不排水強度隨固結(jié)度增長特性試驗研究

徐 可，高 翔，鄭澤宇

(1. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2. 河海大學(xué) 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心，江蘇 南京 210098)

不排水強度隨固結(jié)度增長特性試驗研究

徐 可1，2，高 翔1，2，鄭澤宇1，2

(1. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2. 河海大學(xué) 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心，江蘇 南京 210098)

土體的固結(jié)程度對土的強度影響很大，采用等應(yīng)變速率的直剪儀研究了飽和高嶺土在各級固結(jié)壓力作用下的直剪強度隨固結(jié)度的變化規(guī)律，研究表明：各級固結(jié)壓力下的直剪強度均隨固結(jié)度的增長呈近似線性增長。利用微型十字板剪切儀研究了各級固結(jié)壓力作用下的微型十字板強度隨固結(jié)度的變化規(guī)律，同時考慮到尺寸效應(yīng)的影響，研制了配合微型十字板剪切儀使用的小直徑固結(jié)儀，研究表明：微型十字板強度同樣隨固結(jié)度的增長而呈線性增長；將以上兩種試驗結(jié)果進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)具有很好的一致性，驗證了用微型十字板剪切儀來研究飽和軟粘土抗剪強度變化規(guī)律是可行的。

直剪實驗；微型十字板實驗；固結(jié)度；抗剪強度

在土堤堆填和軟土地基處理過程中需要考慮抗剪強度隨土的固結(jié)過程而增長的問題[1-3]，土的固結(jié)過程即是土體內(nèi)部孔隙水排出，總應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力的過程。為了評價在不同時刻不同固結(jié)過程中土體強度的變化情況，室內(nèi)實驗中通常用直剪儀或三軸儀設(shè)計不同的初始固結(jié)狀態(tài)進(jìn)行剪切實驗獲得不同固結(jié)度下的抗剪強度[4-8]，現(xiàn)場實驗中常用十字板剪切試驗評價原位土不同時期的抗剪強度增長狀況[9-11]。室內(nèi)直剪試驗剪切面被固定在一個特定的水平面上，并非真實的剪切破壞面，十字板試驗雖然直接對現(xiàn)場土進(jìn)行剪切，減小了取樣擾動，其實際的剪切面為豎直面，土的固結(jié)多為水平成層固結(jié)，水平面相對于豎直面為小主應(yīng)力方向，得到的結(jié)果與土體的實際強度相比相對偏小[12]，兩類試驗方法雖然各有偏差，但對工程取值計算而言均是安全可靠的，相關(guān)的工程應(yīng)用和實驗研究也有很多[13-18]。本文采用均質(zhì)重塑高嶺土分別用直剪儀和室內(nèi)十字板儀開展不同固結(jié)度下的土的抗剪強度實驗，并比較兩種實驗測得的結(jié)果大小，對室內(nèi)十字板剪切儀測試結(jié)果的合理性和可靠性進(jìn)行驗證。

1 試驗土樣及試驗方案

實驗用土為研磨而成的粉末狀高嶺土，雜質(zhì)少，純度高，其主要的物理參數(shù)指標(biāo)如表1所示：

表1 實驗土樣物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical properties of tested soil

表2 直剪和微型十字板實驗達(dá)到相應(yīng)固結(jié)度的時間Tab.2 Time relationship for Direct shear and miniature vane experiment in corresponding consolidation degree

配置含水率為60%的土樣，充分?jǐn)嚢?、振搗均勻，保證每次用土為飽和土，在10 kPa壓力下預(yù)固結(jié)成型。為得到不同固結(jié)度下的土體強度，需獲得不同固結(jié)程度的土樣，相關(guān)的制取方案很多，本實驗將通過某一固結(jié)壓力下達(dá)到某一固結(jié)度等于該級壓力某一時間的沉降量與最終沉降量的比值來定義固結(jié)度，所設(shè)計的固結(jié)度為20 %、40 %、60 %、80 %、100 %，實驗荷載大小為20、30、40 kPa，試驗前記錄下通過一維固結(jié)實驗得到的兩組實驗達(dá)到對應(yīng)固結(jié)度所用的時間，如表2所示，直剪試驗為保證和十字板剪切的排水條件一致，采用快剪方式，試驗方法參照試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[19]，十字板試驗為達(dá)到某一固結(jié)度時將板頭垂直壓入土體內(nèi)同一深度進(jìn)行剪切，同一試驗做兩組取均值，共24組試樣，在得到兩種土的抗剪強度測量結(jié)果后，用以分析比較。

2 不同固結(jié)度下的直剪試驗

根據(jù)一維固結(jié)壓縮試驗中所測得的試樣在各級固結(jié)壓力作用下對應(yīng)固結(jié)度的時間，當(dāng)后續(xù)試樣固結(jié)達(dá)到這一時間時進(jìn)行直剪試驗，記錄下直剪強度，所得結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，在各級固結(jié)壓力作用下，直剪強度基本是隨著固結(jié)度呈線性增長的，且隨著固結(jié)壓力的增大，直剪強度值也會隨之增大，這一結(jié)果與劉紅軍[20]等人的研究成果相符。同時在相同固結(jié)度下，直剪強度隨固結(jié)壓力的增大而增大且基本呈線性增長，固結(jié)度越大時，直剪強度隨固結(jié)壓力增大的幅度也越大。在三種不同固結(jié)壓力作用下，固結(jié)初始階段的直剪強度基本近似，約為4.2 kPa。這是由于各組試驗所用試樣是由統(tǒng)一的60 %含水率飽和高嶺土試樣配置而成，所以在初始10 kPa預(yù)壓荷載作用下固結(jié)完成后，試樣所達(dá)到的初始強度基本一致。但隨著固結(jié)過程的發(fā)展，當(dāng)固結(jié)壓力為20 kPa時，試樣抗剪強度最大能達(dá)到約9.14 kPa；當(dāng)固結(jié)壓力為30 kPa時，試樣抗剪強度最大能達(dá)到約13.51 kPa；當(dāng)固結(jié)壓力為40 kPa時，試樣抗剪強度最大能達(dá)到約17.36 kPa。

圖1 直剪強度隨固結(jié)度變化Fig.1 Relationship between direct shear strength and consolidation degree

圖2為各級固結(jié)壓力下直剪強度增量與固結(jié)壓力增量的比值隨固結(jié)度的增長基本是呈非線性增長的，初始增長速率較快，然后逐漸減慢，整體在0 ～0.45左右變化，20 、30 kPa時各固結(jié)度下的歸一化強度增量值一致性較好，40 kPa相對較高，總體上各級固結(jié)壓力下的強度歸一化曲線比較接近。

圖2 直剪強度增量與固結(jié)壓力增量的比值隨固結(jié)度變化Fig.2 Relationship between ratio of the increment of direct shear strength to the increment of consolidation pressure and the consolidation degree

3 不同固結(jié)度下的微型十字板剪切試驗

十字板試驗采用武漢盤索公司生產(chǎn)的PSVST-M微型十字板剪切儀，考慮到常規(guī)固結(jié)儀的尺寸比較小，用微型十字板對試樣進(jìn)行剪切會受到尺寸效應(yīng)的影響，因此特別設(shè)計了配合微型十字板剪切儀使用的直徑100 mm，高度80 mm的小型固結(jié)試驗裝置，同樣根據(jù)一維固結(jié)壓縮試驗中所測得的試樣在各級固結(jié)壓力作用下達(dá)到各級固結(jié)度時所消耗的時間，當(dāng)固結(jié)達(dá)到這一時間即進(jìn)行微型十字板剪切試驗，記錄下微型十字板剪切試驗結(jié)果，所得結(jié)果如圖3所示。在相同固結(jié)度下，微型十字板剪切強度隨固結(jié)壓力的增大而增大且呈線性增長，固

圖3 微型十字板強度隨固結(jié)度變化Fig.3 Relationship between miniature vane strength and consolidation degree

結(jié)度越大時，微型十字板剪切強度隨固結(jié)壓力增大的幅度也越大。在不同固結(jié)壓力作用下，固結(jié)初始階段的微型十字板剪切強度相似，約為5.7 kPa。隨著固結(jié)過程的發(fā)展，當(dāng)固結(jié)壓力為20 kPa時，試樣抗剪強度最大能達(dá)到約12.04 kPa；當(dāng)固結(jié)壓力為30 kPa時，試樣抗剪強度最大能達(dá)到約18.7 kPa；當(dāng)固結(jié)壓力為40 kPa時，試樣抗剪強度最大能達(dá)到約24.30 kPa。微型十字板強度增量與固結(jié)壓力增量的比值隨固結(jié)度的變化規(guī)律如圖4所示，圖中各級固結(jié)壓力下微型十字板強度增量與固結(jié)壓力增量的比值隨固結(jié)度的增長基本是呈非線性增長。初始增長速率較快，然后逐漸減慢，整體在0 ～ 0.6左右變化。各級壓力下的壓力歸一化強度聚集在同一條曲線上，整體上各級固結(jié)壓力下的變化曲線具有較高一致性。

圖4 十字板強度增量與固結(jié)壓力增量的比值隨固結(jié)度變化Fig.4 Relationship between ratio of the increment of vane strength to the increment of consolidation pressure and the consolidation degree

4 直剪強度與微型十字板剪切強度的對比

將微型十字板剪切試驗結(jié)果與直剪試驗結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖5所示。從圖5(a)、(b)可知，在各級固結(jié)壓力作用下微型十字板剪切強度及固結(jié)壓力的歸一化比值整體都大于直剪強度，且在一定的固結(jié)壓力作用下呈現(xiàn)出一定的比例關(guān)系，隨著固結(jié)壓力的增大，微型十字板剪切強度與直剪強度之間的比例也呈現(xiàn)緩慢的上升趨勢，當(dāng)固結(jié)壓力為20 kPa時，微型十字板剪切強度約為直剪強度的1.3倍；當(dāng)固結(jié)壓力為30 kPa時，微型十字板剪切強度約為直剪強度的1.39倍；固結(jié)壓力為40 kPa時，微型十字板剪切強度約為直剪強度的1.41倍。整體上在1.27 ～ 1.47之間變化。在固結(jié)度為零的初始階段這種差異就已經(jīng)存在的原因與之前的10 kPa預(yù)壓過程有關(guān)，預(yù)壓結(jié)束時，這種由于試樣不同位置固結(jié)速率不同而產(chǎn)生的強度差異已經(jīng)存在了。

圖5 各級固結(jié)壓力下直剪試驗與微型十字板剪切試驗比較結(jié)果Fig.5 Comparison results of direct shear test and micro cross plate shear test at all levels of consolidation pressure

微型十字板剪切強度大于直剪強度的原因可能與試驗手段造成的系統(tǒng)誤差或與剪切面距離自由排水邊界的距離有關(guān)。直剪試驗中的試樣上下表面均自由排水，相對于試樣的中間位置，上下表面排水固結(jié)的速率要更快，強度增長自然也會更快，而進(jìn)行直剪試驗時，剪切面在試樣的中間位置，這里的強度增長速率相對是比較低的。而微型十字板剪切試驗中的試樣上表面為自由排水邊界，下表面則看成是完全不排水的，上表面排水固結(jié)的速率要更快，強度增長自然也會更快，進(jìn)行微型十字板剪切試驗時，由于剪切面在試樣的上表面，這里的強度增長速率相對是比較快的，因此微型十字板剪切儀的測試結(jié)果會在整體上都大于直剪試驗的測試結(jié)果。也就是說這種強度的整體差異，是由于試樣不同位置處的固結(jié)速率不同造成的，除了十字板剪切位置排水條件好造成的強度較高外，也可能與直剪試驗結(jié)果處理方法有關(guān)，有研究指出按照現(xiàn)行土工規(guī)范對直剪試驗的數(shù)據(jù)處理結(jié)果比實際值土的強度要小[21]，因此導(dǎo)致直剪強度低于微型十字板強度。文獻(xiàn)[15]中采用原狀土的十字板試驗結(jié)果和不同剪切方式下的直剪結(jié)果進(jìn)行比較，得出十字板強度介于快剪強度和固結(jié)快剪強度兩者之間，除去一些影響因素，本文重塑土的快剪強度和室內(nèi)十字板強度的比較結(jié)論與原狀土的試驗結(jié)論具有一致性。

5 結(jié)論

1)飽和高嶺土試樣在20、30、40 kPa固結(jié)壓力作用下的直剪強度及微型十字板剪切強度都隨固結(jié)度的增長而呈現(xiàn)明顯的線性增長的變化規(guī)律。

2) 室內(nèi)微型十字板強度整體稍大于直剪快剪強度，整體上在1.27 ～ 1.47倍之間變化。

3)將直剪強度增量隨固結(jié)壓力增量的變化規(guī)律與微型十字板強度增量隨固結(jié)壓力增量的變化規(guī)律進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)具有很好的一致性，從而驗證了用十字板剪切試驗來進(jìn)行軟黏土抗剪強度特性研究的合理性，對軟土而言，當(dāng)實際工期緊迫時可以考慮采用室內(nèi)十字板試驗結(jié)果修正后來代替直剪試驗強度。

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Experimental research of undrained strength with the increasing of consolidation degree

XU Ke1，2，GAO Xiang1，2，ZHENG Zeyu1，2
(1. Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering of the Ministry of Education，Hohai University，Jiang su Nanjing，210098，China；2. Jiangsu Research Center for Geotechnical Engineering Technology，Hohai University，jiangsu Nanjing，210098，China)

Degree of consolidation of soil has a great in fl uence on the strength of the soil. Direct shear apparatu with constant strain rate is applied to investigate direct shear strength change law with the increase of consolidation degree by saturated kaolin at all levels of consolidation pressure. Results show that direct shear strength increases linearly with the increase of degree of consolidation at all levels of consolidation pressure. Then，miniature vane shear apparatus is performed to study the micro vane strength changing rules. At the same time，considering the size effect，a small diameter consolidation apparatus cooperated with miniature vane shear apparatus is developed. Studies show that miniature vane shear strength grows linearly with the increase of consolidation degrees.Comparing the above two kinds of test results，it is found that they have good consistency. It con fi rms that miniature vane shear apparatus studying the shear strength change law of saturated soft clay is feasible.

direct shear test；micro vane test；degree of consolidation；soil strength.

TU411.7

A

1673-9469（2017）04-0019-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.04.005

2017-07-06

國家自然科學(xué)基金資助項目（51578213）

徐可(1992-)，男，安徽濉溪人，碩士研究生，主要從事地基處理研究。