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(江蘇大學 土木工程與力學學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

我國東南沿海地區(qū)廣泛分布著軟黏土，隨著我國經濟的迅速發(fā)展，現(xiàn)代化建設的步伐不斷加快，沿海地區(qū)是我國經濟相對發(fā)達地區(qū)，許多大型工程(如高速公路、鐵路、隧道、機場和碼頭等)不可避免地要建設在這些軟黏土地基之上[1]。由于軟黏土地基排水固結緩慢，穩(wěn)定性差，沉降問題突出，在外載荷作用下土體破壞表現(xiàn)出較大的突發(fā)性，給工程建設造成極大危害，因此必須要對軟黏土的工程力學性狀有一個全面和深入的認識。

各向異性是土體的重要力學特性之一，在很大程度上影響土體的性狀。土的各向異性可分為固有各向異性和應力誘發(fā)各向異性[2]。應力誘發(fā)各向異性對天然軟黏土工程特性的影響尤為明顯，包含靜止土壓力系數(shù)K0的固結應力誘發(fā)各向異性，主要是由于天然土體的初始應力狀態(tài)為K0固結狀態(tài)，而非各向等壓狀態(tài)，因此土體固結結束后會產生各向異性。土的室內三軸試驗一般采用的是各向等壓固結，而天然土處于K0固結狀態(tài)[3]，試樣中的孔隙水壓力和有效應力會因剪切前試樣的固結狀態(tài)不同產生差異，從而影響試樣的不排水強度[4]。

國內外學者圍繞土的不排水強度開展了大量的研究工作，主要集中在三軸等向固結或K0固結條件下的研究[5-11]，但對兩者的對比研究開展的比較少。本文中通過獲取天然沉積土原狀樣，開展三軸等向固結和K0固結不排水剪切試驗，探索固結方式對天然沉積土不排水強度性狀的影響規(guī)律。

1 土樣基本特性

試驗土樣取自江蘇省連云港市某工程場地，采用大直徑聚氯乙烯管(內徑為30 cm，高度為30 cm)獲取高質量的原狀土樣，現(xiàn)場取土深度為2.5 m，場地地下水位為1.5 m。首先將取回的土樣進行常規(guī)的室內土工試驗，測定其基本物理指標，如表1所示。根據(jù)試驗結果，繪制土的塑性圖，如圖1所示。從圖中可以看出，土樣位于A線上方，B線右側，屬于高液限黏性土。

表1 土的基本物理指標

圖1 試驗土樣的塑性圖

2 試驗方案

通過TKA系列全自動應力路徑三軸儀中的K0固結模塊，測得該土樣的靜止土壓力系數(shù)K0為0.59，K0表示為

(1)

在三軸試驗中，土樣的應力狀態(tài)可用q-p′關系來表示，其中q為偏應力或廣義剪應力，p′為有效均應力，分別表示為

(2)

(3)

采用切土器平行制備一組三軸原狀樣(直徑為3.91 cm，高度為8 cm)，采用TKA系列全自動應力路徑三軸儀分別進行等向與K0固結不排水剪切試驗，結果如圖2所示。等向固結與K0固結的區(qū)別在于等向固結始終保持偏應力q=0，而K0固結偏應力q隨p′線性增大，由K0=0.59代入式(2)、(3)，可以計算出q/p′=0.56。 具體試驗時，首先對土樣進行反壓飽和，待飽和度達到0.95后進行固結試驗；等向固結試驗采用等向固結模塊，有效均應力p′分別取15、25、50、100、150、200 kPa；K0固結試驗采用K0固結模塊，沿K0線固結(q/p′=0.56)，分別設置有效均應力p′為15、25、50、100、150、200 kPa；待固結穩(wěn)定后，進行不排水剪切試驗，剪切速率設為0.073 mm/min。

K0為靜止壓力系數(shù)；p為偏應力；p′為有效均應力。圖2 土樣固結方式示意圖

3 試驗結果分析

對試驗原狀土樣進行等向固結與K0固結不排水剪切試驗，得到不同p′下的偏應力與軸向應變的關系曲線，分別如圖3所示。在圖3(a)的K0固結的關系曲線中，由于土樣沿著K0線固結，土樣在不同p′下固結完成時具有一定的q值，因此當軸向應變εa=0時，q不為0。在圖3(b)的等向固結關系曲線中，當εa=0時，所有土樣的q均為0。通過對比圖3可以看出，等向固結與K0固結土樣在低有效均應力(p′=15、25、50 kPa)時，呈現(xiàn)應變硬化現(xiàn)象。

(a)K0固結

(b)等向固結p′為有效均應力。圖3 土樣K0(靜止土壓力系數(shù))固結和等向固結應力-應變曲線

隨著有效均應力p′的增大，應力-應變關系曲線均呈現(xiàn)應變軟化特征。

為了進一步比較K0固結與等向固結下的不排水強度特性，根據(jù)圖3確定不同p′下的不排水強度Su值，結果如圖4所示。若q-εa曲線在εa=15%前出現(xiàn)最大偏應力qmax時，取Su=qmax/2，未出現(xiàn)最大偏應力時，則取εa=15%對應的q值的一半作為Su。

為三軸屈服應力。圖4 土樣等向固結與K0(靜止土壓力系數(shù))固結不排水強度對比

為了進一步分析不同固結方式對原狀土樣不排水強度的影響，根據(jù)試驗結果繪制總應力和有效應力莫爾圓，如圖6所示。 圖中取屈服后的莫爾圓切線來確定總應力強度指標和有效應力強度指標。

圖5 土樣等向固結與K0(靜止土壓力系數(shù))固結不排水剪切應力路徑

其中，等向固結不排水剪切的總應力強度指標，土的黏聚力為2.7 kPa，內摩擦角為14.2°；有效應力強度指標，土的有效黏聚力為3.1 kPa，有效內摩擦角為31.1°。K0固結不排水剪切的總應力強度指標，土的黏聚力為5.0 kPa，內摩擦角為18.3°；有效應力強度指標，土的有效黏聚力為4.1 kPa，有效內摩擦角為30.2°。 就有效應力強度指標而言，2種固結方式下的黏聚力和內摩擦角變化較小，表明等向固結與K0固結方式對有效應力強度指標影響較小。 就總應力強度指標而言，固結方式對有效應力強度指標的影響主要是內摩擦角。K0固結不排水剪切的內摩擦角為18.3°，而等向固結不排水剪切的摩擦角為14.2°，這主要是由K0固結誘發(fā)的各向異性引起土顆粒的排列方式與等向固結的有差異所致。

(a) 等向固結

(b)K0固結圖6 土樣等向固結和K0(靜止土壓力系數(shù))固結不排水剪切試驗確定的應力莫爾圓

4 結論

1)原狀土樣等向固結與K0固結土樣應力-應變在低固結壓力下呈現(xiàn)應變硬化，隨著固結壓力p′的增加，應力-應變關系曲線呈現(xiàn)應變軟化特性。

2)不同固結方式導致天然沉積土不排水強度存在差異，相同固結壓力下，K0固結不排水強度大于等向固結不排水強度。等向固結與K0固結不排水強度與有效均應力p′的關系可以用雙直線表示，屈服前不排水強度隨有效均應力的增大而增加較慢，屈服后不排水強度包線與重塑土相似，為一條通過原點的直線。

4)2種固結方式下有效應力強度指標(土的有效黏聚力和有效內摩擦角)參數(shù)變化較小，表明等向固結與K0固結對有效應力強度指標參數(shù)影響較小。K0固結的內摩擦角大于等向固結的內摩擦角，兩者的黏聚力值變化不大，固結方式對總應力強度指標的影響主要體現(xiàn)在內摩擦角的不同。