卞　夏　 丁建文　 史　劍

(1河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室, 南京 210098)(2河海大學巖土工程科學研究所, 南京 210098)(3東南大學巖土工程研究所, 南京 210096)

考慮超固結(jié)比影響的硬黏土應力靈敏度變化規(guī)律

卞夏1,2丁建文3史劍3

(1河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室, 南京 210098)(2河海大學巖土工程科學研究所, 南京 210098)(3東南大學巖土工程研究所, 南京 210096)

摘要:為了分析土結(jié)構(gòu)性對強超固結(jié)性硬黏土力學性狀的影響,提出了考慮超固結(jié)比影響的固有壓縮線的概念,重新定義了考慮超固結(jié)比影響的硬黏土應力靈敏度．通過耦合超固結(jié)比和土結(jié)構(gòu)性對硬黏土力學性狀的影響,并將應力靈敏度的概念從單一應力水平拓展至當前應力水平,探討了考慮超固結(jié)比影響的硬黏土應力靈敏度隨應力水平的變化規(guī)律．結(jié)果表明:在半對數(shù)坐標系中,考慮超固結(jié)比影響的硬黏土應力靈敏度與重塑孔隙指數(shù)呈線性關(guān)系．不同硬黏土應力靈敏度隨應力水平的變化規(guī)律能夠通過孔隙指數(shù)差進行歸一化處理．基于考慮超固結(jié)比影響的硬黏土應力靈敏度變化規(guī)律,提出了屈服后階段硬黏土壓縮曲線的計算模型．

關(guān)鍵詞:硬黏土;土結(jié)構(gòu)性;應力靈敏度;超固結(jié)比

隨著地面空間利用率的逐漸飽和,地下空間的開發(fā)利用變得越來越重要．例如,英國倫敦地鐵系統(tǒng)已經(jīng)延伸至地下近百米[1];核廢料往往需要放置在地下幾百米深處進行處置[2]．地下較深處所要面對的研究對象往往是硬黏土．Cui等[2]著重研究了硬黏土作為核廢料處置中的載體,在熱-水-力耦合作用下的力學性質(zhì)問題;郭楊等[3]分析了硬黏土中PHC管樁中的承載力問題;周健等[4]探討了地鐵動荷載作用下硬黏土的力學特性．

天然沉積硬黏土在沉積過程和后沉積過程中受到風化、侵蝕等作用,具有很強的超固結(jié)性,一般采用超固結(jié)比(即歷史上受到的最大有效應力與當前有效應力的比值)進行定量描述．硬黏土的壓縮、強度等力學性狀均受超固結(jié)比影響,與軟黏土存在較大差異[5-8]．近期研究表明,天然沉積硬黏土同樣受到土結(jié)構(gòu)性的影響,使得在相同孔隙比下天然沉積硬黏土相比于重塑土能夠承受更大的壓力,具有更大的峰值強度和體積模量[8-9]．因此,研究硬黏土力學性狀時需要著重探討超固結(jié)比和土結(jié)構(gòu)性的影響．目前,在定量評價土結(jié)構(gòu)性對天然沉積土力學性狀影響的研究中,最為重要的成果為Chandler等[7,10]提出的靈敏度評價體系．該體系中的評價基準線——固有壓縮線ICL的應力靈敏度為1．然而,天然沉積硬黏土通常具有強超固結(jié)性,兩者之間初始狀態(tài)的不一致性會導致無法直接定量評價土結(jié)構(gòu)性對天然沉積硬黏土力學性狀的影響．因此,如何耦合考慮超固結(jié)性和土結(jié)構(gòu)性對于天然沉積硬黏土力學性狀的影響,以及如何定量評價土結(jié)構(gòu)性對天然沉積硬黏土力學性狀的影響,是值得進一步深入研究的課題．

本文通過收集已有文獻中的天然沉積硬黏土壓縮曲線,考慮超固結(jié)比的影響,拓展了硬黏土應力靈敏度的概念,并以此為基礎(chǔ)探討了硬黏土應力靈敏度隨應力水平的變化規(guī)律．

1應力靈敏度

Burland[6]提出的孔隙指數(shù)定義如下:

(1)

(2)

(3)

式中,eL為液限孔隙比．式(2)和(3)適用于液限范圍為25%～160%的土樣．

Burland[6]指出,初始含水率為1.25倍液限重塑土的壓縮曲線能夠歸一化為唯一的固有壓縮線ICL,表示為

(4)

基于Burland[6]提出的固有壓縮概念,Chandler等[7,10]以應力靈敏度作為定量描述天然沉積土與重塑土力學性狀差異的唯一變量,提出了靈敏度評價體系,為定量評價土結(jié)構(gòu)性對天然沉積土力學性狀的影響提供了基礎(chǔ)理論體系．Gasparre等[9]擴展了應力靈敏度的概念,將單一應力水平拓展至當前應力水平,假定應力靈敏度Sσ表示當前應力水平下天然沉積硬黏土壓縮曲線與ICL上相同孔隙指數(shù)對應豎向有效應力的比值,即

(5)

為了研究硬黏土應力靈敏度隨應力水平的變化規(guī)律,本文收集了已有文獻中12組典型的硬黏土一維壓縮試驗數(shù)據(jù)進行分析．硬黏土的基本物性指標列于表1．由表可知,硬黏土的天然含水率與液限的比值為0.35～0.50,遠低于液限含水率．硬黏土的超固結(jié)比為2.4～17.0,大部分硬黏土具有強超固結(jié)性．

采用Burland[6]提出的固有壓縮參數(shù)經(jīng)驗公式得到的硬黏土歸一化壓縮曲線繪于圖 1中．圖中,Iv為硬黏土孔隙指數(shù)．由圖可知,以Burland[6]提出的固有壓縮參數(shù)經(jīng)驗公式計算孔隙指數(shù),將硬黏土壓縮曲線進行歸一化后,常會出現(xiàn)歸一化壓縮曲線位于固有壓縮線ICL下方的現(xiàn)象,即應力靈敏度小于1,顯然與靈敏度評價理論體系矛盾．這表明應用靈敏度評價體系分析土結(jié)構(gòu)性對硬黏土力學性狀影響時,受超固結(jié)比影響的天然沉積硬黏土壓縮曲線與固有壓縮線ICL間初始狀態(tài)不一致的現(xiàn)象將導致分析結(jié)果不合理．

表1　12組硬黏土基本物性指標

圖1　歸一化硬黏土壓縮曲線

2考慮超固結(jié)比的應力靈敏度定義

靈敏度評價體系的評價基準固有壓縮線ICL是基于正常固結(jié)重塑土壓縮試驗得到的,其對應的超固結(jié)比為1,而天然沉降硬黏土具有強超固結(jié)性,因此,對天然沉積硬黏土進行靈敏度評價時需要對評價基準線——固有壓縮線ICL進行拓展．如圖 2所示,通過將固有壓縮線ICL沿橫坐標向左平移可使平移后的拓展固有壓縮線與天然沉積硬黏土壓縮曲線具有相同的超固結(jié)比,從而耦合考慮了超固結(jié)比和土結(jié)構(gòu)性對硬黏土壓縮性狀的影響．

因此,考慮超固結(jié)比影響的硬黏土應力靈敏度可表示為

(6)

式中,ROCR為超固結(jié)比．

圖2　考慮超固結(jié)比的硬黏土應力靈敏度定義

3硬黏土應力靈敏度的變化規(guī)律

3.1硬黏土應力靈敏度與重塑孔隙指數(shù)的關(guān)系

(7)

式中,bss為線性關(guān)系的截距,與土體特性相關(guān)．

圖3　硬黏土應力靈敏度與重塑孔隙指數(shù)的關(guān)系

3.2硬黏土應力靈敏度與孔隙指數(shù)差的關(guān)系

受土結(jié)構(gòu)性影響,在相同固結(jié)壓力下天然沉積硬黏土壓縮曲線與固有壓縮線ICL存在孔隙指數(shù)差ΔIv(見圖2)．考慮超固結(jié)比影響的硬黏土應力靈敏度Sσa與對應孔隙指數(shù)差ΔIv的變化關(guān)系見圖 4．由圖可知,在半對數(shù)坐標系中,Sσa與ΔIv呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,可以表示為

ΔIv=0.25lnSσa

(8)

由式(8)可知,應力靈敏度Sσa越大,所對應的孔隙指數(shù)差ΔIv也越大,表明土結(jié)構(gòu)性越強,所能抵抗的孔隙指數(shù)差越大．隨著應力水平的增大,土結(jié)構(gòu)性逐漸損傷,應力靈敏度Sσa伴隨著孔隙指數(shù)差ΔIv逐漸減?。擲σa=1時,ΔIv=0,土結(jié)構(gòu)性完全喪失,天然沉積硬黏土壓縮曲線回到固有壓縮線ICL上．因此,不同天然沉積硬黏土的應力靈敏度隨應力水平的變化規(guī)律可以采用孔隙指數(shù)差ΔIv進行歸一化．

圖4　硬黏土應力靈敏度與孔隙指數(shù)差的關(guān)系

4硬黏土壓縮曲線計算模型

(9)

將式(7)和(8)代入式(9)中,可得

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

將式(13)代入式(12)中，可得

(16)

(a) 文獻[6,9,11]中的試驗數(shù)據(jù)

(b) 文獻[12-13]中的試驗數(shù)據(jù)

5結(jié)論

1) 以具有相同超固結(jié)比的固有壓縮線作為評價硬黏土應力靈敏度的基準線,重新定義了考慮超固結(jié)比影響的硬黏土應力靈敏度,從而解決了受超固結(jié)比影響的硬黏土壓縮曲線與固有壓縮線ICL間初始狀態(tài)不一致對土結(jié)構(gòu)性定量評價影響的問題．

3) 基于考慮超固結(jié)比影響的應力靈敏度變化規(guī)律,提出了硬黏土屈服后階段壓縮曲線的計算模型,并且通過收集的天然沉積硬黏土一維壓縮試驗數(shù)據(jù)驗證了其有效性．

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Variationlawofstresssensitivityforstiffclayconsideringeffectsofoverconsolidationratio

BianXia1,2DingJianwen3ShiJian3

(1KeyLaboratoryofMinistryofEducationforGeomechanicsandEmbankmentEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China) (2GeotechnicalResearchInstitute,HohaiUniversity,Nanjing210098,China) (3InstituteofGeotechnicalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

Abstract:To analyze the influences of soil structure on the mechanical behaviors of overconsolidated stiff clay, the intrinsic compression line considering the effect of the overconsoildaiton ratio is proposed. Accordingly, the stress sensitivity of stiff clay considering the effect of the overconsoildaiton ratio is redefined. By coupling the effects of soil structure and overconsolidation on the mechanical behaviors of overconsolidated stiff clay and extending the definition of stress sensitivity from single stress level to current stress level, the variation law of the stress sensitivity considering the effect of the overconsoildaition ratio with the stress level is investigated. The results show that in the semi-logarithm plot, there is a good linear relationship between the stress sensitivity of stiff clay considering the effect of the overconsolidation ratio and the intrinsic void index. The variation law of the stress sensitivity of different stiff clays with the stress level can be normalized by the void index difference. Based on the variation law of the stress sensitivity of stiff clay considering the effect of the overconsoildaition ratio, a computation model of the compression line for natural stiff clay at the post-yield state is also proposed.

Key words:stiff clay; soil structure; stress sensitivity; overconsolidation ratio

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.028

收稿日期:2016-01-18.

作者簡介:卞夏(1988—)，男，博士；丁建文(聯(lián)系人)，男，博士，副教授， jwding@seu.edu.cn.

基金項目:國家自然科學基金資助項目(41372309，41502263)、江蘇省自然科學基金資助項目(BK20150819)、中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(2015B00914)、“十二五”國家科技支撐計劃資助項目(2015BAB07B06).

中圖分類號:TU 41

文獻標志碼:A

文章編號:1001-0505(2016)03-0624-05

引用本文: 卞夏,丁建文,史劍.考慮超固結(jié)比影響的硬黏土應力靈敏度變化規(guī)律[J].東南大學學報(自然科學版),2016,46(3):624-628.DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.028.