湛江強(qiáng)結(jié)構(gòu)性黏土強(qiáng)度特性的應(yīng)力路徑效應(yīng)

孔令偉，臧 濛，郭愛(ài)國(guó)，拓勇飛

（1.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 隧道與地下工程設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430056）

1 引 言

結(jié)構(gòu)性作為天然土的一種固有屬性，總是通過(guò)自身變化隱性影響土體的工程特性，本質(zhì)上增加了土力學(xué)研究的復(fù)雜性，也使得在工程實(shí)踐中很難準(zhǔn)確獲得土性的變化，應(yīng)力路徑對(duì)土體力學(xué)性狀的影響如何精細(xì)把握也是如此。國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用三軸儀、GDS 應(yīng)力路徑儀、真三軸儀等，對(duì)天然土的工程特性進(jìn)行了研究，深入地分析了應(yīng)力路徑影響下土體的變形、孔壓、強(qiáng)度特性[1－5]。在此基礎(chǔ)上，提出了能夠考慮具體復(fù)雜應(yīng)力路徑的本構(gòu)模型[5－7]以及相應(yīng)的數(shù)值建模方法[7]。迄今已從不同角度探討了應(yīng)力路徑對(duì)黏性土力學(xué)特性的影響規(guī)律，但關(guān)注不同應(yīng)力路徑下的土體結(jié)構(gòu)性效應(yīng)尚不多，在巖土工程設(shè)計(jì)的參數(shù)選取中通常應(yīng)用土體有效應(yīng)力指標(biāo)與應(yīng)力路徑條件無(wú)關(guān)的假設(shè)。

從理論上講，結(jié)構(gòu)性黏土在剪切過(guò)程中伴隨著結(jié)構(gòu)的破損，其強(qiáng)度衰減程度與應(yīng)力路徑方向有很大的關(guān)聯(lián)性，深入了解結(jié)構(gòu)性及應(yīng)力路徑影響下的土體強(qiáng)度演變規(guī)律具有重要意義。本文在以往湛江黏土研究工作基礎(chǔ)上[8－12]，聚焦于該黏土在不同應(yīng)力路徑和應(yīng)力水平下的破壞特性與強(qiáng)度特性，以期深化對(duì)強(qiáng)結(jié)構(gòu)性黏土強(qiáng)度演化機(jī)制的認(rèn)知。

2 試驗(yàn)土樣與試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)土樣

土樣取自湛江市區(qū)某地海岸邊沉積層，埋深7.0～10.0 m，土層具有水平微薄層理，層面之間可見(jiàn)少量砂粒，試驗(yàn)制樣的軸線均為原狀土所在地層的法線。其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)平均值與顆粒組成見(jiàn)表1。由表可見(jiàn)，湛江黏土的力學(xué)性質(zhì)優(yōu)于一般軟土，原狀土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)150 kPa，結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度高達(dá)400～600 kPa，靈敏度多為5～7，屬于具有高靈敏性的強(qiáng)結(jié)構(gòu)性黏土，是一種研究結(jié)構(gòu)性土力學(xué)性狀的理想材料。

2.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用英國(guó)GDS 應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)系統(tǒng)。土樣為原狀樣與相應(yīng)重塑樣，直徑為38 mm，高76 mm。對(duì)試樣采取飽和分抽氣真空飽和和反壓飽和兩步進(jìn)行，使其飽和度達(dá)98%后進(jìn)行試驗(yàn)。針對(duì)原狀樣與重塑樣，考慮應(yīng)力路徑、應(yīng)力條件、固結(jié)與剪切條件、排水方式等影響因素，固結(jié)過(guò)程采用等向固結(jié)(滲透系數(shù)K=1.0)與偏壓固結(jié)(K=0.7)兩種方式，剪切過(guò)程采用主動(dòng)壓縮、被動(dòng)壓縮與主動(dòng)伸長(zhǎng)3 種方式，具體方案見(jiàn)表2。

設(shè)定剪切破壞標(biāo)準(zhǔn)為：變形為應(yīng)變軟化型取應(yīng)力峰值(σ1-σ3)為破壞強(qiáng)度，應(yīng)變硬化型以軸向應(yīng)變 ε1=15%時(shí)主應(yīng)力差(σ1-σ3)f為破壞強(qiáng)度。為表示方便，表2 中試驗(yàn)土樣以US(undisturbed sample)表示原狀樣，DS(disturbed sample)表示重塑樣，下角標(biāo)數(shù)值表示固結(jié)壓力終值，如US1200為第1 組固結(jié)壓力終值為200 kPa的主動(dòng)壓縮試驗(yàn)原狀土試樣。

表1 湛江黏土基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)平均值與顆粒組成Table 1 Physical and mechanical average indexes and grain size distribution of Zhanjiang clay

表2 應(yīng)力路徑試驗(yàn)Table 2 Stress paths testing program

3 不同應(yīng)力路徑湛江黏土的強(qiáng)度特性

3.1 試樣破壞形態(tài)

所有試樣在ε1達(dá)到15%之前均出現(xiàn)塑性破壞特征，具有剪切帶痕跡，如圖1 所示。不同應(yīng)力路徑試樣的破壞形態(tài)可分為三類：（1）原狀土主動(dòng)壓縮試驗(yàn)主要呈現(xiàn)單一型剪切帶，并向一側(cè)傾斜；（2）主動(dòng)拉伸試驗(yàn)主要為雙交叉剪切帶且呈“X”型；（3）重塑土或高圍壓固結(jié)后原狀土的剪切試驗(yàn)均呈現(xiàn)“腰鼓”型破壞。蔣明鏡根據(jù)珠海海積軟土剪切帶內(nèi)外以及邊緣微觀結(jié)構(gòu)定量分析認(rèn)為，剪切破壞后，相對(duì)于剪切帶外緣，剪切帶內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)變化非常明顯[13]，說(shuō)明土的結(jié)構(gòu)性對(duì)剪切破壞有不同忽視的影響，是黏土產(chǎn)生剪切帶的必要條件。

圖1 試樣典型破壞形態(tài)照片F(xiàn)ig.1 Photographs of soil sample’s typical failure mode

3.2 應(yīng)力水平對(duì)強(qiáng)度的影響

圖2為湛江黏土原狀土與重塑土在不同應(yīng)力路徑條件下的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線。在主動(dòng)壓縮路徑中，強(qiáng)結(jié)構(gòu)性對(duì)湛江原狀土的應(yīng)力-應(yīng)變特性影響顯著，結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力 σk>σ3，變形呈應(yīng)變軟化型；σk<σ3時(shí)則其變形表現(xiàn)出與重塑土相同的應(yīng)變硬化型。結(jié)構(gòu)性土不同的應(yīng)力-應(yīng)變性狀可歸納為I-輕度應(yīng)變軟化、II-強(qiáng)烈應(yīng)變軟化、III-輕度應(yīng)變硬化、IV-強(qiáng)烈應(yīng)變硬化4 種類型。其中，重塑土及高固結(jié)壓力下的原狀土以I 型與III 型為常見(jiàn)；II 型主要產(chǎn)生于低固結(jié)壓力下的原狀土，且以側(cè)向卸載及拉伸試驗(yàn)表現(xiàn)明顯；IV 型較少見(jiàn)，主要是重塑土在較高固結(jié)壓力下三軸壓縮中出現(xiàn)，這是由于土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度遭到破壞后，為了適應(yīng)外力的變化，不斷形成新的更密實(shí)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，進(jìn)而獲得更大的強(qiáng)度，這種應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是顆粒間滑移所致，即表現(xiàn)出重塑土典型的壓硬性。

圖2 湛江黏土不同應(yīng)力路徑的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線Fig.2 Deviator stress and axial strain curves of Zhanjiang clay in various stress paths

由于結(jié)構(gòu)性的影響，原狀土的抗剪強(qiáng)度在結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力前后有顯著差異，表3為根據(jù)4 組試驗(yàn)得到的不同應(yīng)力路徑下強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)，圖3為典型強(qiáng)度包線。對(duì)比原狀土在結(jié)構(gòu)屈服前后的強(qiáng)度參數(shù)變化發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)屈服前的黏聚力均明顯高于重塑土，而內(nèi)摩擦角則相反，表明隨著湛江黏土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的喪失，原狀土到重塑土的轉(zhuǎn)變過(guò)程是黏聚力與摩擦力在土體內(nèi)部的相互消長(zhǎng)過(guò)程，即原狀土的黏聚力喪失與摩擦力增強(qiáng)的代償過(guò)程。

3.3 固結(jié)條件對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響

基于第1 組與第2 組的試驗(yàn)結(jié)果，探討等壓固結(jié)與偏壓固結(jié)條件對(duì)結(jié)構(gòu)性黏土強(qiáng)度的影響。由表3和圖3(a)～3(d)可知，在一定固結(jié)條件下原狀土在結(jié)構(gòu)屈服前的黏聚力明顯高于重塑土，而結(jié)構(gòu)屈服后的原狀土不排水強(qiáng)度峰值卻低于相應(yīng)固結(jié)壓力下的重塑土，其內(nèi)在機(jī)制在于應(yīng)力水平超過(guò)結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí)土體結(jié)構(gòu)性影響逐漸消失?？紤]到天然黏土在結(jié)構(gòu)屈服后階段會(huì)受到殘余結(jié)構(gòu)性影響所產(chǎn)生的抵抗力，其強(qiáng)度線理應(yīng)處于重塑土的強(qiáng)度線之上。但從表3 發(fā)現(xiàn)，重塑土沒(méi)有結(jié)構(gòu)性的影響，仍表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度指標(biāo)，如第2 組試驗(yàn)得到重塑土的黏聚力c 高達(dá)69 kPa，出現(xiàn)較高的強(qiáng)度指標(biāo)是由固結(jié)效應(yīng)所致。原狀土持有的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不利于固結(jié)壓縮，而重塑土的高壓縮性導(dǎo)致其在相同固結(jié)條件的體變相對(duì)較大。在相同固結(jié)條件下，原狀土與重塑土在強(qiáng)度上的差異是由固結(jié)壓密作用而致，也從原狀土與重塑土在不同固結(jié)條件下的體積變形及對(duì)應(yīng)剪切破壞強(qiáng)度規(guī)律可以得到印證。圖4、5 分別為主動(dòng)壓縮路徑下固結(jié)壓力與體積應(yīng)變及剪切強(qiáng)度關(guān)系曲線。相對(duì)于等壓固結(jié)條件，偏壓固結(jié)條件下試樣固結(jié)時(shí)排水較多，固結(jié)效應(yīng)明顯，破壞時(shí)的剪應(yīng)力較高；相同固結(jié)條件下，原狀土的結(jié)構(gòu)性對(duì)固結(jié)作用有一定影響，固結(jié)體變小于重塑土，導(dǎo)致破壞時(shí)的剪應(yīng)力略小。

表3 湛江黏土不同應(yīng)力路徑下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 3 Shear strength parameters of Zhanjiang clay in various stress paths

圖3 湛江黏土典型應(yīng)力路徑的強(qiáng)度包線曲線Fig.3 Strength envelope curves of Zhanjiang soft clay in various stress paths

圖4 主動(dòng)壓縮路徑下固結(jié)壓力-體積應(yīng)變關(guān)系Fig.4 Consolidation pressure vs.volumetric strain relations in active compression paths

圖5 主動(dòng)壓縮路徑下固結(jié)壓力-抗剪強(qiáng)度關(guān)系Fig.5 Consolidation pressure vs.shear strength relations in active compression paths

從圖2(a)～2(d)可以看出，湛江黏土在相同圍壓固結(jié)后剪切，不同固結(jié)條件下破壞強(qiáng)度相差很大，偏壓固結(jié)時(shí)試樣破壞應(yīng)變均小于等壓固結(jié)相應(yīng)值，而破壞強(qiáng)度及初始彈性模量則相反。由于偏壓固結(jié)下試樣已承受較大偏應(yīng)力，即使對(duì)比等P 固結(jié)(等壓固結(jié)與偏壓固結(jié)的球應(yīng)力相等)下試樣的強(qiáng)度特性，偏壓固結(jié)條件下的剪切破壞強(qiáng)度仍然相對(duì)較高。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于初始應(yīng)力狀態(tài)對(duì)土體剪切有較大影響，不同初始應(yīng)力誘導(dǎo)作用改變了土體在剪切中的結(jié)構(gòu)再造規(guī)律，宏觀上表現(xiàn)為強(qiáng)度指標(biāo)的差異；另一方面，兩種固結(jié)方式導(dǎo)致其固結(jié)體變的差異也是影響其強(qiáng)度指標(biāo)不同的重要因素（見(jiàn)圖4、5），如原狀土在同一剪切應(yīng)力下固結(jié)后的剪切應(yīng)變值明顯大于偏壓固結(jié)相應(yīng)值（圖2(a)、2(b)與圖2(c)、2(d))，重塑土在不同固結(jié)條件下的強(qiáng)度參數(shù)黏聚力變化幅度也較大（見(jiàn)表3）。因此可以認(rèn)為，受結(jié)構(gòu)性的制約，原狀土在結(jié)構(gòu)屈服前固結(jié)體變很小，固結(jié)方式對(duì)排水體積的影響程度遠(yuǎn)小于重塑土，這在一定程度上反映出結(jié)構(gòu)性黏土的應(yīng)力路徑依賴性與初始固結(jié)狀態(tài)具有較大關(guān)聯(lián)性。

3.4 剪切條件對(duì)強(qiáng)度的影響

從原狀土在偏壓固結(jié)條件下的主動(dòng)壓縮、被動(dòng)壓縮和主動(dòng)伸長(zhǎng)等3 種不同應(yīng)力路徑的剪切強(qiáng)度指標(biāo)看（見(jiàn)表3），相同固結(jié)條件下不同應(yīng)力路徑的試驗(yàn)土樣具有不同的強(qiáng)度值，尤其是有效黏聚力c′的差異性最為顯著，其中，試樣在低固結(jié)壓力下，軸向加載條件下的黏聚力c′明顯高于卸荷路徑；隨著固結(jié)壓力的增大，因土體結(jié)構(gòu)性的破損，導(dǎo)致二者的c′值急劇降低，內(nèi)摩擦角φ′有所提高，說(shuō)明對(duì)于結(jié)構(gòu)性黏土而言，加載與卸荷路徑的強(qiáng)度差異主要反映在結(jié)構(gòu)屈服前土的c′的不同，而主動(dòng)伸長(zhǎng)的c′值高于被動(dòng)壓縮而低于主動(dòng)壓縮。因此，對(duì)于湛江黏土，在相同固結(jié)條件下的天然土體在結(jié)構(gòu)屈服前的強(qiáng)度指標(biāo)具有較強(qiáng)應(yīng)力路徑依賴性。

值得說(shuō)明的是，自1967年Lambe 提出應(yīng)力路徑概念以來(lái)，針對(duì)這一命題的學(xué)術(shù)爭(zhēng)論就從未停止，但有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)與應(yīng)力路線無(wú)關(guān)的假設(shè)已在土力學(xué)界被普遍接受[14]。塑性力學(xué)理論認(rèn)為，對(duì)于均勻的各向同性材料，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與應(yīng)力路徑無(wú)關(guān)，但土體是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的碎散性材料，巖土界關(guān)注較多的是不同應(yīng)力路徑下應(yīng)力誘導(dǎo)各向異性對(duì)土體工程特性的影響，將應(yīng)力路徑引起的強(qiáng)度差異歸結(jié)為土體的各向異性所致[15]，但土體所表現(xiàn)出來(lái)的各種變形及強(qiáng)度特性歸根結(jié)底是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)要素調(diào)整和演化的綜合反映，作為內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的一種宏觀量度，黏聚力與內(nèi)摩擦角在土體強(qiáng)度演化的不同階段反映出不同的內(nèi)涵，應(yīng)該說(shuō)對(duì)應(yīng)力路徑的依賴性與土體結(jié)構(gòu)性是否存在密切的關(guān)聯(lián)性研究迄今尚不夠充分，尤其對(duì)于強(qiáng)結(jié)構(gòu)性黏土是否也具體普適性，值得進(jìn)一步探討。

4 結(jié) 論

（1）湛江黏土的剪切破壞形態(tài)主要有單一型剪切帶、雙交叉剪切帶、“腰鼓”型，應(yīng)力-應(yīng)變特性表現(xiàn)為輕度應(yīng)變軟化、強(qiáng)烈應(yīng)變軟化、輕度應(yīng)變硬化、強(qiáng)烈應(yīng)變硬化4種類型。

（2）受強(qiáng)結(jié)構(gòu)性影響，應(yīng)力條件、固結(jié)狀態(tài)、剪切條件都對(duì)湛江黏土的強(qiáng)度影響顯著。當(dāng)σ3<σk時(shí)，原狀土黏聚力高于重塑土，內(nèi)摩擦角則相反。隨著結(jié)構(gòu)的破損，黏聚力逐漸減小，內(nèi)摩擦角增大。偏壓固結(jié)下試樣破壞應(yīng)變小于等壓固結(jié)相應(yīng)值，而破壞強(qiáng)度及初始彈性模量則比后者大。不同剪切路徑條件下，湛江黏土的強(qiáng)度差異主要反映在結(jié)構(gòu)屈服前有效黏聚力c'的不同。

（3）強(qiáng)結(jié)構(gòu)性黏土在結(jié)構(gòu)屈服前的強(qiáng)度指標(biāo)具有較強(qiáng)應(yīng)力路徑依賴性，隨著湛江黏土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的喪失，原狀土到重塑土的轉(zhuǎn)變過(guò)程是黏聚力與摩擦力在土體內(nèi)部相互消長(zhǎng)的過(guò)程；應(yīng)力路徑的依賴性與土體結(jié)構(gòu)性是否存在密切關(guān)聯(lián)性值得深入探討。

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