軟黏土固結(jié)不排水剪切應(yīng)力路徑試驗(yàn)研究

軟黏土固結(jié)不排水剪切應(yīng)力路徑試驗(yàn)研究

1宏觀特性的研究自1968年引進(jìn)應(yīng)力路徑概念以來(lái)，考慮到土壤分析中重力路徑的影響，我們經(jīng)歷了一個(gè)從理論到實(shí)踐，從實(shí)踐到理論的轉(zhuǎn)變的過(guò)程。在此期間，最有效、最有效的研究方法是室內(nèi)試驗(yàn)。早期的試驗(yàn)對(duì)象多集中于各種密度的無(wú)黏性土(Lade和Duncan,1976年),試驗(yàn)成果證明:砂土的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)與應(yīng)力路徑有關(guān)。進(jìn)一步的研究著眼于應(yīng)力路徑對(duì)砂土本構(gòu)模型的影響,如Nagaraj(1981年)、Cheng(1990年)、陸士強(qiáng)(1989年)等,基于試驗(yàn)成果提出了一些能夠考慮具體復(fù)雜應(yīng)力路徑的本構(gòu)模型。近20年來(lái),隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)在本領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展,一些學(xué)者開展了通過(guò)應(yīng)力路徑試驗(yàn)成果進(jìn)行數(shù)值建模的研究,如陳生水(1995年)、王靖濤(2002年)等,獲得了具有機(jī)制背景的數(shù)值模型。由于黏性土的狀態(tài)控制指標(biāo)較砂土復(fù)雜,更因?yàn)轲ば酝恋氖覂?nèi)試驗(yàn)控制標(biāo)準(zhǔn)比較難掌握,因而黏性土應(yīng)力路徑的試驗(yàn)研究無(wú)論是數(shù)量還是質(zhì)量都遜于砂土。但近年來(lái),隨著工程實(shí)際的需求和試驗(yàn)儀器的更新,黏性土應(yīng)力路徑研究也取得了頗為豐富的成果,如采用真三軸應(yīng)力路徑研究天然軟土的力學(xué)特性并與重塑土進(jìn)行對(duì)比(CallistoL,1998年);采用人工制備結(jié)構(gòu)性土樣進(jìn)行剪切過(guò)程中不斷改變應(yīng)力路徑的常規(guī)三軸試驗(yàn)(MalanrakiV,2001年);采用真三軸試驗(yàn)研究不同應(yīng)力路徑下天然硬黏土的力學(xué)特性(CallistoL,2002年)、欠壓密土在不同應(yīng)力路徑下的特殊力學(xué)性質(zhì)(劉元雪,2002年)、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(楊雪強(qiáng),2006年)等。另外,還有卸荷條件下軟土特性的研究,如基坑開挖中的應(yīng)力路徑分析(Charles,1999年)、上海軟土的卸荷模量研究(劉國(guó)彬,1996年)。上述研究成果從不同角度揭示了應(yīng)力路徑對(duì)黏性土力學(xué)特性的影響,但由于軟黏土具有明顯的沉積特點(diǎn),其力學(xué)特性與當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力歷史、后續(xù)加卸載路徑等的關(guān)系的歸一化有較大的難度,所以現(xiàn)有研究成果一般都是針對(duì)特定的初始條件,對(duì)于具有明顯區(qū)域性特點(diǎn)的土體,探討應(yīng)力路徑對(duì)軟黏土特性的影響還有很多工作要做。本文根據(jù)應(yīng)力路徑的研究現(xiàn)狀和廣州南沙大規(guī)模開發(fā)需求,選取南沙夾粉細(xì)砂的海積軟土為研究對(duì)象,采用應(yīng)變控制式三軸儀、應(yīng)力-應(yīng)變控制式三軸儀和GDS應(yīng)力路徑三軸儀對(duì)該區(qū)域土樣進(jìn)行了不同固結(jié)條件和不同應(yīng)力路徑下的三軸固結(jié)不排水剪試驗(yàn),探討了固結(jié)狀態(tài)和應(yīng)力路徑對(duì)軟土的變形特性、強(qiáng)度特性和破壞特性的影響,以期通過(guò)試驗(yàn)成果的積累,針對(duì)軟土特點(diǎn)建立綜合考慮復(fù)雜固結(jié)狀態(tài)和應(yīng)力路徑影響的本構(gòu)模型,為工程應(yīng)用提供依據(jù)。2試驗(yàn)計(jì)劃2.1擾動(dòng)土樣的確定試樣取自地表下4~16m軟土層,為珠江三角洲常見的灰黑色淤泥混砂層,含少量貝殼等雜質(zhì)。為進(jìn)行足夠充分的對(duì)比試驗(yàn),采用擾動(dòng)土樣進(jìn)行應(yīng)力路徑試驗(yàn),即通過(guò)原狀土的統(tǒng)計(jì)均值確定土樣的含水率和密度,將此均值作為擾動(dòng)樣期望值。原狀土樣和制備的擾動(dòng)土樣的各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。2.2試驗(yàn)計(jì)劃(1)固結(jié)壓力的確定應(yīng)變控制三軸儀圍壓σ3分別為100、200、300、400kPa,應(yīng)力控制三軸儀和GDS應(yīng)力路徑三軸儀固結(jié)過(guò)程分別采用等壓固結(jié)和偏壓固結(jié)兩種方式,等壓固結(jié)壓力為100、150、200、300、400kPa,偏壓應(yīng)力比K=0.700和K=0.625(K=σ3/σ1),固結(jié)壓力終值分別為150、200kPa。(2)減p及等p路徑試驗(yàn)應(yīng)變控制的剪切過(guò)程采用Δs=0.06mm/min的剪切速率,應(yīng)力控制的剪切過(guò)程分別采用模擬堆載過(guò)程的軸向加荷增p路徑、模擬開挖過(guò)程側(cè)向卸荷的減p路徑及軸向加荷側(cè)向卸荷同時(shí)進(jìn)行的等p路徑,加卸荷速率Δq=0.2kPa/min,為保證土樣的飽和,減p和等p路徑試驗(yàn)過(guò)程中均施加了反壓。圖1為試驗(yàn)方案p-q空間應(yīng)力路徑圖,具體路徑設(shè)定如表2所示。3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1固結(jié)壓力對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響不同應(yīng)力路徑下土體應(yīng)變規(guī)律如圖2所示。圖示結(jié)果表明,軟黏土在不同應(yīng)力路徑下的性狀與初始固結(jié)狀態(tài)有關(guān)。在等壓固結(jié)條件下,減p、等p、增p剪切路徑所獲得的剪應(yīng)力峰值依次遞增,當(dāng)固結(jié)壓力有所增加時(shí),遞增幅度亦有所加大(圖2(a)、2(c))。比較兩種固結(jié)條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可知,在同一剪切應(yīng)力下等壓固結(jié)后的剪切應(yīng)變明顯大于偏壓固結(jié)相應(yīng)值(圖2),且應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變硬化特征,剪應(yīng)力峰值強(qiáng)度明顯大于屈服強(qiáng)度,而偏壓固結(jié)后土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有理想彈塑性材料的變形特性。偏壓固結(jié)后的剪切性狀對(duì)應(yīng)力路徑不敏感,特別是圖2(d)結(jié)果顯示,當(dāng)應(yīng)變?cè)谀骋恢狄韵聲r(shí)(ε1=12%),不同的剪切路徑幾乎具有同一應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,這一結(jié)果在一定程度上揭示軟黏土的應(yīng)力路徑依賴性與初始固結(jié)狀態(tài)有關(guān)。3.2等p路徑下孔壓分布規(guī)律圖3為不同固結(jié)條件和不同應(yīng)力路徑下孔壓-應(yīng)變關(guān)系。由圖可見,不同路徑下的孔隙水壓力變化規(guī)律與土體的變形特征有關(guān),土體屈服前,隨著應(yīng)變的增加、孔壓增加(增p、等p)或保持固結(jié)完成時(shí)的狀態(tài)(減p);土體屈服后,增p路徑下的孔壓保持不變,等p路徑下孔隙水壓力下降,減p路徑下孔隙水壓力下降為負(fù)值。對(duì)于不同的固結(jié)狀態(tài)和固結(jié)壓力,孔壓數(shù)值會(huì)有所不同,但上述規(guī)律基本不變。對(duì)于等p路徑下孔壓出現(xiàn)下降的原因,可認(rèn)為是由于側(cè)向卸荷使土體產(chǎn)生了一定的彈性膨脹,而對(duì)于減p路徑下孔壓為負(fù)的原因,則是壓應(yīng)力減小造成的彈性變形和剪切引起的塑性變形的綜合反映,即土樣在體應(yīng)力減小到一定程度時(shí)出現(xiàn)了剪脹趨勢(shì)。通常認(rèn)為,剪脹是密實(shí)砂性土的重要特性。黏性土在卸荷條件的負(fù)壓多產(chǎn)生于體積彈性膨脹,但此次試驗(yàn)結(jié)果表明,含少量砂的軟弱土在屈服后也會(huì)由于剪應(yīng)力的增加而呈現(xiàn)剪脹現(xiàn)象,直至土樣產(chǎn)生塑性破壞。當(dāng)土樣處于偏應(yīng)力固結(jié)狀態(tài)時(shí),剪切過(guò)程中孔隙水壓力變化幅度較小,表明在這種固結(jié)條件下土體在完成固結(jié)的同時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生剪切變形,由此降低了剪切路徑下的塑性變形(圖3(b)、3(d)),此結(jié)果從孔壓分布規(guī)律再次說(shuō)明不同應(yīng)力路徑下軟黏土的特性與初始固結(jié)狀態(tài)有關(guān)。由圖2和圖3所示成果可獲得孔壓與應(yīng)力的關(guān)系,根據(jù)飽和土固結(jié)不排水剪孔壓系數(shù)A的定義,A=Δu2/(Δσ1-Δσ3),可確定土體在不同應(yīng)力路徑下破壞時(shí)的孔壓系數(shù)Af值列入表3。此結(jié)果表明,在同樣的剪切路徑下偏壓固結(jié)的孔壓系數(shù)小于等壓固結(jié)。3.3土樣屈服應(yīng)力路徑偏轉(zhuǎn)并呈非線性圖4為等壓固結(jié)和偏壓固結(jié)條件(p=150kPa)下總應(yīng)力路徑與有效應(yīng)力路徑在p-q坐標(biāo)系中的關(guān)系。結(jié)果表明,土體屈服前,增p路徑和等p路徑下有效應(yīng)力路徑隨著偏應(yīng)力的增大與總應(yīng)力路徑差值增加,變化規(guī)律接近線性,表明孔壓系數(shù)近似為常數(shù),土樣屈服后有效應(yīng)力路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)并呈非線性。減p路徑下有效應(yīng)力路徑變化與固結(jié)狀態(tài)有關(guān)。等壓固結(jié)時(shí),土樣在彈性變形階段有效應(yīng)力路徑與總應(yīng)力路徑基本重合,土樣屈服后由于孔壓下降至負(fù)值,造成有效應(yīng)力路徑偏轉(zhuǎn)到總應(yīng)力路徑右邊;偏應(yīng)力固結(jié)時(shí),有效應(yīng)力路徑與總應(yīng)力路徑基本重合,表明孔隙水壓力在剪切過(guò)程中近似為0。圖4(d)表明了不同固結(jié)條件下對(duì)應(yīng)于不同總應(yīng)力路徑的有效應(yīng)力路徑性狀。結(jié)果表明,土樣在所設(shè)定的不同總應(yīng)力路徑下進(jìn)行固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)時(shí),同一固結(jié)條件下有效應(yīng)力路徑一致,無(wú)論是等壓固結(jié)還是偏壓固結(jié)都服從這一規(guī)律,該結(jié)果證明了正常固結(jié)黏土p′-q′-e的唯一性,即對(duì)于具有同樣固結(jié)密度(e相同)的土樣進(jìn)行不排水剪切試驗(yàn)時(shí),由于剪切過(guò)程中土體體積V保持不變,因而在物態(tài)邊界面上對(duì)應(yīng)唯一有效應(yīng)力路徑。3.4剪切控制方式對(duì)孔隙水壓力的影響圖5為等壓固結(jié)條件下增p、減p路徑下有效應(yīng)力路徑和相應(yīng)的強(qiáng)度包線,試驗(yàn)分別在應(yīng)變控制三軸儀和應(yīng)力控制三軸儀上完成。結(jié)果顯示,在同一應(yīng)力路徑下不同剪切控制方式所得的有效應(yīng)力路徑有明顯區(qū)別(圖5(a)、5(b)),表明孔隙水壓力滯后現(xiàn)象與剪切控制方式有關(guān),應(yīng)變控制剪切過(guò)程中滯后現(xiàn)象更為嚴(yán)重,應(yīng)在試驗(yàn)中通過(guò)裝樣技術(shù)降低其影響。圖5結(jié)果還表明,土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)基本不受剪切控制方式影響。4土體變形特性分析通過(guò)一系列室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)和試驗(yàn)成果分析,可以對(duì)所研究的軟土得到下述認(rèn)識(shí):(1)軟黏土在不同應(yīng)力路徑下的性狀與初始固結(jié)狀態(tài)有關(guān)。在等壓固結(jié)條件下,減p、等p、增p剪切路徑所獲得的剪應(yīng)力峰值依次遞增。隨著固結(jié)壓力的增加,遞增幅度亦有所加大。同一應(yīng)力路徑下等壓固結(jié)后土樣的剪切應(yīng)變大于偏壓固結(jié)后的相應(yīng)值,且應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分別呈應(yīng)變硬化特征和理想彈塑性材料的變形特性。土樣經(jīng)偏壓固結(jié)后所顯示的剪切性狀對(duì)應(yīng)力路徑不敏感,當(dāng)應(yīng)變小于屈服值時(shí),不同的剪切路徑幾乎具有相同的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,表明軟黏土應(yīng)力路徑依賴性與初始固結(jié)狀態(tài)有關(guān)。(2)不同路徑下的孔隙水壓力變化規(guī)律與土體的變形特征有關(guān),土樣屈服與否是影響孔隙水壓力分布規(guī)律的重要因素?？讐合陆档脑?qū)τ诘萷路徑下可認(rèn)為是由于側(cè)向卸荷造成的彈性膨脹引起,而對(duì)于減p路徑則是壓應(yīng)力減小造成的彈性變形和剪切引起的塑性變形的綜合反映,即土樣在體應(yīng)力減小到一定程度時(shí)有剪脹趨勢(shì)。當(dāng)土樣處于偏應(yīng)力固結(jié)狀態(tài)時(shí),剪切所產(chǎn)生的塑性變形可減小(圖3(b)、