石家莊區(qū)域非飽和土不同抗剪強(qiáng)度試驗指標(biāo)對比分析

劉熙媛，劉永前，周建彪，梁金國

（1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.河北建設(shè)勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031）

0 引言

土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是巖土工程設(shè)計中重要的力學(xué)參數(shù).目前勘察單位給出的工程地質(zhì)勘察報告中一般用室內(nèi)直剪試驗中快剪的指標(biāo)cq、φq以及原狀土室內(nèi)三軸不固結(jié)不排水的強(qiáng)度指標(biāo)cu、φu.然而，在非飽和土地區(qū)，工程單位沒有非飽和土專用試驗設(shè)備，無法給出反映非飽和土強(qiáng)度特性的抗剪強(qiáng)度指標(biāo).

在研究非飽和土抗剪強(qiáng)度時，國內(nèi)外很多學(xué)者通過土-水特征曲線來預(yù)測非飽和土的強(qiáng)度[1-3]，含水率的大小對抗剪強(qiáng)度的影響[4-6]也吸引了許多研究人員的關(guān)注.馬少坤[7]等通過標(biāo)準(zhǔn)非飽和土三軸試驗，采用總應(yīng)力的方法，擬合出同時適用于飽和土和非飽和土的關(guān)于飽和度的抗剪強(qiáng)度公式.如則托合提·麥麥提敏[8]等對同樣性質(zhì)土樣進(jìn)行直剪試驗和三軸壓縮試驗得出內(nèi)摩擦角和黏聚力的差異關(guān)系.同時，對土體抗剪強(qiáng)度的影響因素的探討也吸引了廣大學(xué)者的興趣[9-12].目前，對非飽和土在直剪、三軸UU、三軸CU和三軸CD試驗抗剪強(qiáng)度指標(biāo)之間的對比分析以及在工程實際中抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的合理選取還沒有充分研究.因此，本文擬利用不同試驗方法進(jìn)行區(qū)域性非飽和土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)之間的對比分析，進(jìn)而提出對巖土工程設(shè)計及施工有益的建議.

2 試驗方案

試驗取石家莊地區(qū)原狀非飽和粉質(zhì)黏土作為試驗用土，其物理參數(shù)如表1.首先，進(jìn)行土的直剪快剪試驗，通過2組平行試驗得到試驗土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，具體方案如表2.然后，在不同圍壓下進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸剪切（UU）試驗和固結(jié)不排水剪切（CU）試驗.三軸試驗前對土樣進(jìn)行抽氣飽和，具體方案分別如表3和表4.最后，利用非飽和土三軸儀在相應(yīng)的圍壓下固結(jié)，完成固結(jié)后對土樣進(jìn)行不同吸力值下非飽和土的CD試驗，試驗方案如表5.同時，采用未經(jīng)抽氣飽和的一組原狀非飽和土進(jìn)行三軸UU試驗用于對比.

直剪試驗的剪切速度取0.8 mm/min；三軸UU試驗的剪切速率為0.8 mm/min，軸向應(yīng)變?yōu)?5%時試驗結(jié)束；CU試驗在固結(jié)度達(dá)到95%以上后開始剪切試驗，剪切速率為0.08 mm/min，軸向應(yīng)變?yōu)?5%時試驗結(jié)束；CD試驗經(jīng)過固結(jié)排水過程達(dá)到試驗要求的結(jié)束條件，即連續(xù)2 h排水量不變后，再對土樣進(jìn)行剪切，剪切速率為0.007 5 mm/min，軸向應(yīng)變?yōu)?5%時試驗結(jié)束.

表2 直剪試驗方案Tab.2 Direct shear test plan

表3 三軸UU試驗方案Tab.3 Three axis UU test plan

表4 三軸CU試驗方案Tab.4 Three axis CU test plan

表5 三軸CD試驗方案Tab.5 Three axis CD test plan

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 直剪快剪與三軸UU、CU試驗結(jié)果對比

根據(jù)試驗結(jié)果計算得出試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)如表6～表8所示，可知試樣總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：cq=10.5 kPa、φq=13.1°；cu=16.35 kPa、φu=15.8°；ccu=10.39，φcu=20.70；試樣有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：c′cu=6.21 kPa，φ′cu=27.70.

在抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)處理過程中，有些數(shù)據(jù)偏離很大，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是由于試驗用土樣不均勻引起的，因此在后續(xù)試驗分析中將該土樣數(shù)據(jù)予以剔除[13-14].

表6 直剪試驗數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.6 Direct shear Test data results

表7 UU試驗數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.7 UU Test data results

表8 CU試驗數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.8 CU Test data results

圖1 原狀非飽和土UU試驗抗剪強(qiáng)度包線Fig.1 Strength envelope of undisturbed unsaturated soil for UU test

未經(jīng)抽氣飽和的一組原狀非飽和土三軸UU試驗結(jié)果如圖1所示，得到未經(jīng)抽氣飽和的原狀非飽和土三軸UU試驗抗剪強(qiáng)度指標(biāo)cu原=37.28 kPa、φu原=14.9°.與抽氣飽和的原狀土UU試驗結(jié)果cu飽=16.35 kPa、φu飽=15.8°對比可知，土樣的內(nèi)摩擦角比較接近，但未經(jīng)抽氣飽和的非飽和原狀土黏聚力要大于經(jīng)過抽氣飽和后的原狀土.本次試驗中原狀非飽和粉質(zhì)黏土的黏聚力約為抽氣飽和后土樣黏聚力的2倍.

由直剪試驗和飽和土UU試驗結(jié)果對比可知，UU試驗測得的黏聚力大于直剪快剪試驗結(jié)果，內(nèi)摩擦角相差不大.因此，在工程實際中如果采用直剪試驗強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計，偏于安全.三軸CU試驗的總黏聚力與直剪試驗結(jié)果接近，但小于飽和后的UU試驗的黏聚力，遠(yuǎn)小于非飽和原狀土的黏聚力，約為非飽和原狀土黏聚力的1/4，但其內(nèi)摩擦角要比其他3種試驗結(jié)果大很多，約為這三者的1.5倍.

工程實踐中，在非飽和土區(qū)域如果采用快剪試驗，無疑是最簡單有效獲取土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的方法，同時能夠最大程度保證工程設(shè)計的安全性，但對應(yīng)的工程造價會提高.根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007[15]第4.2.4條的規(guī)定，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)宜選擇原狀土三軸試驗.在抗剪強(qiáng)度指標(biāo)實際選用時，本試驗研究表明：如果采用未經(jīng)飽和的原狀非飽和土UU試驗結(jié)果，較高的強(qiáng)度指標(biāo)將使設(shè)計結(jié)果比較經(jīng)濟(jì)，適用于對工程等級沒有特殊要求的小型工程；如果采用飽和土的UU試驗指標(biāo)，則設(shè)計結(jié)果介于快剪和原狀非飽和土UU試驗之間，在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面均有一定的優(yōu)勢，對于工程地質(zhì)條件優(yōu)良的實際工程可考慮用此指標(biāo).對于預(yù)固結(jié)地基，CU試驗的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)結(jié)果能很好地保證工程的安全性，適合用于軟土地基工程.因此實際工程設(shè)計時，具體采用哪種試驗指標(biāo)需要結(jié)合工程場地條件、施工期間的氣候條件等，對比場地土不同試驗強(qiáng)度指標(biāo)的大小，綜合考慮確定才更為穩(wěn)妥.

3.2 非飽和土三軸CD試驗結(jié)果與分析

根據(jù)試驗方案，對石家莊地區(qū)區(qū)域性非飽和土做了非飽和土三軸CD試驗，不同基質(zhì)吸力下原狀土三軸CD試驗強(qiáng)度包線如圖2所示.

圖2 不同基質(zhì)吸力下非飽和土三軸CD試驗抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線Fig.2 Shear strength envelope of three axis CD test of unsaturated soil under different matrix suction

為了將基質(zhì)吸力與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系表示明確，本文選取了具有代表性的弗雷德隆德雙變量公式對試驗結(jié)果進(jìn)行分析.1978年，在試驗的基礎(chǔ)上，從非飽和土本身的力學(xué)特點出發(fā)，弗雷德隆德（Fredlund）[16]提出雙變量公式

式中：τf為土體破壞時破壞面上的剪應(yīng)力；c′為有效黏聚力；σn-ua為土體破壞時其破壞面上的凈法向應(yīng)力；φ′為有效內(nèi)摩擦角；ua-uw為土體破壞時的基質(zhì)吸力值；φb為對應(yīng)基質(zhì)吸力的內(nèi)摩擦角.

對弗雷德隆德雙變量公式用凈法向應(yīng)力表示，則可得到擴(kuò)展的摩爾-庫侖強(qiáng)度理論

式中：σ1-ua、σ3-u分別為主凈法向應(yīng)力；φ′為有效內(nèi)摩擦角；c1′是大小取決于基質(zhì)吸力但與凈法向應(yīng)力無關(guān)的總黏聚力；

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，取平均值后帶入公式（2） 可得基質(zhì)吸力為100 kPa時，c1′=27.83 kPa、φ′=27.36°；基質(zhì)吸力為 200 kPa 時，c1′=75.01 kPa、φ′=29.99°；基質(zhì)吸力為 300 kPa 時，c1′=116.86 kPa、φ′=27.06°.

在基質(zhì)吸力增大的過程中，其有效黏聚力是不變的，根據(jù)CU有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、CD試驗結(jié)果以及以上數(shù)據(jù)，由公式 3） 可得 φb1=12.20°、φb2=18.98°、φb3=20.25°.

由前述原狀土的各個強(qiáng)度參數(shù)可以得對應(yīng)的擴(kuò)展摩爾-庫侖應(yīng)力破壞包面，如圖3.

圖3a）中a、b、c、d 4點為基質(zhì)吸力為300 kPa、200 kPa、100 kPa、0 kPa條件下抗剪強(qiáng)度包線在縱軸上的截距.d、c、b、a值不斷增大說明隨著基質(zhì)吸力增大，使得該非飽和原狀土的黏聚力不斷增大.從圖3b）可知試驗用石家莊地區(qū)非飽和原狀土的總黏聚力c1′隨著基質(zhì)吸力的增大而增大；從圖3a） 及圖3b）可知，A、B、C 3條直線的斜率略有增加，但斜率的增大值非常小，證實土樣的基質(zhì)吸力對于土體有效內(nèi)摩擦角的影響在試驗中可以忽略，即基質(zhì)吸力對土體的有效內(nèi)摩擦角影響很小.從圖3c）可知試驗中與基質(zhì)吸力有關(guān)的內(nèi)摩擦角φb在基質(zhì)吸力從0 kPa增大到300 kPa的過程中一直增大，這一結(jié)果說明φb與基質(zhì)吸力呈非線性關(guān)系.這與前人的研究成果是一致的[17].

圖3 原狀土三軸CD試驗結(jié)果分析圖Fig.3 Analysis of triaxis CD test results of undisturbed soil

把CD試驗在100 kPa、200 kPa、300 kPa所得到的數(shù)據(jù)與CU試驗所得到的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)相結(jié)合，CU試驗的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)相當(dāng)于CD試驗在基質(zhì)吸力為零條件下的試驗結(jié)果，繪制土樣總黏聚力、有效內(nèi)摩擦角與基質(zhì)吸力的相關(guān)關(guān)系圖，如圖4和圖5，并且對圖4進(jìn)行了擬合.

由圖4可知，在試驗范圍內(nèi)隨著基質(zhì)吸力的增大，土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中總黏聚力隨著基質(zhì)吸力的增大而增大，證實基質(zhì)吸力對土體黏聚力有增大作用，并且在基質(zhì)吸力400 kPa以內(nèi)，兩者大概呈現(xiàn)出一種線性增長的關(guān)系，擬合結(jié)果為y=0.350 8x+6.21.由圖5可知，土體的有效內(nèi)摩擦角與基質(zhì)吸力無關(guān).

圖4 土體總黏聚力隨基質(zhì)吸力變化曲線Fig.4 Variation curve of the total cohesion of soil with the matrix suction

圖5 土體有效內(nèi)摩擦角隨基質(zhì)吸力變化曲線Fig.5 Variation curve of effective internal friction angle of soil with of matrix suction

4 結(jié)論

1）直剪試驗和抽氣飽和后原狀土UU試驗結(jié)果顯示，石家莊地區(qū)非飽和土UU試驗測得的黏聚力大于直剪快剪試驗結(jié)果，但內(nèi)摩擦角相差不大.未抽氣飽和的原狀土與抽氣飽和后土樣內(nèi)摩擦角基本相同，但未抽氣飽和的非飽和原狀土樣的黏聚力大于抽氣飽和原狀土樣，說明石家莊區(qū)域非飽和原狀土中存在的基質(zhì)吸力對土樣黏聚力的提高有較大貢獻(xiàn).

2）非飽和土三軸CD試驗中，有效內(nèi)摩擦角φ′基本不受基質(zhì)吸力的影響，但隨著基質(zhì)吸力的增加，與基質(zhì)吸力相關(guān)的內(nèi)摩擦角φb呈非線性增長.

3）非飽和土三軸CD試驗中，石家莊地區(qū)粉質(zhì)黏土的總黏聚力c1′隨著基質(zhì)吸力的增大而增大，證實基質(zhì)吸力對土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的增大作用，并且在基質(zhì)吸力400 kPa以內(nèi)，兩者大致呈現(xiàn)出一種線性增長的關(guān)系.

4）石家莊地區(qū)采用抽氣飽和后原狀土體的UU試驗強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行工程設(shè)計，在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面均有一定的優(yōu)勢.如果采用非飽和原狀土UU試驗強(qiáng)度指標(biāo)，則需要考慮工程實際中基質(zhì)吸力受場地及氣候等因素的影響.

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