應(yīng)力狀態(tài)對飽和重塑粘性土強(qiáng)度影響的CU試驗研究

梅 嶺, 周愛兆, 姜朋明

(江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

圖1 條形均布荷載下地基內(nèi)任一點受力Fig.1 Stress of soil point under the strip footing

而實際上,土層在其沉積歷史過程中形成的各向異性使得M點上土的自重應(yīng)力在各個方向是不相等的,即靜止土壓力系數(shù)K0≠1,因此在M點產(chǎn)生的附加大、小主應(yīng)力方向和自重應(yīng)力方向并不一致,所以這兩項應(yīng)力不可以簡單相互疊加．假設(shè)K0=1時,也即假設(shè)土體處于球應(yīng)力的狀態(tài)下,從而使土體人為地處于更加密實的狀態(tài),所得臨塑荷載和臨界荷載必然偏大,得到的地基承載力是偏不安全的,文獻(xiàn)[3-6]的研究都證明了這一點．

為此,設(shè)計不同K0初始應(yīng)力狀態(tài)下的CU試驗,來研究地基土不同應(yīng)力狀態(tài)對其強(qiáng)度的影響,以及假設(shè)K0=1對強(qiáng)度造成的誤差．

1 試驗研究

1.1 試驗儀器

試驗采用英國產(chǎn)GDS多功能三軸儀．該設(shè)備吸取了當(dāng)今先進(jìn)的機(jī)械制造工藝和自動控制技術(shù),測量、控制精度高且實現(xiàn)了數(shù)字化操作．與傳統(tǒng)三軸儀一樣,GDS三軸儀主要也是由壓力室、軸向加壓設(shè)備、圍壓施加系統(tǒng)、體積變化和孔隙壓力量測系統(tǒng)所構(gòu)成．不同的是GDS中增加了計算機(jī)控制與分析系統(tǒng),與傳統(tǒng)三軸儀相比,試驗結(jié)果具有更好的精度與可操作性．

1.2 試驗方案

試驗采用南京江北某基坑粉質(zhì)粘土,其常規(guī)物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1．

表1 土的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of the soil

令飽和重塑粘性土在不同K0應(yīng)力狀態(tài)下固結(jié),進(jìn)行4組固定圍壓,施加軸向壓力直至土樣破壞的固結(jié)不排水試驗．具體試驗設(shè)計方案見表2．

表2 試驗方案Table 2 Experimental plan

1.3 試驗步驟

1.3.1 排出氣體

首先開啟GDS系統(tǒng),選用Saturation Ramp試驗?zāi)K,設(shè)置較小的圍壓及反壓,用來排除試樣與橡皮膜之間的空氣,持續(xù)大約30 min．

1.3.2 試樣飽和

選用Saturation Ramp試驗?zāi)K,重新設(shè)置圍壓及反壓,進(jìn)行試樣飽和,時間持續(xù)為10～15 h．

1.3.3 孔壓系數(shù)B測定

選用B-Check模塊,保持反壓不變,增加圍壓,根據(jù)孔壓變化值計算孔壓系數(shù)B,若B值達(dá)0.98以上可視土樣為飽和．否則將重新進(jìn)行飽和．

1.3.4 固結(jié)

1.3.5 剪切

在固結(jié)完成的基礎(chǔ)上,選用Advance loading試驗?zāi)K,反壓仍然保持不變,在不同的固定圍壓下,施加軸向壓力至土樣破壞,加載速率為0.04 mm/min．

1.3.6 卸樣

將所有壓力回零,待排去壓力室中水后,拆去壓力室外罩,脫去試樣外橡皮膜,將儀器擦洗干凈．

2 試驗結(jié)果

2.1 圍壓對土體強(qiáng)度的影響

圖2a)和b)是試樣在K0分別為0.5及1.0初始固結(jié)作用后,不同圍壓作用下逐步施加軸向應(yīng)力直至土樣破壞的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系．

由圖可知,當(dāng)土樣在某一K0條件下固結(jié)后,隨著偏應(yīng)力的增加,試樣的軸向變形ε1逐漸增大;隨著圍壓的增大,土樣達(dá)到相同的軸向應(yīng)變時所需的偏應(yīng)力逐漸增大,土樣的破壞應(yīng)力也逐漸加大．此即說明越是深層的土體,由于其所受圍壓越大,則其達(dá)到破壞所需的荷載就會越大．而且,土樣在某一軸向應(yīng)變時,增加相同幅度的圍壓,所需的偏應(yīng)力的增量逐漸減小,也即當(dāng)土層達(dá)到一定深度以后,其承載性能趨向于穩(wěn)定．所以,初始圍壓對土體破壞時主應(yīng)力強(qiáng)度有影響,其值隨著圍壓值的增加而增加．當(dāng)初始圍壓越小時,加載時土樣越容易破壞．其他K0下也有類似規(guī)律,這里不再贅述．

a) K0=0.5

b) K0=1.0

2.2 K0對土體強(qiáng)度的影響

圖3a)和b)是σ3分別為100和200 kPa時不同K0下偏應(yīng)力與軸向應(yīng)力之間的關(guān)系．由圖3可以看出,在某一圍壓下,隨著固結(jié)應(yīng)力比K0從0.5增大到1.0,土樣的應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系曲線初始坡度逐漸由緩變陡．隨著K0的增大,試樣達(dá)到破壞時需要的偏應(yīng)力也越大,即需要施加的軸向壓力越大．圍壓一定時,要達(dá)到同一軸向應(yīng)變,K0越大,所需的偏應(yīng)力就越大．這說明,在基底以下某一深度的土體,此時有著相同的圍壓,要達(dá)到同一的豎向位移,K0越大的土體,所需的豎向力就越大,從而土體達(dá)到破壞時的豎向力就越大,即其承載力越高．假設(shè)土體的K0=1,高估了土體的承載能力,造成不安全的結(jié)果，再次驗證了文獻(xiàn)[7]提出的Terzaghi承載力理論常常過高地估計淺基礎(chǔ)的承載能力的觀點．

從圖3還可以了解到,某一圍壓下,在同一偏應(yīng)力作用時,K0越大,土體的軸向應(yīng)變就越?。布凑f明相同深度的地基土在同一豎向力的作用下,靜止土壓力系數(shù)越大的土體,其豎向變形就越小．假設(shè)土體的K0=1,則理論上其沉降量應(yīng)該較小,而實測沉降量要越大于理論值,這正是K0=1這一不合理假設(shè)所導(dǎo)致的[8]．目前有些地區(qū)的工程中,用臨界荷載承載力公式確定的地基承載力特征值遠(yuǎn)大于按變形確定的承載力特征值,也正說明了這一點．其他圍壓時,不同K0下偏應(yīng)力與軸向應(yīng)力之間的關(guān)系也有類似規(guī)律,這里不再贅述．

a) σ3=100 kPa

b) σ3=200 kPa

2.3 破壞偏應(yīng)力的變化率

為研究各圍壓下,不同K0時土樣軸向加載的破壞點的差異,現(xiàn)做如下分析．

《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GBT50123-1999)》第16.5.14中規(guī)定[9]:以主應(yīng)力差或有效主應(yīng)力比的峰值作為破壞點,無峰值時,以有效應(yīng)力路徑的密集點或軸向應(yīng)變15%時的主應(yīng)力差值作為破壞點．則對各圍壓下,不同K0時土樣在軸向加載情況下得到的應(yīng)力～應(yīng)變曲線進(jìn)行擬合,在擬合方程中取軸向應(yīng)變ε1=15%,計算得到此時的偏應(yīng)力q,并在不同圍壓下,假設(shè)K0=1時土樣的破壞偏應(yīng)力為1,則各K0值時偏應(yīng)力的變化率詳見表3．

表3 土樣在不同圍壓及K0條件下破壞偏應(yīng)力的變化率Table 3 Variation rate of failure deviator stress in different conditions

由表3可以看出,在某一圍壓下,隨著K0從1.0變化到0.9，0.7及0.5時,土樣的破壞偏應(yīng)力分別下降了20%，35%以及55%左右,不同圍壓下均有類似規(guī)律．雖然不能用土樣的破壞應(yīng)力來代替地基土的破壞荷載,但這一現(xiàn)象在一定程度上也能說明若地基土的實際側(cè)壓力系數(shù)為0.5，0.7或0.9,而按照規(guī)范或教材中假設(shè)K0=1的方法來求其承載能力,則其結(jié)果可能會分別被高估55%，35%及20%．

3 結(jié)論

通過4組不同K0狀態(tài)下飽和重塑粘性土的CU試驗,得到了相應(yīng)偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系,指出了假設(shè)土體K0=1的錯誤,研究了地基土不同應(yīng)力狀態(tài)對其強(qiáng)度的影響,得到了假設(shè)K0=1對土體強(qiáng)度造成的誤差,主要結(jié)論如下:

1) 初始圍壓對土體破壞時主應(yīng)力強(qiáng)度有影響,其值隨著圍壓值的增加而增加,初始圍壓越小,土樣越容易破壞;

2) 土體固結(jié)應(yīng)力比K0對土體破壞時的主應(yīng)力強(qiáng)度有較大影響,其值隨著K0的增加而增加,固結(jié)應(yīng)力比K0越小,土樣越容易破壞;

3)假設(shè)土體的K0=1,高估了土體的承載能力,造成不安全的結(jié)果,土體實際的K0越小,誤差越大．

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