長(zhǎng)江口飽和軟黏土多靜力因子耦合響應(yīng)規(guī)律

周念清， 李丹， 尹家春， 唐益群

(1.同濟(jì)大學(xué) 水利工程系，上海 200092； 2.上海交通建設(shè)總承包有限公司，上海 200136； 3.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092)

沿海地區(qū)軟黏土廣泛分布，在進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，需要對(duì)其工程力學(xué)特性進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，采用室內(nèi)三軸試驗(yàn)是最常用的手段之一。土體的應(yīng)力、應(yīng)變和強(qiáng)度與預(yù)壓靜荷載、加荷速率、排水條件等試驗(yàn)因素相關(guān)。在動(dòng)荷載的擬靜力分析中，經(jīng)常會(huì)涉及到初始剪應(yīng)力對(duì)循環(huán)動(dòng)力特性的影響。LEFEBVRE G等[1]、PILLAI R J等[2]和HOSSEINI S M R等[3]都通過(guò)軟黏土循環(huán)三軸試驗(yàn)，得到了隨著初始剪應(yīng)力的增大，其不排水循環(huán)軟黏土總強(qiáng)度及剪切模量也會(huì)增大的結(jié)論。WANG J等[4]進(jìn)行軟黏土循環(huán)三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)預(yù)固結(jié)壓力小于循環(huán)荷載時(shí)，會(huì)出現(xiàn)高速率剛度衰減和應(yīng)變軟化現(xiàn)象。黃茂松等[5]、王元戰(zhàn)等[6]通過(guò)大量試驗(yàn)，研究了動(dòng)循環(huán)作用下初始靜應(yīng)力對(duì)動(dòng)強(qiáng)度與累積應(yīng)變的影響。

加載速率對(duì)飽和軟黏土不排水靜力特性也具有重要影響。SHEAHAN T C等[7]基于軟黏土不排水蠕變?cè)囼?yàn)進(jìn)行了速率效應(yīng)的研究。DINESH R K等[8]建立了不同超固結(jié)比情況下，與速率相關(guān)的土體抗剪強(qiáng)度及峰值孔隙水壓力表達(dá)式。YIN Z Y等[9]探究了加載速率影響下長(zhǎng)期屈服應(yīng)力及強(qiáng)度的變化規(guī)律，并對(duì)黏彈性模型進(jìn)行了修正。GRAHAM J等[10]研究了不同加載速率原狀軟黏土不排水的強(qiáng)度，得到了通過(guò)緩慢加載可提高剛度，產(chǎn)生擬預(yù)壓應(yīng)力的結(jié)論。ZHANG D M等[11]通過(guò)對(duì)有機(jī)軟黏土的三軸試驗(yàn)，得到應(yīng)變速率增加10倍時(shí)，不排水抗壓強(qiáng)度增加9.7%、抗拉強(qiáng)度增加7.2%的結(jié)論。KARIM M R等[12]對(duì)加載速率影響下黏彈性模型不同本構(gòu)形式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了探討。LI J等[13]基于超應(yīng)力理論和修正劍橋模型建立了蠕變效應(yīng)的三維應(yīng)力狀態(tài)的太沙基模型。對(duì)其他影響抗剪強(qiáng)度因素的研究，如主應(yīng)力對(duì)超固結(jié)土強(qiáng)度的影響(PRASHANT A等[14]，李國(guó)維等[15])，干濕循環(huán)作用(楊和平等[16])及溫度(謝云等[17])對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響，不同含水率對(duì)高低液塑限紅黏土強(qiáng)度的影響(董金玉等[18])等也取得了較多成果。

在海相軟黏土上建造大型堤壩，施工期間不同施工要素對(duì)軟黏土地基不排水靜力特性存在一定影響。為研究預(yù)壓堆載、施工速率、豎向排水板等對(duì)海相飽和軟黏土的作用模式，本文以長(zhǎng)興島潛堤后方灘涂圈圍工程為背景，進(jìn)行了大量靜三軸試驗(yàn)，探討在多靜力因子耦合狀態(tài)下軟黏土強(qiáng)度及孔隙水壓力的響應(yīng)規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣取自長(zhǎng)興島潛堤后方灘涂圈圍工程下方地基13.5～15.0 m處的原狀海相軟黏土，通過(guò)試驗(yàn)得到土樣的基本物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。為保證土樣性質(zhì)的一致性，不同鉆孔土樣均取自同一土層。

表1 軟黏土基本物理力學(xué)參數(shù)表

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用英國(guó)GDS公司生產(chǎn)的高精度靜三軸儀，由壓力室、靜力控制及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，可以進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變、孔隙水壓力監(jiān)測(cè)。其技術(shù)參數(shù)為：圍壓0.0～1.2 MPa,壓力量測(cè)控制精度1 kPa，體積量測(cè)控制精度1 mm3。

1.3 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)內(nèi)容

將薄壁取土器內(nèi)土樣制作成高80 mm,直徑為39.1 mm的圓柱體試樣進(jìn)行三軸試驗(yàn)。首先，在三軸壓力室內(nèi)進(jìn)行反壓飽和,使飽和度大于0.97。然后，在排水條件下進(jìn)行等向固結(jié)，固結(jié)時(shí)間大于24 h，應(yīng)變變化率小于0.1%，則固結(jié)完成。隨后以1 kPa/min的速率對(duì)試樣施加軸向靜偏荷載，進(jìn)行不等向固結(jié)，然后進(jìn)行三軸不排水壓縮試驗(yàn)。

考慮靜偏應(yīng)力影響的試驗(yàn)有兩種方式：一是在完全排水條件下施加靜偏應(yīng)力，在不排水剪切前靜偏應(yīng)力完全轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力，相當(dāng)于軟黏土在靜偏應(yīng)力作用下完全固結(jié)；二是在完全不排水條件下施加靜偏應(yīng)力，進(jìn)行不排水剪切試驗(yàn)。在實(shí)際工程中，雖然進(jìn)行堆載預(yù)壓加豎向排水板進(jìn)行地基處理，但實(shí)際情況仍介于兩種排水條件之間。為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，按照完全排水的試驗(yàn)條件進(jìn)行不等向固結(jié)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 預(yù)壓靜荷載下軟黏土不排水剪切響應(yīng)規(guī)律

采用堆載預(yù)壓配合豎向排水通道的方法對(duì)地基土進(jìn)行處理，以提高軟土地基的承載能力，堆載預(yù)壓作用可量化三軸試驗(yàn)中靜偏應(yīng)力的施加。

圖時(shí)不排水壓縮試驗(yàn)關(guān)系曲線

由圖1還可以看出：當(dāng)不施加預(yù)壓靜荷載時(shí)，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)硬化趨勢(shì)；而施加預(yù)壓靜荷載后，曲線逐漸趨向軟化，且隨著靜荷載值的增大，曲線軟化程度越大，同時(shí)曲線出現(xiàn)峰值點(diǎn)的時(shí)刻會(huì)延遲。圖1(c)顯示：隨著預(yù)壓靜偏應(yīng)力的增大，軟黏土孔壓值降低；沒(méi)有預(yù)壓時(shí)，孔壓峰值為65.06 kPa，當(dāng)預(yù)壓荷載為80 kPa時(shí)，孔壓峰值降低為28.40 kPa，為沒(méi)有預(yù)壓時(shí)的43.65%。這是因?yàn)榇嬖陬A(yù)壓靜荷載時(shí)，孔隙水在固結(jié)階段排出一部分，因此孔隙水壓力會(huì)降低。圖1(d)顯示：預(yù)壓靜荷載越大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始剪切模量越??；隨著應(yīng)變?cè)龃螅羟心Ａ繙p小并趨于穩(wěn)定值。

由圖2可知：不施加預(yù)壓靜荷載的情況下，軟黏土抗剪強(qiáng)度為111.5 kPa；當(dāng)預(yù)壓靜荷載為80 kPa時(shí)，土體抗剪強(qiáng)度降低為72.8 kPa,抗剪強(qiáng)度損失34.6%,但總強(qiáng)度提高37%；提高剪切速率后，軟土的靜強(qiáng)度及孔壓有相似規(guī)律。

圖時(shí)不排水壓縮試驗(yàn)關(guān)系曲線

由此表明，在施工前進(jìn)行預(yù)壓堆載地基處理，可加快地基固結(jié)速度，同時(shí)受到初始靜荷載作用，軟黏土抗剪強(qiáng)度有所降低；但由于預(yù)壓荷載是施工豎向荷載的一部分，所以預(yù)壓堆載作用可以提高土體總強(qiáng)度，使得在地基處理后土體安全穩(wěn)定性有所提高。當(dāng)存在預(yù)壓靜荷載時(shí)，土體孔隙水排水更多，因此土體更加密實(shí)，致使總強(qiáng)度增大。

2.2 不同加荷速率軟黏土不排水剪切響應(yīng)規(guī)律

為研究加荷速率對(duì)地基軟土靜力特性的影響，

由圖4可知：無(wú)論是各向同性還是各向異性的固結(jié)土體，隨著加荷速率的增大，土樣孔壓明顯降低。主要是因?yàn)檩^高加荷速率下孔隙水壓力來(lái)不及上升，且加荷速率越高，孔隙水壓力測(cè)量滯后性越明顯。

圖3 不同剪切速率下軟黏土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 不同剪切速率下軟黏土超孔壓-應(yīng)變關(guān)系曲線

2.3 不同排水條件下軟黏土強(qiáng)度的響應(yīng)規(guī)律

施工時(shí)，采用塑料排水板配合分級(jí)加載固結(jié)的方法，可加快堤基土排水速率，延長(zhǎng)固結(jié)時(shí)間，提高施工期堤基軟黏土的土力學(xué)指標(biāo)。通過(guò)靜三軸試驗(yàn)改變排水條件，研究地基處理后軟黏土強(qiáng)度指標(biāo)的變化。

在圍壓分別為50、100、150 kPa的情況下，固結(jié)度均保證在95%以上，固結(jié)不排水情況下，剪切速率為0.08%/min；固結(jié)排水情況下，剪切速率為0.0125%/min。當(dāng)圍壓為100 kPa時(shí)，固結(jié)不排水與固結(jié)排水試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，圖6給出了不同圍壓情況下固結(jié)不排水與固結(jié)排水的剪切強(qiáng)度的峰值比較圖。

由圖5可知，排水剪切強(qiáng)度明顯高于不排水剪切峰值強(qiáng)度，但是峰值點(diǎn)出現(xiàn)較慢。 由圖6可知，在圍壓為50 kPa時(shí)，剪切強(qiáng)度峰值提高了43.8%；圍壓為100 kPa時(shí)，剪切強(qiáng)度峰值提高了47.8%；圍壓為150 kPa時(shí)，剪切強(qiáng)度峰值提高了59.3%；隨著圍壓的增大，剪切強(qiáng)度峰值提高程度降低。

圖5 排水剪切與不排水剪切條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比

圖6 排水剪切與不排水剪切條件下剪切強(qiáng)度的峰值對(duì)比

為模擬豎向排水板的作用，在不破壞土樣結(jié)構(gòu)的前提下，在土樣中心(距離底部1/3高度處)挖一個(gè)小孔，在小孔內(nèi)穿插一根可以模擬豎向排水板作用的毛線，完成三軸試樣的制作。排水量時(shí)程圖如圖7所示。由圖7可看出，由于放置豎向排水板，使土樣排水速率增大，排水總量改變不大，但強(qiáng)度值明顯提高。

圖7 豎向排水板對(duì)固結(jié)的影響

3 多靜力因子耦合下不排水強(qiáng)度擬合關(guān)系式

3.1 峰值強(qiáng)度擬合關(guān)系式

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可知預(yù)壓靜荷載、剪切速率以及排水條件對(duì)三軸壓縮抗剪強(qiáng)度有明顯影響。建立可反映預(yù)壓靜荷載、剪切速率兩者耦合作用的土樣破壞準(zhǔn)則具有重要意義。

s=(σ1-σ3)/σ3。

(1)

三軸試驗(yàn)中，σ2=σ3。

s1=qs/σ3。

(2)

圖8 s與的關(guān)系曲線

(3)

式中：a1為量綱1的峰值偏應(yīng)力隨應(yīng)變率的變化系數(shù)；a2為量綱1的峰值偏應(yīng)力隨量綱1的靜偏應(yīng)力比的變化系數(shù)；a3為當(dāng)應(yīng)變率為參考應(yīng)變率時(shí)、預(yù)壓靜荷載為0 kPa時(shí)土體的峰值偏應(yīng)力。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖9所示，可得:a1=0.001 8，a2=0.521 4，a3=1.030 6。

圖9 (s-a2s1)與的關(guān)系曲線

3.2 多靜力因子作用下孔壓峰值擬合關(guān)系式

三軸剪切條件下，對(duì)峰值孔隙水壓力進(jìn)行如下無(wú)量綱化處理：

U=u/σ3,

(4)

式中：U表示量綱為1的峰值孔隙水壓力；u=up-uc，up為峰值孔隙水壓力，uc為固結(jié)完成時(shí)孔隙水壓力。

(5)

式中：b1為量綱1的峰值孔壓隨應(yīng)變率的變化系數(shù)；b2為量綱1的峰值孔壓隨量綱1的靜偏應(yīng)力比的變化系數(shù)；b3為當(dāng)應(yīng)變率為參考應(yīng)變率時(shí)、預(yù)壓靜荷載為0 kPa時(shí)土體的量綱1的峰值孔壓。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖10所示，可得：b1=-0.001 7,b2=-0.443 0,b3=0.610 9。

圖10 (U-b2s1)與的關(guān)系曲線

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江口海積軟黏土進(jìn)行靜三軸試驗(yàn)，探究預(yù)壓靜荷載、加荷速率、排水條件多靜力因子作用下軟黏土的強(qiáng)度特性及孔壓特性的耦合響應(yīng)規(guī)律，得到以下主要結(jié)論：

1)隨著預(yù)壓荷載的增加，即靜偏應(yīng)力比在0.0～0.8的范圍內(nèi)增高，土樣的總強(qiáng)度增加，抗剪強(qiáng)度減少，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線向應(yīng)變軟化型曲線發(fā)展，超孔壓增量表現(xiàn)為降低的趨勢(shì)。

2)加荷速率在0.08%/min～5%/min的范圍內(nèi)升高時(shí)，土樣的峰值強(qiáng)度提高,應(yīng)力-應(yīng)變曲線向應(yīng)變硬化型曲線發(fā)展，超孔壓隨之降低?？芍雍伤俾试娇?，土體的抗剪強(qiáng)度越高，土體承載能力越強(qiáng)。

3)通過(guò)改進(jìn)試驗(yàn)土樣的設(shè)計(jì)，模擬了豎向排水板對(duì)土體的排水條件改變的作用，可知豎向排水板可以增加土樣固結(jié)階段的排水量，加速固結(jié)，提高軟黏土的抗剪強(qiáng)度。