考慮固結(jié)路徑影響的花崗巖殘積土不排水剪切試驗(yàn)研究

劉　攀，周小文，何勇彬，趙仕威

(華南理工大學(xué) a.土木與交通學(xué)院，b.亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州　510640)

考慮固結(jié)路徑影響的花崗巖殘積土不排水剪切試驗(yàn)研究

劉攀a,b，周小文a,b，何勇彬a,b，趙仕威a,b

(華南理工大學(xué) a.土木與交通學(xué)院，b.亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州510640)

摘要：針對(duì)常規(guī)的等向固結(jié)剪切試驗(yàn)不能反映實(shí)際工程中復(fù)雜應(yīng)力路徑對(duì)土體力學(xué)特性的影響，采用GDS應(yīng)力路徑三軸儀，對(duì)華南地區(qū)廣泛分布的花崗巖殘積土進(jìn)行了不同固結(jié)條件下的不排水剪切試驗(yàn)，探討不同初始平均有效主應(yīng)力與初始應(yīng)力比ηc對(duì)其不排水特性的影響。結(jié)果表明：在初始應(yīng)力比相同的情況下，初始平均有效主應(yīng)力越大，花崗巖殘積土的不排水剪切強(qiáng)度越大，破壞時(shí)的孔壓也越大；在初始平均有效主應(yīng)力相同的情況下，初始應(yīng)力比越大，花崗巖殘積土的不排水剪切強(qiáng)度越大，而破壞時(shí)的孔壓越小。然而，e-p′-q三維空間中的臨界狀態(tài)線是唯一的，不受初始平均有效主應(yīng)力和初始應(yīng)力比影響。

關(guān)鍵詞：花崗巖殘積土；三軸試驗(yàn)；應(yīng)力路徑；臨界狀態(tài)線;三維空間

1研究背景

花崗巖在我國(guó)東南、華南以及香港地區(qū)廣泛分布，這些地區(qū)由于受熱帶、亞熱帶季風(fēng)氣候的影響，使得花崗巖母巖在溫暖、潮濕的環(huán)境下發(fā)生一系列物理化學(xué)風(fēng)化作用，從而形成覆蓋于母巖之上的花崗巖殘積土[1]。這類土體未經(jīng)搬運(yùn)，具有高孔隙比、高強(qiáng)度、低密度和中低壓縮性等特點(diǎn)，在上述地區(qū)大面積出露[2]。例如在廣東省，花崗巖殘積土出露面積約占全省陸地面積的40%[3]。因此，花崗巖殘積土是華南地區(qū)常見(jiàn)的工程建設(shè)材料或巖土工程載體。然而，由于對(duì)花崗巖殘積土認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致在每年的暴雨過(guò)程中都有大量花崗巖殘積土邊坡發(fā)生滑坡，許多城市建筑在遇到殘積土地基時(shí)出現(xiàn)樁基承載力變異大和基坑失穩(wěn)的現(xiàn)象，是華南地區(qū)主要的地質(zhì)災(zāi)害。而且花崗巖風(fēng)化殼的發(fā)育程度與所處的氣候條件、地形地貌條件以及環(huán)境條件密切相關(guān)，使得華南地區(qū)的花崗巖殘積土具有強(qiáng)烈的地域性與特殊性[4-6]。

目前關(guān)于花崗巖殘積土的剪切變形、破壞及強(qiáng)度性狀的試驗(yàn)研究主要集中在三軸等向固結(jié)剪切特性，即通過(guò)對(duì)土體進(jìn)行三軸等向固結(jié)后再軸向施加荷載進(jìn)行剪切，分析剪切過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特征與孔壓變化規(guī)律[7-13]。然而實(shí)際工程中花崗巖殘積土所受荷載條件十分復(fù)雜，等向固結(jié)條件下的不排水剪切特征無(wú)法反映工程現(xiàn)場(chǎng)花崗巖殘積土在非等向固結(jié)條件下的強(qiáng)度特性以及孔壓變化規(guī)律。本文采用GDS應(yīng)力路徑三軸儀，對(duì)深圳地區(qū)花崗巖殘積土重塑樣進(jìn)行了不同固結(jié)條件下的不排水剪切試驗(yàn)，探討了初始平均有效主應(yīng)力與初始應(yīng)力比對(duì)其不排水剪切特性的影響，以期通過(guò)試驗(yàn)成果的累積，建立針對(duì)花崗巖殘積土特點(diǎn)的本構(gòu)模型，為工程應(yīng)用提供依據(jù)。

2試樣與試驗(yàn)方案

2.1試樣

花崗巖殘積土土樣取自深圳市福田區(qū)某一建筑基坑，取樣深度11 m。土樣主要呈肉紅、黃褐、灰白等色，并夾雜著黑點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)取樣照片如圖1所示。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，土體母巖為燕山晚期花崗巖。X射線衍射分析結(jié)果顯示其主要礦物為長(zhǎng)石和石英，次要礦物為黑云母、角閃石。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001)[14]表A.0.3的分類標(biāo)準(zhǔn)，該土樣為殘積土。

圖1　現(xiàn)場(chǎng)取樣Fig.1　In-situ soil sampling at the construction site

圖2　顆分曲線Fig.2　Particle size distributionof tested soil

土樣顆分曲線如圖2所示，該土樣包含11%礫石、45%砂粒、21%粉粒以及23%黏粒，不均勻系數(shù)Cu=100，曲率系數(shù)Cc=0.18。土粒密度Gs=2.6，天然含水率ω=19.35%，濕密度ρ=1.79 g/cm3，干密度ρd=1.50 g/cm3，天然孔隙比e=0.736。通過(guò)輕型擊實(shí)試驗(yàn)得到土樣最大干密度為1.65 g/cm3，對(duì)應(yīng)最優(yōu)含水率為22%。土樣液限為40%，塑限為25.2%，塑性指數(shù)為14.8。根據(jù)粒徑組成和塑性圖可將土樣定義為中液限黏性土。

表1　試驗(yàn)方案及各參數(shù)值

圖3　固結(jié)應(yīng)力路徑Fig.3　Consolidation stress path of each testbefore undrained shearing

等向固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)分為2個(gè)階段：等向固結(jié)階段和不排水剪切階段，即首先將土樣在預(yù)定圍壓下固結(jié)至超靜孔壓完全消散，然后在不排水條件下進(jìn)行剪切。剪切速率為0.015 2 mm/min。

每個(gè)試樣在固結(jié)前都進(jìn)行了反壓飽和：圍壓與反壓同時(shí)以50 kPa/h的速率加載到200 kPa，穩(wěn)壓1 h。經(jīng)B值檢測(cè)，反壓飽和后所有試樣飽和度都在0.98以上。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特征與孔壓變化規(guī)律

試樣CU125r，PU125-0.2，PU125-0.5在剪切過(guò)程中(包括等p′階段和不排水剪切階段)的偏應(yīng)力q、超靜孔壓u與軸向應(yīng)變?chǔ)臿的關(guān)系曲線如圖4所示，圖中實(shí)心點(diǎn)表示不排水剪切起始時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)。

圖4　CU125r，PU125-0.2，PU125-0.5試驗(yàn)結(jié)果Fig.4　Test results of sample CU125r, PU125-0.2,and PU125-0.5

由圖4(a)可見(jiàn)，在軸向應(yīng)變較小時(shí)，各試驗(yàn)偏應(yīng)力值接近，曲線相互重疊在一起。當(dāng)應(yīng)變超過(guò)2%之后3條曲線開(kāi)始分離直到各自達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的偏應(yīng)力值(不排水剪切強(qiáng)度)PU125-0.5>PU125-0.2>CU125r。從圖4(b)中可以看出，CU125r由于在等向固結(jié)完成后直接進(jìn)入不排水剪切階段，沒(méi)有經(jīng)歷等p′階段，故剪切一開(kāi)始就產(chǎn)生了超靜孔壓。PU125-0.2在125 kPa圍壓下固結(jié)完成后，在等p′階段中處于排水狀態(tài)，沒(méi)有產(chǎn)生超靜孔壓，直到軸向應(yīng)變達(dá)到0.3%時(shí)，偏應(yīng)力為25 kPa，然后開(kāi)始不排水剪切。試樣PU125-0.5的試驗(yàn)過(guò)程與PU125-0.2類似，不同的是PU125-0.5在不排水剪切起始時(shí)的初始應(yīng)力比為0.5，對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力為62.5 kPa，相應(yīng)的軸向應(yīng)變?yōu)?.1%，稍大于PU125-0.2不排水剪切起始時(shí)的軸向應(yīng)變。當(dāng)軸向應(yīng)變>5%時(shí)，各試驗(yàn)超靜孔壓趨于穩(wěn)定，其值PU125-0.5

圖5　CU225r，PU225-0.2，PU225-0.5試驗(yàn)結(jié)果Fig.5　Test results of sample CU225r, PU225-0.2,and PU225-0.5

圖6　CU350r，PU350-0.2，PU350-0.5試驗(yàn)結(jié)果Fig.6　Test results of sample CU350r, PU350-0.2,and PU350-0.5

從以上3組試驗(yàn)結(jié)果可以看出，初始平均有效主應(yīng)力與初始應(yīng)力比對(duì)重塑花崗巖殘積土在不排水剪切過(guò)程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特征以及孔壓變化規(guī)律都有影響。在初始應(yīng)力比相同的情況下，初始平均有效主應(yīng)力越大，土體不排水剪切強(qiáng)度越大(例如CU350r>CU225r>CU125r)，破壞時(shí)的孔壓也越大；在初始平均有效主應(yīng)力相同的情況下，初始應(yīng)力比越大，土體不排水剪切強(qiáng)度越大(例如PU225-0.5>PU225-0.2>CU225r)，而破壞時(shí)的孔壓越小。

3.2臨界狀態(tài)量

各試驗(yàn)不排水剪切起始時(shí)與臨界狀態(tài)時(shí)的孔隙比e與平均有效主應(yīng)力p′的關(guān)系如圖7所示。圖中空心圓點(diǎn)表示各試驗(yàn)不排水剪切起始時(shí)的狀態(tài)，實(shí)心圓點(diǎn)表示臨界狀態(tài)。

圖7　e-lgp′平面上臨界狀態(tài)線Fig.7　Critical state line in the e-logp′ plane

從圖7可以看出，各試驗(yàn)等向固結(jié)完成時(shí)的孔隙比e與相應(yīng)的平均有效主應(yīng)力p′在圖中大致呈線性關(guān)系，即重塑土正常固結(jié)線，可表示為

e=-0.164 4lgp′+0.995 7。

(1)

從圖7中還可以看出，偏壓固結(jié)過(guò)程中土體平均有效主應(yīng)力保持不變，孔隙比減?。黄珘汗探Y(jié)完成時(shí)初始應(yīng)力比越大，相應(yīng)的孔隙比越小。這就說(shuō)明了在平均有效主應(yīng)力相同的情況下，偏壓固結(jié)過(guò)程中土體所受偏應(yīng)力使得土體變得更加密實(shí)，從而提高了土體不排水剪切強(qiáng)度，同時(shí)，減小了土體在不排水剪切過(guò)程中的體縮趨勢(shì)，降低了破壞時(shí)的孔壓。

在不排水剪切過(guò)程中，土體孔隙比保持不變，平均有效主應(yīng)力減小直到臨界狀態(tài)。各試驗(yàn)達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)的孔隙比與相應(yīng)的平均有效主應(yīng)力也基本呈線性關(guān)系，線性擬合結(jié)果可表示為

(2)

可以看出，e-lgp′平面上，臨界狀態(tài)線與正常固結(jié)線在平均有效主應(yīng)力低于300 kPa時(shí)是平行的。Lee等[8]在高圍壓下對(duì)重塑花崗巖殘積土進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)也得到了相同的結(jié)果。

各試驗(yàn)有效應(yīng)力路徑在p′-q坐標(biāo)系中的關(guān)系如圖8所示。

圖8　各試驗(yàn)有效應(yīng)力路徑Fig.8　Effective stress path of each test

從圖8中可以看出，對(duì)于不同的固結(jié)狀態(tài)，土體不排水剪切應(yīng)力路徑不同，但都在同一條線上到達(dá)臨界狀態(tài)，即臨界狀態(tài)線，可表示為

(3)

從以上結(jié)果可以看出，在不同的初始平均有效主應(yīng)力與初始應(yīng)力比下對(duì)土體進(jìn)行不排水剪切，無(wú)論是在e-lgp′坐標(biāo)系下，還是在q-p′坐標(biāo)系下，都對(duì)應(yīng)著唯一的一條臨界狀態(tài)線。這說(shuō)明，對(duì)于本文花崗巖殘積土而言，三維空間e-p′-q中的臨界狀態(tài)線是唯一的，不受初始平均有效主應(yīng)力與初始應(yīng)力比的影響。然而，由于本文花崗巖殘積土粗顆粒含量較高(11%礫石以及45%砂粒)，可能會(huì)在高應(yīng)力水平下(p′≥1 000 kPa)出現(xiàn)顆粒破碎的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致臨界狀態(tài)線呈現(xiàn)非線性或者多段線性，這值得進(jìn)一步的試驗(yàn)研究與討論。

4結(jié)論

本文采用GDS應(yīng)力路徑三軸儀，對(duì)重塑花崗巖殘積土進(jìn)行了不同固結(jié)條件下的不排水剪切試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果與分析，得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1) 重塑花崗巖殘積土不排水剪切特性與初始平均有效主應(yīng)力和初始應(yīng)力比有關(guān)。在初始應(yīng)力比相同的情況下，初始平均有效主應(yīng)力越大，土體不排水剪切強(qiáng)度越大，破壞時(shí)的孔壓也越大；在初始平均有效主應(yīng)力相同的情況下，初始應(yīng)力比越大，土體不排水剪切強(qiáng)度越大，破壞時(shí)的孔壓越小。

(2) 偏壓固結(jié)會(huì)導(dǎo)致土體在保持平均有效主應(yīng)力不變的情況下，孔隙比減小，使得土體變得密實(shí)，從而提高不排水剪切強(qiáng)度，降低破壞時(shí)的孔壓。

(3) 對(duì)于本文重塑花崗巖殘積土而言，在e-p′-q三維空間中的臨界狀態(tài)線是唯一的，不受初始平均有效主應(yīng)力和初始應(yīng)力比影響。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

LIU Pan1,2, ZHOU Xiao-wen1,2, HE Yong-bin1,2, ZHAO Shi-wei1,2

(1.School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology,

Guangzhou510640, China; 2.State Key Laboratory of Subtropical Building Science,

South China University of Technology, Guangzhou510640, China)

Experimental Study on Undrained Shear Behavior of Granite ResidualSoil under Various Consolidation Stress Paths

Abstract:In engineering practice, conventional triaxial tests under isotropically consolidated conditions cannot reflect the effects of various stress paths on the mechanical behavior of granite residual soil which is widely distributed in south China. To investigate the influence of the initial mean effective stress and the initial stress ratio ηc on the undrained shear behavior of reconstituted granite residual soil, a series of triaxial tests under different consolidated conditions were conducted on the GDS triaxial apparatus. The test results revealed that both the initial mean effective stress and the initial stress ratio have effects on the undrained shear behavior. It was found that, for the granite residual soil in this study, under the same initial stress ratio, there would be an increase of undrained shear strength and excess pore water pressure with a higher initial mean effective stress. Besides, under the same initial mean effective stress, the higher the initial stress ratio is, the higher the undrained shear strength and the lower the excess pore water pressure would be. However, a unique critical state line can be postulated in e-p′-q space, regardless of the various initial mean effective stress and initial stress ratio.

Key words:granite residual soil; triaxial test; stress path; critical state line； 3-D space

收稿日期：2015-03-09；修回日期：2015-04-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51109083)；華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題 (2013ZC04)

作者簡(jiǎn)介：劉攀(1991-)，男，江西吉安人，博士研究生，主要從事土的基本性質(zhì)及巖土工程問(wèn)題等方面的研究，(電話) 13427570305(電子信箱)panliu2013@126.com。 通訊作者：周小文(1965-)，男，江西吉安人，教授，博士，主要從事土的基本性質(zhì)及巖土工程問(wèn)題等方面的研究，(電話) 020-87114373(電子信箱)xwzhou@scut.edu.cn。

doi:10.11988/ckyyb.20150166

中圖分類號(hào)：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5485(2016)06-0070-05

2016,33(06):70-74