馮 濤

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的逐步加速，城市軌道交通建設(shè)迎來(lái)了新的建設(shè)高潮。區(qū)別于傳統(tǒng)鐵路勘察對(duì)巖土試驗(yàn)參數(shù)的要求，軌道交通對(duì)能模擬工況的三軸試驗(yàn)的需求越來(lái)越多。其中以CU試驗(yàn)最為常用，室內(nèi)三軸試驗(yàn)是在太沙基提出的有效應(yīng)力理論的基礎(chǔ)上確定土體總抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值與有效抗剪強(qiáng)度參數(shù)c'、φ'［1］。本文通過(guò)對(duì)常州地鐵1號(hào)線各土層的三軸試驗(yàn)結(jié)果，分析其相關(guān)參數(shù)的規(guī)律與異常并提出解決對(duì)策。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)儀器采用KTG全自動(dòng)三軸儀，采用的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102—2010)，利用真空飽水機(jī)飽和，在常圍壓下進(jìn)行應(yīng)變控制的軸向壓縮試驗(yàn)，取最大主應(yīng)力差(σ1-σ3)max或者軸向應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力差為抗壓強(qiáng)度［2］。

1.2 試驗(yàn)理論

試驗(yàn)以庫(kù)侖公式和莫爾圓結(jié)合建立的破壞準(zhǔn)則莫爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則為基礎(chǔ)［3］，以不同圍壓下若干個(gè)試樣破壞時(shí)的應(yīng)力圓畫出莫爾破壞包線，在一定圍壓區(qū)間里，可用直線表示，庫(kù)侖公式為

式中，τf為抗剪強(qiáng)度;c為黏聚力;σ為滑動(dòng)面上的垂直應(yīng)力;φ為內(nèi)摩擦角。

根據(jù)極限平衡條件得到的總應(yīng)力與有效應(yīng)力平衡條件式為

式中，(σ1-σ3)f/2與(σ'1-σ'3)f/2分別為不同狀態(tài)最大剪應(yīng)力面上的剪應(yīng)力，也是總應(yīng)力圓與有效應(yīng)力圓的半徑;(σ1+σ3)f/2與(σ'1+σ'3)f/2分別為最大剪應(yīng)力面上的法向總應(yīng)力與法向有效應(yīng)力，也是總應(yīng)力圓與有效圓的圓心［4］。

2 異常參數(shù)分析

2.1 孔隙水壓力系數(shù)A f

孔隙水壓力系數(shù)的定義為:在三軸試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭蠥f為在偏應(yīng)力Δσ1-Δσ3條件下的孔隙壓力系數(shù)，當(dāng)試樣受到軸向應(yīng)力增量作用下，產(chǎn)生的孔隙水壓力為Δu2，其大小與主應(yīng)力差Δσ1-Δσ3及土樣的飽和度有關(guān)

式中，B為施加等向壓力增量Δσ3條件下的孔隙壓力系數(shù)，在飽和土體中，空隙被水填充，而水不可壓縮，故Δσ3全部由孔隙水承擔(dān)，故飽和土的B=Δu1/Δσ3=1。所以B的值也可作為判定土的飽和程度，飽和度越大，B 越接近1［5］。故 Δu=Δu2+ Δu1，而在 CU試驗(yàn)剪切過(guò)程中，Δσ3不考慮，原本的孔隙水壓力消散，在剪切時(shí)的孔壓為偏應(yīng)力下的孔壓增量

同時(shí)根據(jù)有效應(yīng)力原理，土體由三相組成，土體在在剪切過(guò)程中產(chǎn)生孔隙水壓力u，即σ=σ'-u，根據(jù)式(2)與式(3)可得，在應(yīng)力差的強(qiáng)度包線圖上，半徑和圓心坐標(biāo)分別為

由此可在強(qiáng)度包線圖上得出，有效應(yīng)力圓等于總應(yīng)力圓圓心平移了u的距離［6］。

然而在常州地鐵三軸的實(shí)際試驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)遇到如圖1所示情況。

圖1 應(yīng)力差強(qiáng)度包線

如圖1所示，分別進(jìn)行100、200、300 kPa圍壓下的CU試驗(yàn)，測(cè)得其不同圍壓下破壞時(shí)的主應(yīng)力差σ1-σ3分別為 316、418、605 kPa，Af值分別為 -0.02、0.07、0.08，由此根據(jù)前面的公式(4)、(5)得出破壞時(shí)的孔隙水壓力為u100=-15 kPa、u200=33 kPa、u300=51 kPa。生成的應(yīng)力差強(qiáng)度包線為200、300 kPa的有效應(yīng)力圓相對(duì)總應(yīng)力圓左移，而100 kPa圍壓的有效應(yīng)力圓則右移。不同圍壓下應(yīng)力圓移動(dòng)的距離分別為-15、33、51。其中以往左移動(dòng)為正，往右移動(dòng)為負(fù)。通過(guò)對(duì)所做試驗(yàn)出現(xiàn)圖1異常情況的部分土樣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析如表1所示。

從表2中，我們可以看出出現(xiàn)Af為負(fù)值的基本為粉質(zhì)黏土，且埋藏較淺，根據(jù)常州地區(qū)地質(zhì)勘查報(bào)告得該地區(qū)理論上地下水位高，土體天然飽和。埋藏較淺的土層如表1編號(hào)1～5號(hào)基本上屬于④1層，層低埋深6.9～13.8 m，時(shí)代為Q3al+l，土性均勻，為中等壓縮性土［7］。通過(guò)對(duì)經(jīng)典土力學(xué)的查閱，找到類似飽和黏土的經(jīng)驗(yàn)Af值。

表1 土樣物理性相關(guān)指標(biāo)

表2 飽和黏土的A f值

對(duì)比可得，如要符合表2中Af為負(fù)數(shù)的情況，表1中的土必須均為超固結(jié)土或弱固結(jié)土。然而由于④1層埋藏較淺，對(duì)其進(jìn)行先期固結(jié)壓力試驗(yàn)，測(cè)算其先期固結(jié)壓力值，結(jié)果如表3所示。

表3 先期固結(jié)壓力結(jié)果

所以，根據(jù)其OCR的值，表1中的土均具有超固結(jié)結(jié)構(gòu)特性，剪切時(shí)的孔隙壓力系數(shù)Af將隨著超固結(jié)比的增加而從正值減小到負(fù)值［8］。同時(shí)對(duì)比該土的主應(yīng)力差、孔隙壓力與軸向應(yīng)變的關(guān)系，我們可以發(fā)現(xiàn)。

(1)在設(shè)置圍壓較低的情況下，土樣為超固結(jié)狀態(tài)，具有超固結(jié)特性的土，在剪切破壞時(shí)初始階段為處于壓縮狀態(tài)，剪應(yīng)力較小，這個(gè)階段土顆粒被擠向更緊密的排列，與側(cè)限壓縮情況類似，隨著主應(yīng)力差繼續(xù)增大，到達(dá)某一峰值，剪應(yīng)力隨著應(yīng)變?cè)龃蠖^低，可以理解為顆粒與顆粒間的咬合作用逐漸喪失，顆粒產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，最后剪應(yīng)力趨于穩(wěn)定(圖2)，即所謂的殘余強(qiáng)度［9］，該現(xiàn)象也稱作土的軟化現(xiàn)象。圖2中P3＞P2＞P1，可見(jiàn)軟化現(xiàn)象也隨著圍壓增而大越明顯。

圖2 主應(yīng)力差-軸向應(yīng)變曲線

(2)土體在初始剪切的時(shí)候，隨著土樣的壓縮，空隙縮小，使得空隙水壓力上升，即產(chǎn)生正空隙水壓力使得有效周圍壓力減小來(lái)保持體積不變，反之隨著土樣剪脹，空隙增大，孔隙水下降或者為負(fù)值(圖3)，即產(chǎn)生負(fù)的孔隙水壓力使得有效周圍壓力增加來(lái)保持體積不變［10］。同時(shí)圍壓的約束力越小，剪脹越容易，這就是為什么低圍壓下容易出現(xiàn)負(fù)孔隙水壓力。

圖3 孔壓-軸向應(yīng)變曲線

(3)三軸應(yīng)力圓包線的計(jì)算是取剪切應(yīng)變15%或者應(yīng)力差峰值為破壞點(diǎn)，圖3中的孔壓峰值基本出現(xiàn)在應(yīng)變5%作用，圖2中的剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)在10%～15%，即2個(gè)參數(shù)不同步，所取得破壞孔壓也不是峰值。

2.2 有效抗剪強(qiáng)度參數(shù)c'、φ'

在摩爾圓的強(qiáng)度包線圖中，我們會(huì)得到兩個(gè)不同的破裂面，繼而得到效抗剪強(qiáng)度參數(shù)c'、φ'與總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ。在實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算時(shí)，對(duì)這兩組參數(shù)的選擇常常存在爭(zhēng)議，如圖4、圖5所示為CU試驗(yàn)中常見(jiàn)的兩種曲線類型。

其中圖4的曲線是經(jīng)常出現(xiàn)的，而針對(duì)圖5中兩條破壞包絡(luò)線幾乎平行，造成c＜c'的情況。盡管抗剪指標(biāo)c和φ本質(zhì)上是描述抗剪強(qiáng)度的數(shù)學(xué)參數(shù)而已，不代表真正的破壞位置［11］，但在實(shí)際試驗(yàn)中，我們需要對(duì)取值進(jìn)行調(diào)整，因此我們從剪切過(guò)程中，根據(jù)主應(yīng)力差與孔壓的變化，對(duì)不同破壞標(biāo)準(zhǔn)［12］來(lái)進(jìn)行分析。

圖4 應(yīng)力差強(qiáng)度包線(一)

圖5 應(yīng)力差強(qiáng)度包線(二)

圖4與圖5土樣的應(yīng)力過(guò)程及不同破壞標(biāo)準(zhǔn)分別如表4中編號(hào)1、2所示，同時(shí)結(jié)合其孔壓、應(yīng)力差與軸向應(yīng)變曲線(圖6)可知1號(hào)土在剪切過(guò)程中主應(yīng)力場(chǎng)一直在增大，孔壓也在增大，在接近15%應(yīng)變時(shí)達(dá)到峰值并開(kāi)始減小，因主應(yīng)力差沒(méi)有峰值最后取15%的應(yīng)變?yōu)槠茐狞c(diǎn)，3個(gè)土樣的應(yīng)力、孔壓曲線相似，路徑與破壞標(biāo)準(zhǔn)一致。

表4 不同抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)應(yīng)的破壞標(biāo)準(zhǔn)

圖6 1號(hào)主應(yīng)力差、孔壓與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

根據(jù)土樣編號(hào)2的數(shù)據(jù)，結(jié)合其孔壓、主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(圖7)，可以發(fā)現(xiàn)，2號(hào)土樣不同圍壓的土樣，在剪切過(guò)程中主應(yīng)力差、孔壓都在增大，100、200 kPa圍壓的土樣在孔壓到達(dá)峰值后，開(kāi)始減小，主應(yīng)力差一直增大到15%應(yīng)變?yōu)槠茐狞c(diǎn)，而300 kPa圍壓的土樣孔壓沒(méi)有峰值一直增大，直到應(yīng)變到達(dá)13.5%，主應(yīng)力差出現(xiàn)峰值作為破壞點(diǎn)，故300 kPa圍壓破壞點(diǎn)的判定標(biāo)準(zhǔn)與其他2個(gè)圍壓的土樣不同。如要進(jìn)行調(diào)整，可依據(jù)破壞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新畫線，如圖8所示，與前2個(gè)有效圓相切，得到的數(shù)據(jù)更可靠。編號(hào)3、4的破壞標(biāo)準(zhǔn)差別更大，其破壞時(shí)應(yīng)變大都在5%左右，破壞點(diǎn)接近孔壓峰值，其所得有效抗剪參數(shù)屬于其特定剪切特征［13］。

由于三軸儀器的誤差，以及土樣的各向異性，不能保證在同樣條件下土樣的應(yīng)變應(yīng)力相同，因此如出現(xiàn)不同破壞標(biāo)準(zhǔn)的差異的土樣，特別是那些c小于c'的試樣(如表4中編號(hào)3、4)，可做上1個(gè)超固結(jié)的土樣，如果不考慮儀器帶來(lái)的影響，同時(shí)土樣是飽和的，那么有效應(yīng)力圓圈將相對(duì)向右移了(即有效應(yīng)力大于總應(yīng)力)，這樣連出來(lái)的包線將合理一些。

圖7 編號(hào)2主應(yīng)力差、孔壓與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

圖8 調(diào)整后應(yīng)力強(qiáng)度包線

3 結(jié)語(yǔ)

(1)三軸CU試驗(yàn)中，孔隙水壓力系數(shù)B可作為初步判斷土樣飽和的指標(biāo)，飽和度越大，B越接近1。具有超固結(jié)特性的土，在剪切過(guò)程中容易產(chǎn)生側(cè)脹，導(dǎo)致孔隙水壓力降低甚至為負(fù)，即Af變化從而影響有效應(yīng)力摩爾圓的位置。

(2)抗剪指標(biāo)c和φ本質(zhì)上是描述抗剪強(qiáng)度的數(shù)學(xué)參數(shù)而已，它們是不具有物理意義，在三軸CU試驗(yàn)中，有效內(nèi)摩擦角φ'＞φ，這是經(jīng)過(guò)實(shí)踐和理論驗(yàn)證過(guò)的，而c值的大小不定，依據(jù)土樣不同的破壞標(biāo)準(zhǔn)而不同。強(qiáng)度包線的選擇依據(jù)多數(shù)土樣相同的破壞標(biāo)準(zhǔn)而定。

(3)由于儀器的誤差及常州地區(qū)土樣的特殊性，本文的研究不一定具有普遍性，只針對(duì)常州本地土樣特性。

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