李校兵，郭林，蔡袁強(qiáng)，胡秀青

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0固結(jié)飽和軟黏土的三軸應(yīng)力路徑試驗(yàn)研究

李校兵1, 2，郭林2，蔡袁強(qiáng)1, 2，胡秀青2

(1. 浙江大學(xué)軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州，310027；2. 溫州大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江溫州，325035)

利用GDS三軸儀對(duì)原狀溫州飽和軟黏土進(jìn)行5種應(yīng)力路徑下的0固結(jié)三軸不排水試驗(yàn)，分析不同應(yīng)力路徑下土體的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系、孔壓發(fā)展及有效應(yīng)力路徑。利用Skempton公式對(duì)常圍壓下應(yīng)變與孔壓的雙曲線關(guān)系進(jìn)行修正，建立不同應(yīng)力路徑下孔壓與應(yīng)變之間統(tǒng)一的表達(dá)式。研究結(jié)果表明：在不同應(yīng)力路徑下，0固結(jié)軟黏土的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系和孔壓發(fā)展均表現(xiàn)出明顯的區(qū)別。由于不同總應(yīng)力路徑下飽和軟黏土孔壓的產(chǎn)生抵消了圍壓的變化值，使有效應(yīng)力路徑基本一致。在本文采用的應(yīng)力路徑下，正常固結(jié)黏土??具有唯一性關(guān)系。

基坑開挖；0固結(jié)；應(yīng)力路徑；孔壓

工程中的土體單元在受到荷載作用時(shí)，應(yīng)力狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化。大量的研究表明，土的力學(xué)性質(zhì)不僅取決于土體最初和最終的應(yīng)力水平和狀態(tài)，而且與應(yīng)力狀態(tài)變化方式(應(yīng)力路徑)及此前所受的荷載作用(應(yīng)力歷史)有關(guān)。自應(yīng)力路徑概念被提出以來，研究者開始在土性分析中考慮應(yīng)力路徑的影響[1?4]。近年來，楊光等[5]采用大型三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)粗粒料進(jìn)行了常規(guī)三軸、等應(yīng)力和等應(yīng)力比等不同應(yīng)力路徑的試驗(yàn)。應(yīng)宏偉等[6]提出考慮主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的三維應(yīng)力路徑，采用數(shù)值方法對(duì)基坑開挖過程中的應(yīng)力路徑進(jìn)行了深入分析。遲明杰等[7]在對(duì)已有試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，從細(xì)觀角度研究了應(yīng)力路徑對(duì)砂土變形特性的影響。這些研究成果都表明應(yīng)力路徑對(duì)砂土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系有顯著的影響。然而，早期研究的試驗(yàn)對(duì)象都是砂土等無黏性土。隨著試驗(yàn)儀器的不斷改進(jìn)，關(guān)于軟黏土的應(yīng)力路徑試驗(yàn)于20世紀(jì)90年代末開展起來。Callisto等[8]采用真三軸應(yīng)力路徑研究了天然軟土的力學(xué)特性，并將試驗(yàn)結(jié)果與重塑土進(jìn)行了對(duì)比。Malanraki等[9]則采用人工制備結(jié)構(gòu)性土樣進(jìn)行剪切過程中不斷改變應(yīng)力路徑的常規(guī)三軸試驗(yàn)。楊雪強(qiáng)等[10]采用常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)和真三軸平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)研究不同應(yīng)力路徑下土體的變形特性和破壞特性。曾玲玲 等[11?13]通過固結(jié)不排水剪切應(yīng)力路徑試驗(yàn)對(duì)廣州南沙典型軟土在不同固結(jié)條件下的力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。王軍等[14?19]對(duì)各向同性固結(jié)的溫州飽和軟黏土進(jìn)行了動(dòng)剪應(yīng)力與動(dòng)正應(yīng)力耦合應(yīng)力路徑下的試驗(yàn)，研究了循環(huán)偏應(yīng)力和循環(huán)圍壓耦合對(duì)飽和軟黏土孔壓特性的影響。然而，天然軟黏土往往處于0固結(jié)狀態(tài)，目前關(guān)于0固結(jié)軟黏土的三軸應(yīng)力路徑試驗(yàn)數(shù)據(jù)還比較少?；诖?，本文作者針對(duì)原狀溫州飽和軟黏土進(jìn)行0固結(jié)三軸不排水應(yīng)力路徑試驗(yàn)，分析不同應(yīng)力路徑下土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、孔壓發(fā)展及有效應(yīng)力和路徑。

1 試驗(yàn)土樣及方案

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)采用了天然溫州軟黏土試樣，取自于溫州茶山高教園區(qū)甌江學(xué)院實(shí)驗(yàn)樓項(xiàng)目基坑內(nèi)(開挖深度為7~8 m)。為了減少擾動(dòng)獲得原狀土試樣，特制了直徑150 mm、長(zhǎng)250 mm的薄壁管，將其緩慢插入經(jīng)過人工整平的基坑底部，然后小心取出薄壁管，將兩端密封以后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，并存儲(chǔ)在恒溫恒濕箱內(nèi)。

該軟黏土試樣的黏粒(粒徑＜5 μm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為57%，粉粒(5 μm≤≤74 μm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為41%，基本物理力學(xué)指標(biāo)如下：相對(duì)密度s=2.66~2.69, 天然含水量n=59%~62%，液限L=69%, 塑性指數(shù)p=38, 初始孔隙比0=1.70。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所用儀器為GDS雙向振動(dòng)三軸儀。試驗(yàn)前先利用切樣器將土樣切成試驗(yàn)所需尺寸(直徑50 mm，高100 mm)，然后裝入GDS三軸壓力室進(jìn)行反壓飽和，反壓采用280 kPa，采用孔壓系數(shù)檢測(cè)土樣的飽和程度，當(dāng)孔壓系數(shù)大于0.98時(shí)即認(rèn)為土樣達(dá)到飽和要求，之后利用GDSLAB軟件中的0固結(jié)模塊對(duì)試樣進(jìn)行0固結(jié)。該模塊通過控制反壓器吸水與排水體積的比值(使該比值等于試樣初始面積與產(chǎn)生軸向位移的乘積)來實(shí)現(xiàn)試樣的0固結(jié)。0固結(jié)完成后，土樣的最終軸向應(yīng)力a0=74.5 kPa(約為土體原位上覆壓力)，圍壓r0=41 kPa。然后進(jìn)行應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)。試驗(yàn)方案如圖1所示(其中，為主應(yīng)力，為偏應(yīng)力)。

圖1 K0固結(jié)應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)示意圖

1.3 應(yīng)力路徑分析

?平面中土樣的初始平均有效主應(yīng)力0和初始偏應(yīng)力0分別為：

根據(jù)式(1)和(2)可得：0=52.2 kPa，0=33.5 kPa。在應(yīng)力路徑試驗(yàn)中，試樣軸向應(yīng)力和圍壓同時(shí)變化，引起的有效主應(yīng)力和偏應(yīng)力的變化為

定義為有效主應(yīng)力變化量和偏應(yīng)力變化量之比，則有

對(duì)于常規(guī)三軸試驗(yàn)來說，圍壓r保持不變，則=1/3。而對(duì)于其他應(yīng)力路徑而言，由于圍壓發(fā)生變化，≠ 1/3。當(dāng)進(jìn)行圍壓增大的應(yīng)力路徑試驗(yàn)時(shí)，＞1/3；反之，＜1/3。文中取=?1/3，0，1/3，1.00，1.56進(jìn)行試驗(yàn)。其中，=0為等主應(yīng)力壓縮試驗(yàn)，=1.56為沿0線的壓縮試驗(yàn)。

試驗(yàn)在不排水條件下進(jìn)行，采用應(yīng)力控制，偏應(yīng)力加載速率為0.1 kPa/min，以保證試驗(yàn)過程中孔壓的均勻性。當(dāng)試樣軸向應(yīng)變達(dá)到20%時(shí)終止試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同應(yīng)力路徑下應(yīng)力加載狀況

GDS三軸試驗(yàn)系統(tǒng)有2個(gè)獨(dú)立控制的變量，即通過分別施加圍壓和軸向應(yīng)力對(duì)試樣進(jìn)行加載。圖2所示為不同應(yīng)力路徑下的軸向應(yīng)力a和圍壓r。從圖2可以看出：GDS三軸系統(tǒng)加載穩(wěn)定，施加的應(yīng)力精度較高。當(dāng)=1/3(圖2(c))時(shí)為常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，圍壓保持不變，軸向應(yīng)力不斷增大；當(dāng)＜1/3(圖2(a)，2(b))時(shí)為圍壓減小的三軸壓縮試驗(yàn)，在軸向應(yīng)力增大的同時(shí)，圍壓在不斷減小；當(dāng)＞1/3(圖2(d)，2(e))時(shí)為圍壓增加的三軸壓縮試驗(yàn)，在軸向應(yīng)力增大的同時(shí)，圍壓也不斷增加。

η: (a) ?1/3; (b)0; (c)1/3; (d)1.00; (e)1.56

2.2 不同應(yīng)力路徑下應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系

圖3所示為不同應(yīng)力路徑下偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的變化曲線。從圖3可以看出：在不同應(yīng)力路徑下，偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的變化規(guī)律相似，基本呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化規(guī)律。這是由于試樣在略高于上覆壓力的豎向壓力下進(jìn)行0固結(jié)，此時(shí)土體為正常固結(jié)。在加載初期，隨軸向應(yīng)變的增大，偏應(yīng)力增加較快；當(dāng)軸向應(yīng)變大于10%時(shí)，偏應(yīng)力基本保持不變，而此時(shí)軸向應(yīng)變迅速增加達(dá)到20%。由于三軸試驗(yàn)中的端部效應(yīng)等，當(dāng)軸向應(yīng)變較大(a＞10%)時(shí)，土體自上而下的變形開始變得不均勻，壓縮過程中試樣中部略鼓，此時(shí)得到的平均應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系已經(jīng)不能完全反映土體真實(shí)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。因此，可將軸向應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力作為試樣的抗剪強(qiáng)度f。

由圖3還可看出：隨著增大，f不斷減小；為?1/3，0，1/3，1.00，1.56時(shí)對(duì)應(yīng)的f分別為56.2，54.2，53.2，51.4，50.3 kPa，表明在不同加載應(yīng)力路徑下，土體的強(qiáng)度不同(1.56時(shí)的強(qiáng)度比?1/3時(shí)低10%左右)。因此，在分析實(shí)際工程問題時(shí)，要盡可能按照工程中土體的真實(shí)應(yīng)力路徑確定強(qiáng)度參數(shù)。

η: 1—?1/3; 2—0; 3—1/3; 4—1.00; 5—1.56

2.3 不同應(yīng)力路徑下孔壓?應(yīng)變關(guān)系

圖4所示為不同應(yīng)力路徑下孔壓隨軸向應(yīng)變變化曲線。從圖4可見：在加載初期，隨著軸向應(yīng)變的增加，不同應(yīng)力路徑下的孔壓都有所增加；當(dāng)軸向應(yīng)變大于10%時(shí)，孔壓隨軸向應(yīng)變的增加保持不變(≥1/3)或者有所降低(＜1/3)。與應(yīng)力的情況類似，當(dāng)軸向應(yīng)變大于10%時(shí)，試樣的變形迅速而且變得不均勻，此時(shí)的孔壓也可能有所失真。

η: 1—?1/3; 2—0; 3—1/3; 4—1.00; 5—1.56

與常規(guī)三軸試驗(yàn)(常圍壓1/3)結(jié)果相比，在圍壓增加的應(yīng)力路徑下，試樣產(chǎn)生的孔壓有所增加；而在圍壓減小的應(yīng)力路徑下，試樣產(chǎn)生的孔壓有所減小。這是由于應(yīng)力路徑試驗(yàn)過程中孔壓一部分由偏應(yīng)力變化引起的，另一部分則是由于圍壓的變化而產(chǎn)生的。對(duì)于常規(guī)三軸試驗(yàn)(1/3)，由于圍壓保持不變，此時(shí)孔壓完全是偏應(yīng)力的變化所引起。陳曉平等[13]通過對(duì)常圍壓下試樣的三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得出孔壓和軸向應(yīng)變之間存在如下關(guān)系式：

而圍壓的變化所產(chǎn)生的孔壓則可使用Skempton的理論進(jìn)行計(jì)算：

對(duì)本文中的三軸試樣來說，孔壓系數(shù)≈ 0.98。

結(jié)合式(6)和(7)，可得不同應(yīng)力路徑下孔壓的統(tǒng)一表達(dá)式：

2.4 有效應(yīng)力路徑

圖7所示為0固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)的總應(yīng)力路徑與有效應(yīng)力路徑。從圖7可以看出：不同總應(yīng)力路徑下的有效應(yīng)力路徑基本一致。這是因?yàn)樵谙嗤钠珣?yīng)力下，飽和軟黏土孔壓的產(chǎn)生抵消了圍壓的變化值。

η: 1—?1/3; 2—0; 3—1/3; 4—1.00; 5—1.56

該結(jié)果說明正常固結(jié)黏土??具有唯一性關(guān)系，不排水試驗(yàn)中由于剪切過程土體體積保持不變即孔隙比保持恒定，在物態(tài)邊界面上對(duì)應(yīng)于唯一有效應(yīng)力路徑，與總應(yīng)力路徑無關(guān)[11]。

3 結(jié)論

1) 在不同應(yīng)力路徑下，土體的強(qiáng)度不同，隨著增大，強(qiáng)度不斷減小，1.56時(shí)的強(qiáng)度比=?1/3時(shí)低10%左右，因此，在分析實(shí)際工程問題時(shí)，要盡可能按照工程中土體的真實(shí)應(yīng)力路徑確定強(qiáng)度參數(shù)。

2) 與常規(guī)三軸試驗(yàn)(常圍壓1/3)結(jié)果相比，在圍壓增加的應(yīng)力路徑下，試樣產(chǎn)生的孔壓有所增加；而在圍壓減小的應(yīng)力路徑下，試樣產(chǎn)生的孔壓有所 減小。

3) 常圍壓下孔壓與應(yīng)變之間的關(guān)系可以用雙曲線函數(shù)來表達(dá)。利用Skempton公式進(jìn)行修正后，可以建立不同應(yīng)力路徑下孔壓與應(yīng)變之間統(tǒng)一的表 達(dá)式。

4) 不同總應(yīng)力路徑下的有效應(yīng)力路徑基本一致。這是因?yàn)樵谙嗤钠珣?yīng)力下，不同總應(yīng)力路徑下飽和軟黏土孔壓的產(chǎn)生抵消了圍壓的變化值。這證明在本文采用的應(yīng)力路徑下，正常固結(jié)黏土??具有唯一性關(guān)系。

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Stress path triaxial tests on0-consolidated saturated soft clay

LI Xiaobing1, 2, GUO Lin2, CAI Yuanqiang1, 2, HU Xiuqing2

(1. Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering of Ministry of Education, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;2. College of Civil Engineering and Architecture, Wenzhou University, Wenzhou 325035, China)

Five types of stress path triaxial tests were conducted on0-consolidated Wenzhou saturated soft clay under undrained conditions by GDS triaxial apparatus. The stress?strain relationship, pore water pressure evolution and effective stress path under different stress paths were discussed. Using Skempton theory, a unified formula between pore pressure and axial strain was established through modifying the hyperbolic relationship under constant confining pressure. The results show that the stress?strain relationship and pore water pressure evolution of0consolidated soft clay are very different under different stress paths. Because the variation of confining pressure is offset by the generation of pore water pressure, the effective stress paths under different stress paths almost coincide, which validates the uniqueness of relationship of??

foundation pit excavation;0consolidation; stress path; pore water pressure

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.05.033

TU443

A

1672?7207(2015)05?1820?06

2014?05?15；

2014?07?20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51109164，51408441，51478364)；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(Y1110567，LQ14E080011)；溫州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(S20090034) (Projects(51109164, 51408441, 51478364) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects(Y1110567, LQ14E080011) supported by the Natural Science Foundation of Zhejiang Province, China; Project(S20090034) supported by the Foundation of Science and Technology Department of Wenzhou City, China)

郭林，博士，講師，從事土動(dòng)力學(xué)方面的研究；E-mail: lingpray@126.com

(編輯 趙俊)