吳瑞潛 楊 光 林群仙 項祺辰

(1.紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興 312000；2.浙江工業(yè)職業(yè)技術學院 建筑工程學院，浙江 紹興 312000)

非飽和土在地球表面的分布十分廣泛，地下水以上的土體通常處于非飽和狀態(tài).隨著氣候與降雨量的變化，土中吸力會隨之改變，非飽和土強度問題也會逐漸突顯出來.迄今為止，非飽和土為四相體系(固體、水、空氣、收縮膜)這一理論被更多的學者所認可.非飽和土中孔隙氣壓力與孔隙水壓力的差值即為基質吸力.由于歷史環(huán)境原因，紹興地區(qū)軟黏土成因與性質區(qū)別于杭州蕭山與寧波軟黏土，紹興地區(qū)存在大量的第四紀泄湖相、溺谷相與濱海相等海相沉積軟黏土層.該軟黏土層常年平均水位埋深為0.5～1.0 m，且軟黏土沉積厚度大，成層穩(wěn)定，上部存在大量非飽和土.由于非飽和土中基質吸力的存在使其土性相較于飽和土更加的復雜多變，對工程建設產生重大影響，因此，對非飽和土的研究無論是從理論方面還是工程應用方面都具有非常重要的意義.

在學術界與工程界,針對非飽和土抗剪強度與變形特性問題研究較多.Hogentogler和Barber[1]描述了非飽和土中毛細水的流動狀態(tài)并且證明了毛細水的流動符合表面張力、重力和水力學的原理.A W Bishop[2]對Terzaghi飽和有效應力公式進行拓展，引入參數(shù)χ提出單變量抗剪強度理論公式；D G Fredlund[3-4]經過大量試驗總結得出用應力狀態(tài)變量描述非飽和土強度特性與非飽和土四相體系更加符合，提出了雙變量抗剪強度理論.尹俊等[5]通過改進的普通三軸試驗讓不同含水率的重塑土樣恢復原始應力研究非飽和土的應力-應變關系，在雙曲線模型基礎上總結出含水率引入硬化參數(shù)中的非飽和土本構模型.王斯海等[6]針對寧波地區(qū)筑堤黏土運用土水特征曲線與非飽和土直剪試驗相結合的方法分析了含水率、顆粒級配及基質吸力對非飽和土抗剪強度的影響，研究結果表明：非飽和土抗剪強度很大程度上取決于土體內基質吸力轉化為有效黏聚力的轉化情況及基質吸力和吸應力之間的轉化關系.戚國慶等[7]等利用某滑坡體的原狀樣與重塑樣研究基質吸力變化與體積應變之間的關系，研究結果表明：試樣的體積應變隨著基質吸力的增大以對數(shù)函數(shù)形式線性增大，并且體積模量服從冪函數(shù)關系.基質吸力在非飽和土中對其強度的影響機理認識尚未完全成熟，以不同類型非飽和土為研究對象，探討其強度參數(shù)的影響規(guī)律,一直是國內外非飽和土的研究熱點之一.

本文以浙江紹興某基坑黏土為研究對象，用非飽和土三軸儀對重塑樣進行控制基質吸力與凈圍壓的三軸固結排水剪切試驗，研究紹興地區(qū)非飽和重塑黏土強度、變形特性，為實際工程應用提供參考.

1 非飽和土抗剪強度理論

由于基質吸力的存在，土中的有效應力不再等于粒間壓力，因此飽和土的抗剪強度理論公式不適用于非飽和土.經過國內外學者的不斷試驗與總結，經典非飽和土抗剪強度公式主要是A W Bishop等提出的單變量抗剪強度公式與D G Fredlund等提出的雙變量抗剪強度公式，在此基礎上還有學者提出了一些經驗公式.其中由于Bishop單變量抗剪強度公式參數(shù)χ取值的影響因素眾多，不容易確定且有效應力與基質吸力對土體抗剪強度作用機理不同，簡單的疊加是不合理的，這使其在實際工程中的應用受到了限制.因此在理論與實際工程中應用較為廣泛的是Fredlund雙變量抗剪強度公式[8]，如下：

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

式(1)中：c′與φ′均是飽和黏性土的抗剪強度指標，(σ-ua)是凈法向應力，(ua-uw)為基質吸力，φb表示抗剪強度隨基質吸力而增加的速率.

將常規(guī)三軸Mohr-Coulomb強度破壞包絡進行延伸，以剪應力τ為縱坐標、(σ-ua)和(ua-uw)為橫坐標，可以繪制出三維非飽和土強度破壞包絡面，在空間上，平面可能會有一些彎曲.如圖1所示.三維坐標的前緣面表示飽和土狀態(tài).從圖中可以看出，凈法向應力與基質吸力對非飽和土的力學特性影響是不同的，有效摩擦角φ′表示抗剪強度隨凈法向應力變化情況，φb表示抗剪強度隨基質吸力變化情況.除了以上兩種經典非飽和土抗剪強度理論公式，還有一些學者總結得到的非飽和土經驗公式，如Vanapalli等[9]經過大量試驗總結得出了采用土水特征曲線(SWCC)來預測非飽和土抗剪強度的公式；沈珠江等[10]發(fā)現(xiàn)可以采用雙曲線模型來擬合重塑非飽和黏土抗剪強度公式等.

圖1 非飽和土的Mohr-Coulomb破壞包絡面

2 試驗概況

2.1 試驗土樣

試驗全部用土取自浙江紹興某基坑，取土深度為3.5～4.0 m,為第三系上更新統(tǒng)上段黏性土，沖湖積成因，土體呈棕黃-灰黃色，具少量鐵錳質浸染與鈣質結核.在室內對原土進行烘干、碾碎，過2 mm篩，根據試驗所需含水率配制土樣放置保濕缸內靜置24 h后備用.試樣為標準三軸土樣，高80 mm，直徑39.1 mm，試樣的基本物理性質指標如表1所示.

表1 試樣的基本物理性質

2.2 試驗方案

共3組9個土樣進行控制吸力的三軸固結排水試驗，研究在不同吸力作用下土的強度與變形特性.試驗中基質吸力s分別控制為50 kPa、100 kPa、200 kPa，凈圍壓(σ3-ua)分別為30 kPa、130 kPa、230 kPa.控制土樣初始含水率w=21.0%，干密度ρd=1.6 g·cm-3.詳細試驗方案如表2所示.

表2 試驗方案

2.3 試驗過程

①在試驗開始之前要先制備“無氣”實驗用水，將試驗儀器的控制器與管路內氣體排凈并且需飽和陶土板24 h以上；②按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)，試驗前將試樣放入真空飽和裝置內飽和24 h，確保試樣完全飽和；③取出預飽和試樣稱其重量，在試樣一端放透水石與濾紙，另一端無透水石、濾紙置于陶土板上，用橡膠膜固定試樣;④安裝內外壓力室罩，將軸向壓力傳感儀緊置于試樣帽上；⑤注水排氣，檢查有無漏氣或漏水現(xiàn)象，打開、關閉相應閥門即可進行試驗.

試驗采用軸平移技術，試樣在儀器設定的孔隙氣壓與圍壓下至固結穩(wěn)定，固結穩(wěn)定的判定標準為2 h內體變和排水均不超過0.01 cm3，且最少歷時40 h.待試樣固結穩(wěn)定后即可剪切，剪切速率為0.003 2 mm/min；剪切至軸向應變達15%后停止剪切.

2.4 試驗儀器

本試驗所用的儀器為南京泰克奧公司生產的TKA新型雙壓力室非飽和三軸儀，內外壓力室壁均由高強度的有機玻璃材質構成，玻璃能夠徹底根除水的吸附作用，有效控制試驗誤差.控制方式與數(shù)據采集全部由電腦自動控制，其主要組成部分有雙腔壓力室、控制系統(tǒng)、測量與采集系統(tǒng)以及數(shù)據處理四個部分.具體構成如圖2所示.

圖2 TKA雙壓力非飽和土三軸儀

3 試驗結果分析

在非飽和土中運用凈總應力(σ-ua)和基質吸力(ua-uw)兩個獨立的應力狀態(tài)變量來衡量強度特性，并且通過指定不同的參數(shù)反映狀態(tài)變量對土樣抗剪強度的影響，大量的試驗表明這種方式具有很好的可行性.因此本文采用以下公式及符號來描述應力狀態(tài)[11]：

(2)

q=σ1-σ3

(3)

s=ua-uw

(4)

式中：p為凈平均應力，q為偏應力，s為基質吸力，ua為孔隙氣壓力，uw為孔隙氣壓力.

3.1 應力-應變關系曲線

在相同基質吸力，不同凈圍壓下三軸剪切試驗的應力-應變曲線如圖3所示.從中可以發(fā)現(xiàn)，應力-應變關系曲線近似雙曲線函數(shù)，與1963年Kondner[12]根據大量室內三軸試驗得出的結論一致.該土樣的應力-應變曲線主要表現(xiàn)為硬化型，沒有明顯的破壞點.在同一基質吸力下，隨著凈圍壓的增大，非飽和黏性土的抗剪強度逐漸增大，且前期偏應力上升較快，當軸向應變至3%后，曲線斜率明顯減小.尤其是在凈圍壓為30 kPa時，前期應力快速增加，后期應力增大曲線斜率近似為0，表明在低圍壓狀態(tài)下，土樣強度主要由前期強度提供.在較高吸力的作用下，土的硬化特征更加明顯.在相同的凈圍壓下，隨著基質吸力的增加，土的抗剪強度性質也有明顯增強.其主要原因是基質吸力的增強，減少了土體孔隙中的水分，使土顆粒間缺少了水的潤滑作用，同時氣—水界面的收縮膜隨著基質吸力的改變對土體的抗剪強度也起到了很大作用.

(a)s=50 kPa

根據既有研究成果，本試驗土樣的應變硬化特性與非飽和紅土[13]在較高圍壓條件下表現(xiàn)出明顯的硬化特性，而在低圍壓下表現(xiàn)不明顯相似，但與非飽和黃土[14]剪切破壞特性具有明顯的差異.非飽和黃土破壞形式分別為:硬化型、理想彈塑性和軟化型，并且紹興非飽和黏土由于歷史成因與環(huán)境因素，其與杭州蕭山[15]、寧波非飽和黏土區(qū)別是其軸向應變3%之前偏應力增大較快，后期增幅逐漸減小.因此在工程設計中可充分利用非飽和黏土前期偏應力增大較快，后期殘余強度較大特性，提高工程效益與安全性.

3.2 基質吸力與抗剪強度參數(shù)關系

本試驗中的9個土樣均呈應變硬化型特征，無明顯的破壞點，因此選取軸向應變15%所對應的軸向應力作為破壞應力(qf,pf).具體破壞應力值如表3所示.根據表3中數(shù)值在p-q平面內畫出強度包線如圖4所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，基質吸力相同的p-q值點均在一條直線上，因此可用陳正漢提出的有關非飽和土強度參數(shù)算法[16]進行參數(shù)計算.運用如下函數(shù)關系式對圖中直線進行擬合：

圖4 偏應力-凈平均應力平面強度包線

qf=ξ+pftanω

(5)

式(5)中：ξ和tanω分別為直線的截距和斜率.

土的有效內摩擦角φ′由下式求得：

(6)

土的總黏聚力c由下式求得：

(7)

從表3中可以看出，隨著基質吸力的增大，重塑非飽和黏土的黏聚力c與有效內摩擦角φ′都有不同程度的增大，黏聚力的增大更為明顯，這也充分說明了基質吸力在增強土樣的抗剪強度機理上主要是黏聚力起主導作用，特別是在高吸力的作用下其影響更加突出，究其原因是土體孔隙的毛細作用使表面張力增加，引起土顆粒的氣封增加.根據表3中的值可繪制出黏聚力c、有效內摩擦角φ′與基質吸力的關系曲線，如圖5所示.

表3 土樣的強度參數(shù)

(a)黏聚力與基質吸力關系曲線

由于本試驗分析采用2個應力狀態(tài)變量，因此運用Fredlund等提出的雙變量非飽和土抗剪強度公式即式(1)來描述土體的強度，從圖中可以看出：c-s近似線性關系，隨著基質吸力的增大，土的有效黏聚力c也隨之增大，其在單位基質吸力上的增幅就是tanφb，φb即為c-s擬合直線的傾角，由此便可計算出本試驗土樣φb=16.12°.

3.3 體積應變-軸向應變關系

本試驗采用的是雙壓力室非飽和三軸儀，由于內外壓力室壁都是高強度有機玻璃材質，同時內外圍壓均為σ3，內壓力室不會產生變形，因此本試驗認定內壓力室的水體積變化就是試樣體積的變化，通過體變儀就能夠自動連續(xù)的記錄試樣體積變化.

土樣在剪切過程中體積變化(εv)與軸向應變(εa)的關系曲線如圖6所示.從圖中可以看出，在不同的基質吸力與凈圍壓下，體變呈剪脹趨勢，不存在剪縮現(xiàn)象.從數(shù)值上可以看出，基質吸力為50 kPa、100 kPa時，體積應變隨凈圍壓的增幅大致相同，其分別增加0.57%、0.51%、0.7%、0.7%.基質吸力為200 kPa時，其隨每級凈圍壓的增幅分別為0.59%、1.35%.由于基質吸力的增大，土體中孔隙氣體積增大，在剪切過程中更多的孔隙氣被壓縮，且凈圍壓增大，土中孔隙半徑減小.因此基質吸力越大，凈圍壓越大，體積應變隨軸向應變增大，在軸向應變達至3%之前體積應變增幅較大，之后增幅逐漸減小.這與前面分析的應力-應變關系相對應，表明偏應力的增幅與體積應變的增幅成正比關系.根據既有研究成果，合肥地區(qū)[17]非飽和黏土體積隨軸向應變先剪縮后剪脹，并且與凈圍壓有關，凈圍壓越小，形成的反差越大.而非飽和黃土隨著基質吸力的增大剪脹特性越明顯，表明不同區(qū)域的非飽和黏土受到基質吸力與凈圍壓的影響而產生的現(xiàn)象是不同的，并且土體體積的變化對實際工程有重大的影響，因此研究紹興地區(qū)非飽和黏土基質吸力對體積應變的影響具有一定的工程意義.

(a)s=50 kPa

將基質吸力、凈圍壓相同的試樣破壞后的體積應變取平均值，分別繪成如圖7、圖8所示的體積應變與基質吸力的關系曲線、體積應變與凈圍壓的關系曲線.從圖中可以看出，基質吸力改變引起的體積應變小于由凈圍壓改變引起的體積應變，且基質吸力引起的體應變的變化斜率逐漸減小，凈圍壓引起的體應變斜率逐漸增大，這與沈珠江[18]提出的“基質吸力只有一部分能有效增加土體的強度與抗變形能力”廣義吸力概念相符.因此在重塑非飽和黏土中，對體積應變影響更大的是作用于土骨架上的“凈法向應力”[19-20].

圖7 體積應變-基質吸力關系曲線

圖8 體積應變-凈圍壓關系曲線

4 結論

以紹興重塑非飽和黏土為研究對象，采用雙壓力室全自動非飽和土三軸儀，進行控制基質吸力與凈圍壓的三軸固結排水剪切試驗，主要得出以下結論：

(1)基質吸力與凈圍壓為常數(shù)時，試樣的應力-應變曲線近似雙曲線函數(shù)，主要表現(xiàn)為應變硬化型,基質吸力越大，凈圍壓越大，土樣硬化特征越明顯，抗剪強度越大.紹興重塑非飽和黏土與杭州蕭山、寧波非飽和黏性土區(qū)別是其軸向應變3%之前偏應力增大較快，后期增幅逐漸減小.

(2)隨著基質吸力的增大，試樣的黏聚力c值與有效內摩擦角φ′值都有不同程度的增大，前者對基質吸力的改變更加敏感.此外，根據雙變量抗剪強度理論得出與基質吸力相關的內摩擦角φb=16.12°.

(3)隨著凈圍壓與基質吸力的增大，試樣體積應變都有不同程度的增幅，且基質吸力引起的體積應變小于由凈圍壓引起的體積應變，說明在重塑非飽和黏土中，對體積應變影響更大的是作用于土骨架上的“凈法向應力”.與合肥地區(qū)重塑非飽和黏土先剪縮后剪脹特性不同的是紹興地區(qū)非飽和黏土在三軸剪切過程中體變呈剪脹趨勢，無剪縮現(xiàn)象.

研究了解紹興重塑非飽和黏土三軸剪切特性，尤其是其硬化特性以及體積應變規(guī)律，有助于我們正確認識土體特性，并為紹興地區(qū)地基處理、基坑工程等設計施工土體參數(shù)選擇提供借鑒.