初始剪應力對軟黏土峰值孔壓影響試驗研究

柳 偉，程振華

(1.江西交通職業技術學院，南昌 330013;2.江西交通科學研究院，南昌 330038)

軟土具有抗剪強度低、透水性低、高壓縮性及流變性等特點。在我國經濟發達的沿海地區廣泛分布著軟土，隨著這些地區經濟的飛速發展和城市化水平的不斷提高，正在或即將興建大量的建筑物和構筑物。因而，研究軟黏土的強度特性具有更加重要的工程實際意義。

目前，對飽和軟黏土抗剪強度的計算，一般采用Mohr-coulomb破壞條件，繪制破壞強度包線獲得。其表示方法分總應力法和有效應力法。在總應力法中同一種土根據不同的三軸試驗方法所得的強度指標也不相同。有效應力法中的強度指標應該是相同的，但是需要準確量測出破壞時的孔隙壓力。而軟黏土的孔隙壓力受到許多因素的影響，如圍壓、超固結比、加荷速率及各向異性等。迄今為止，許多學者在文獻［1］～［3］對此進行了研究，并取得了豐富的理論成果與試驗結論。但是，在邊坡以及擋土結構物等實際工程中，土體都存在一個初始剪應力的作用，而對于初始剪應力引起的各向異性對軟黏土靜力特性的影響，國內外少有研究。

基于此，本文通過軟黏土不排水三軸壓縮試驗，著重分析研究初始剪應力及圍壓對軟黏土孔壓特性的影響，得到軟黏土的孔壓特性指標。并在試驗的基礎上結合理論分析建立考慮初始剪應力影響的軟黏土不排水孔壓表達式。

1 試驗內容

試驗中所取土樣為位于地下5.5 m左右的原狀軟黏土。土樣均取自同一層土上，并在取土后立即放置在恒溫恒濕箱貯存，保證了土樣性質的一致性及原狀性。試驗中的軟黏土主要物理參數見表1。試驗中按《GDS動靜三軸儀》儀器使用手冊對試驗參數進行調整，試樣的裝備及制樣步驟與注意事項見《土工試驗規程》。本次試驗中靜三軸試驗加載速率為0.05%/min，參數見表 2。

表1 試驗中軟黏土物理力學指標

表2 靜三軸試驗參數kPa

2 試驗結果與分析

2.1 初始剪應力的影響

圖1為不同初始剪應力下，土樣的有效路徑曲線。圖中的實線為不同圍壓下土樣的破壞線，虛線為不同初始剪應力下各破壞點的連線。可以看出，所有曲線均向右傾斜，并存在明顯的破壞點，說明各向異性固結軟黏土也同樣表現為正常固結土的性狀。

圖2為不同初始剪應力下，土樣的孔壓比—應變關系曲線。可以看出，隨著初始剪應力的增加，對應于相同的應變，土樣的孔壓比表現為降低的趨勢。尤其當初始剪應力為60 kPa時，這種趨勢更為明顯。

圖1 不同初始剪應力下軟黏土的應力路徑

圖2 不同初始剪應力下軟黏土的孔壓比—應變關系

2.2 圍壓的影響

圖3為不同圍壓下軟黏土的應力路徑曲線。可以看出，每一條應力路徑都存在一個破壞點，當土體達到該點應力狀態時土樣發生破壞。除此之外，可以發現各破壞點處于同一條直線上，即破壞線(K′f線)。從該圖也可以看出，當圍壓不同時，土樣的應力路徑也發生一定的變化。當圍壓 p′0為30 kPa時，應力路徑向右傾斜;而當圍壓≥60 kPa時，應力路徑向左傾斜。究其原因可能在于，當圍壓p′0為 30 kPa時，土體為欠固結狀態;而圍壓≥60 kPa時，土體為超固結狀態。孟慶山的研究中亦有類似結論［5］。圖4是不同圍壓下，軟黏土的孔壓比—應變關系曲線。由圖4可以看出，隨著軸應變的增加，土體的孔壓比增加，但加載初期，孔壓比上升較快;而后隨著應變的增加，孔壓比上升比較平穩。該圖也表明，隨著圍壓的增加，對應于相同的軸應變，土體的孔壓比逐漸增加。

3 各向異性固結不排水峰值孔壓

由前述分析可知，初始剪應力引起的各向異性固結對軟黏土孔壓影響較大。圖5為通過上述試驗所得到的孔壓比與無量綱化初始剪應力關系曲線。該圖表明隨著初始剪應力的增加，峰值孔壓近似線性減小。因而，本文參照文獻［6］方法建立如下表達式描述各向異性固結軟黏土的峰值孔壓:

圖3 不同圍壓下軟黏土的應力路徑

圖4 不同圍壓下軟黏土的孔壓比—應變關系

式中:umax為土樣的峰值孔壓，τmax為初始剪應力為零時，土樣的不排水抗剪強度，A、B分別為土樣的試驗常數，其值分別為0.468 15和 －0.201 72。

圖5 無量綱化峰值孔壓與無量綱化初始剪應力關系曲線

4 結語

通過靜三軸試驗著重研究了圍壓及初始剪應力對軟黏土孔壓變化規律的影響，得到了如下結論:

1)各向異性固結軟黏土破壞時與正常固結土性狀相似。但是，隨著初始剪應力的增加，對應于相同的應變，土樣的孔壓表現為降低的趨勢。

2)欠固結土與超固結土的應力路徑傾斜方向相反。

3)軟黏土的峰值孔壓與初始剪應力近似為線性關系，采用線性函數描述二者的關系效果較好。

［1］KIMURA T，SATOH K.Influence of strain rate on pore pressures in consolidated undrained triaxial tests on cohesive soils［J］.Soils and Foundations，1983，23(1):80-90.

［2］NAKASE A，KAMEI T.Influence of strain rate on undrained shear characteristics of K0-consolidated cohesive soils［J］.Soils and Foundations，1986，26(1):85-95.

［3］張坤勇，殷宗澤，梅國雄.土體各向異性研究進展［J］.巖土力學，2004，25(9):1503-1509.

［4］劉勝群，吳建奇.循環荷載作用下飽和軟黏土孔隙水壓力變化規律的試驗研究［J］.鐵道建筑，2007(1):68-70.

［5］孟慶山，汪稔，劉觀仕.動力固結后飽和軟土三軸剪切性狀的試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2005，25(24):4025-4029.

［6］SKEMPTON A W.The pore pressure coefficient A and B［J］.Geotechnique，1954，4(4):143-147.