了不排水剪切試驗(yàn),也得到了原狀土強(qiáng)度低于人工制備土強(qiáng)度的結(jié)果,與本工作的試驗(yàn)結(jié)果一致.他們根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到臨界狀態(tài)時(shí)的 v-log p曲線,進(jìn)而得出在正常固結(jié)狀態(tài)下,兩種土樣的臨界狀態(tài)線是相互平行的.由于原狀土比人工制備土具有更大的比容,因此,其臨界狀態(tài)線應(yīng)位于人工制備土的上方.本工作將正常固結(jié)蘇州黏土人工制備土試樣和原狀土試樣的臨界孔隙比 e與相應(yīng)的排水剪切強(qiáng)度 q、平均主應(yīng)力 p整理后,分別得到如圖 6和圖 7所示的 log qf-e,v-log p曲線,其中e為孔隙比,v為比容,v=1+e.

圖 6 臨界狀態(tài)時(shí)原狀土和重塑土的 log qf-e曲線Fig.6 log qf-e curves of und isturbed and recon stituted samplesat cr itical state

圖 6的試驗(yàn)點(diǎn)和擬合曲線顯示:在正常固結(jié)狀態(tài)下,原狀土和人工制備土臨界狀態(tài)時(shí)的 qf-e曲線都具有很好的線性相關(guān)性.當(dāng)孔隙比 e相當(dāng)小時(shí),兩條直線將交于一點(diǎn),這說(shuō)明當(dāng) e達(dá)到某一數(shù)值時(shí),原狀土和人工制備土將具有相同的剪切強(qiáng)度,原狀土的結(jié)構(gòu)被完全破壞.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),處于同一孔隙比時(shí),原狀土的強(qiáng)度大于人工制備土的強(qiáng)度,這說(shuō)明原狀土結(jié)構(gòu)性的存在使原狀土的強(qiáng)度大于人工制備土的強(qiáng)度.而本工作得到的原狀土和人工制備土在相同圍壓下剪切時(shí),人工制備土的強(qiáng)度大于原狀土的強(qiáng)度,這是由人工制備土的孔隙比小于原狀土的孔隙比導(dǎo)致的,而孔隙比也是影響強(qiáng)度的重要因素,并不與現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)性土的強(qiáng)度特性相沖突.

圖 7的試驗(yàn)點(diǎn)和擬合曲線顯示:在正常固結(jié)狀態(tài)下,原狀土和人工制備土臨界狀態(tài)時(shí)的 v-log p曲線都具有很好的線性相關(guān)性.人工制備土在臨界狀態(tài)時(shí)的 v-log p曲線斜率與其 Cc相近,這與劍橋模型理論一致.而原狀土在臨界狀態(tài)時(shí)的 v-log p曲線斜率也與原狀土屈服后的 Cc相近.由圖可知,當(dāng)應(yīng)力很大時(shí),兩條直線將交于一點(diǎn),這說(shuō)明隨著平均有效應(yīng)力 p的增大,原狀土的結(jié)構(gòu)逐漸遭到破壞,從而使二者的 e值逐漸接近,最終達(dá)到一致.從圖中還可以看出,原狀土的臨界狀態(tài)線位于人工制備土的上方,并且原狀土的臨界狀態(tài)線的斜率大于人工制備土的臨界狀態(tài)線的斜率.由于原狀土具有結(jié)構(gòu)性,因此,用劍橋模型不能很好地預(yù)測(cè)其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,但是臨界狀態(tài)土力學(xué)的一些特性還是適用的.

圖 7 臨界狀態(tài)時(shí)原狀土和重塑土的 v-log p曲線Fig.7 v-log p curves of und isturbed and rem olded sam plesat cr itical state

4 結(jié) 論

本研究對(duì)蘇州第五層淤泥質(zhì)黏土的原狀土試樣和人工制備土試樣分別進(jìn)行物理性質(zhì)試驗(yàn)、等向壓縮試驗(yàn)、三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)和不排水剪切試驗(yàn),得到二者的壓縮曲線和應(yīng)力-應(yīng)變曲線.通過(guò)分析,得到以下結(jié)論:

(1)蘇州第五層土屬于中靈敏度、低液限粉質(zhì)黏土;原狀蘇州黏土的前期固結(jié)壓力位 Pc=99.6 kPa;蘇州黏土的塑性指數(shù) Cc、膨脹指數(shù) Cs的平均值分別為 0.256,0.058,而人工制備土的 Cc和Cs的平均值分別為 0.175,0.043.因此,原狀土與人工制備土相比,壓縮指數(shù) Cc大 31%左右,膨脹指數(shù)Cs大 25%左右;臨界狀態(tài)應(yīng)力比 M=1.29,摩擦角φ =32.1°.

(2)原狀蘇州黏土的壓縮曲線為一條具有明顯屈服點(diǎn)的曲線.在固結(jié)應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力以前,土體的壓縮量較小,為土體的回彈再壓縮過(guò)程,其壓縮系數(shù) Cc與土體回彈曲線斜率接近;當(dāng)固結(jié)壓力超過(guò)結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí),土體的壓縮量明顯增大.因此,原狀土的壓縮指數(shù) Cc為一變量;而人工制備土的壓縮曲線沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn),其壓縮曲線近似為一直線,壓縮指數(shù) Cc為一常數(shù).在相同固結(jié)壓力下,原狀土比人工制備土具有更高的孔隙比,隨著固結(jié)壓力的增大,原狀土的結(jié)構(gòu)逐漸遭到破壞,結(jié)構(gòu)性對(duì)土的力學(xué)特性影響逐漸減小,原狀土的壓縮曲線逐漸接近人工制備土的壓縮曲線.

(3)原狀土的強(qiáng)度和變形不僅與土的結(jié)構(gòu)性有關(guān),還與土的孔隙比有關(guān).在相同圍壓下剪切時(shí),由于人工制備土的孔隙比小于原狀土的孔隙比,使人工制備土的強(qiáng)度大于原狀土的強(qiáng)度.而在相同孔隙比條件下,由于結(jié)構(gòu)性的影響,原狀土的強(qiáng)度大于人工制備土的強(qiáng)度.

(4)蘇州土在高圍壓下的體應(yīng)變大于低圍壓下的體應(yīng)變.在一定范圍內(nèi)的高圍壓下,膠結(jié)破壞比較多,由此產(chǎn)生的附加變形比較大,隨著膠結(jié)的逐漸破壞,顆?；企w應(yīng)變?cè)龃?原狀蘇州黏土和重塑蘇州黏土的三軸排水剪切試驗(yàn)、三軸不排水剪切試驗(yàn)在臨界狀態(tài)時(shí)的臨界應(yīng)力比是一致的.這說(shuō)明在不同試驗(yàn)條件下,蘇州黏土具有統(tǒng)一的臨界狀態(tài),即蘇州黏土具有很強(qiáng)的臨界狀態(tài)歸一性.

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M echan ical Behav ior of Suzhou Clay

SHEN Hai-e, SUN De-an, CHEN Bo
(Department of Civil Engineering,Shanghai University,Shanghai200072,China)

A number of isotropic compression and consolidated-drained and undrained triaxial tests on undisturbed and reconstituted Suzhou clay have been carried out to study the compression and shear characteristics.The comparison of compression curves of undisturbed and reconstituted samples shows that the undisturbed samp les have larger void ratio,comp ression index and swell index under the same confining pressure.The comparison of stress ratio-strain curves of undisturbed and reconstituted samples show s that the confining p ressure has no effect on the reconstituted samp les but has an effect on the undisturbed samples.In other words,the stress ratio is high with shearing at the low confining pressure.Also,strength of undisturbed samples is lower than the reconstituted sampleswhen sheared under the same confining pressure.This behavior is caused by the difference in void ratio.

undisturbed soil;reconstituted soil;deformation characteristic;isotrop ic comp ression test;consolidated-drained test

TU 411

A

1007-2861(2011)02-0209-07

10.3969/j.issn.1007-2861.2011.02.018

2009-05-10

孫德安 (1962～),男,教授,博士生導(dǎo)師,博士,研究方向?yàn)榉秋柡屯亮W(xué)和土的基本性質(zhì).E-mail:Sundean06@163.com

(編輯:孟慶勛)

作為一種在復(fù)雜地質(zhì)條件下形成的天然材料,土在長(zhǎng)期沉積過(guò)程中不可避免地具有一定的結(jié)構(gòu)性.所謂結(jié)構(gòu)性是指土顆粒本身的形狀、大小和特性,土顆粒在空間的排列形式、孔隙狀況及顆粒間接觸和聯(lián)結(jié)特性的總和[1].結(jié)構(gòu)性的存在使原狀土和人工制備土的強(qiáng)度、變形特性存在一定的差異[2-9].目前廣泛應(yīng)用的劍橋模型[10]是根據(jù)重塑黏土試驗(yàn)結(jié)果,以臨界狀態(tài)土力學(xué)為基礎(chǔ)建立起來(lái)的彈塑性模型,而實(shí)際工程場(chǎng)地中的土體是具有結(jié)構(gòu)性的原狀土.因此,需要了解原狀土的力學(xué)特性,并在此基礎(chǔ)上建立反映原狀土力學(xué)特性的本構(gòu)模型,即結(jié)構(gòu)性本構(gòu)模型.沈珠江[5]認(rèn)為建立土的結(jié)構(gòu)性模型是“21世紀(jì)土力學(xué)的核心問(wèn)題”.相關(guān)研究還表明,不同的黏土具有不同的結(jié)構(gòu)性.因此,研究蘇州黏土的結(jié)構(gòu)性,對(duì)正確認(rèn)識(shí)該地區(qū)黏土的工程特性、合理分析工程建設(shè)中變形與強(qiáng)度等問(wèn)題具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義,同時(shí)加強(qiáng)了對(duì)結(jié)構(gòu)性土的認(rèn)識(shí).