考慮圍壓因素的重塑粉質粘土的力學特性試驗研究

鄧博　任青　徐偉

摘 要：本文對海洋重塑粉質黏土進行一系列不排水單調加載試驗，考慮圍壓因素，研究不同加載圍壓和不同固結圍壓下飽和粉黏土靜力特性。試驗結果表明，隨著圍壓增大，偏應力增長趨勢越快，峰值更高，同時土體剪切存在軸向應變臨界值0.4%。在低圍壓下孔壓應變關系呈雙曲線型變化，在高圍壓下孔壓存在峰值且孔壓應變呈非雙曲線變化。

關鍵字：粉質黏土;固結圍壓;加載圍壓;力學特性

中圖分類號：TU43? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）10-0118-03

1 研究背景

本文以東海大橋海上風電場項目為課題背景，研究海洋粉質黏土的力學特性。海洋粉質黏土位于海上風電場樁基礎的持力層，具有高含水率、大孔隙比、高壓縮性和低強度等特性[1]，對這層土力學特性的研究具有重要的理論意義和實用價值。

本文采用GDS標準應力路徑靜三軸儀，對重塑飽和粉質粘土開展不同固結圍壓和不同加載圍壓的不排水單調加載試驗。分析圍壓對土體應變、孔壓、應力路徑的影響。

2 土樣參數與試驗方案

本文研究中所用土樣取自于東海大橋東部海域的ZK-56-2鉆孔的粉質粘土。重塑粉質黏土的質量密度為ρ=1.96g/cm3，含水率w=20%，相對密度GS=2.69，重塑土樣制備參考《土工試驗規程》（SL237-017-1999），將粉質粘土烘干碾碎過篩，按含水率23.5%配土，試樣直徑38mm、高80mm。重塑土樣制作完成后，立即進行抽氣飽和，當真空度接近當地1個大氣壓后，繼續抽氣2h，然后注入清水，靜置12h。真空飽和后，進行分級加壓方式的反壓飽和，反壓壓力分3級（l00kPa，200kPa，300kPa）施加，待B> 0.98確認試樣飽和完成。試驗方案見表1。偏壓固結比確定為1.3，其中為有效固結軸壓，為有效固結圍壓，為單調加載時的圍壓。

3 試驗結果及分析

3.1 應力-應變關系

在不同偏壓固結圍壓和加載圍壓情形下的應力-應變關系如圖1和圖2所示，圖3和圖4為其局部放大的應力-應變曲線圖，其中，q為三軸單調加載試驗下的偏力，計算公式如下：

圖中，f為軸向應變，為實驗過程中單調加載的軸向荷載。

圖1和圖3表明，當土體經歷相同固結過程后，在單調三軸試驗中，土體彈性變形階段的應力-應變關系發展趨勢幾乎相同，而土體塑性變形階段下的應力-應變關系發展則會受到加載圍壓的影響，加載圍壓越大，應力-應變關系增長趨勢越快。

圖2和圖4表明，當土體經歷不同固結過程后，在單調三軸試驗中，土體應力-應變關系發展趨勢受到固結圍壓的影響。隨著固結圍壓的增加，土體彈性變形狀態下的應力-應變關系增長趨勢越快，土體出現強度硬化現象;然而，隨著固結圍壓的增加，土體塑性變形狀態下的應力-應變關系增長趨勢漸緩，在360kPa的高圍壓情況下甚至出現應力隨應變衰減的情況，土體強度硬化現象逐漸消失甚至出現強度弱化的情況。

對比圖1、圖2、圖3和圖4從中可以看出，飽和粉質粘土在單調加載下的應力-應變關系可劃分為2個階段：

（1）當軸向應變<0.4%時，應力-應變關系近似為直線，土體處于初始線彈性變形狀態，試樣破壞較小;

（2）當軸向應變>0.4%時，應力-應變關系表現為非線性，且隨著應變的增加，應力-應變關系的變化趨勢逐漸平緩，土體塑性變形比例增加，隨著應變的增長試樣破壞表現的越來越明顯。

3.3孔壓-應變關系

土體在不同圍壓情況下的孔壓和軸向應變關系如圖3-5所示，其中為剪切過程中產生的超靜孔隙水壓力。從圖中可以看出，在不同固結圍壓和加載圍壓情況下，孔壓-軸向應變關系的變化呈現出兩種發展趨勢：

（1）雙曲線型趨勢：在高加載圍壓情況下，如圖5-（b）、圖5-（c）、圖5-（e）和圖5-（f）所示，孔壓隨軸向應變的增加而呈現出雙曲線型的變化趨勢，最終孔壓數值趨近于穩定。

（2）非雙曲線型趨勢：在低加載圍壓情況下，如圖5-（a）和圖5-（d）所示，孔壓隨軸向應變的增加而呈現出先增加后減小的變化趨勢，且在軸向應變=5%時，孔壓達到最大值。

然而，低加載圍壓情況下，在孔壓達到峰值前，即當軸向應變<5%時，孔壓隨軸向應變的增加是按照雙曲線型趨勢變化發展的。

對比總結圖5-（a）、圖5-（b）、圖5-（c）和圖5-（d）發現，加載圍壓越大孔壓值也越大。

但是圖5-（b）和圖 5-（e）相比時發現加載圍壓=240kPa時的孔壓比加載圍壓=200kPa時的小，這是因為前者的固結圍壓大于后者，土樣在高固結圍壓下充分排水固結，土體孔隙率較小，產生的孔壓數值相對教小。這個規律也體現在圖5-（d）、圖5-（e）和圖5-（f）中，固結圍壓越高，不排水單調三軸試驗中試樣產生的孔壓越小。

4 結論

（1）不同固結圍壓和不同加載圍壓下飽和粉質粘土試樣的應力-應變關系表現出一定的不同。固結圍壓增大，相同應變下土體的偏應力也隨之增大，峰值強度也更高，土體應力-應變關系增長趨勢越快。

（2）飽和粉質粘土在不排水三軸單調加載試驗下的應力-應變關系經歷彈性和塑性變形階段，臨界軸向應變取值為0.4%。彈性變形階段，土體應力-應變關系不受加載圍壓大小的影響，只與土體固結圍壓有關。固結圍壓越大，彈性變形階段下的應力-應變關系增長趨勢越快。塑性變形階段，無論圍壓如何，土體應力-應變關系趨勢都隨著軸向應變的增長而漸緩。

（3）孔壓-軸向應變關系的變化呈現出低加載圍壓時的雙曲線型變化和高加載圍壓下非雙曲線型變化的兩種趨勢。非雙曲線變化趨勢下，孔壓在軸向應變= 5%時達到峰值。加載圍壓增大孔壓值隨之增大，而固結圍壓增大孔壓值隨之較小。

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