圍壓和滲透壓對(duì)花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度影響的三軸試驗(yàn)研究

胡 華,吳 軒

(1.廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，福建 廈門 361005;2.廈門大學(xué)深圳研究院，廣東 深圳 518057 )

我國(guó)花崗巖分布廣泛，且集中分布于福建、廣東、桂東南、湘南和贛南等地，其中以燕山期花崗巖出露最多.在閩、粵兩省花崗巖出露面積占總面積的30%～40%.我國(guó)東南沿海經(jīng)濟(jì)開放區(qū)主要分布在花崗巖風(fēng)化殼上，該區(qū)域殘積土厚度較大.花崗巖風(fēng)化程度因氣候環(huán)境條件不同差異很大，溫度和降水量越高，風(fēng)化程度越強(qiáng)[1-4].我國(guó)東南部氣溫高，降雨量充沛，濕度大，風(fēng)化剝蝕作用強(qiáng)烈，山地、丘陵和剝蝕準(zhǔn)平原上都廣泛分布著殘積土，是大部分工程建設(shè)的地基基礎(chǔ)和地質(zhì)環(huán)境重要介質(zhì)[5-9]，成為發(fā)生巖土地質(zhì)災(zāi)害的主體.因此研究滲流條件下花崗巖殘積抗剪強(qiáng)變化規(guī)律具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義.

林鴻州等[10]通過(guò)直剪試驗(yàn)研究了飽和度與抗剪強(qiáng)度參數(shù)間的關(guān)系，結(jié)果表明飽和度越高內(nèi)摩擦角越小，而黏聚力隨著飽和度的增加先增加后減小.呂海波等[11]通過(guò)對(duì)不同含水率和不同干濕循環(huán)次數(shù)的土做直剪試驗(yàn)，探究了兩個(gè)變量與抗剪強(qiáng)度參數(shù)間的關(guān)系，結(jié)果表明干濕循環(huán)次數(shù)越多抗剪強(qiáng)度越低，而土的含水率則影響抗剪強(qiáng)度最終的穩(wěn)定值.黃琨等[12]通過(guò)對(duì)不同含水率的土做直剪試驗(yàn)，探究了含水率與抗剪強(qiáng)度參數(shù)間的關(guān)系，結(jié)果表明含水率越高黏聚力越小，而內(nèi)摩擦角幾乎不受含水率的影響.李靜榮等[13]通過(guò)控制土樣采取方法、采樣器規(guī)格和試驗(yàn)加載級(jí)數(shù)等條件，開展了花崗巖殘積土直剪試驗(yàn)和原位直剪試驗(yàn)，同時(shí)還通過(guò)不同加載級(jí)數(shù)，研究了花崗巖殘積土原位直剪試驗(yàn)以及室內(nèi)直剪試驗(yàn)中抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取值的影響.方寧等[14]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，對(duì)比浸水前后的地基承載力，分析含水率對(duì)地基承載力的影響機(jī)制.祝方才等[15]采用美國(guó)GCTS公司的USTX-2000非飽和土/飽和土動(dòng)靜三軸試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了非飽和動(dòng)三軸試驗(yàn)，分析了吸力、凈圍壓等對(duì)非飽和花崗巖殘積土的變形特性的影響.胡屏等[16]利用大型直剪儀，對(duì)福州地區(qū)花崗巖殘積土進(jìn)行不同粗顆粒含量下的大型直剪試驗(yàn)，并且在每次試驗(yàn)前后進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，研究剪切過(guò)程顆粒破碎的影響.本課題組也對(duì)殘積土的多種性質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究[17-21].本文主要研究滲流對(duì)花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度衰減的影響規(guī)律，使用SLB型號(hào)三軸剪切滲透試驗(yàn)儀，分別進(jìn)行K0固結(jié)排水剪切試驗(yàn)、恒水頭滲流剪切試驗(yàn)和恒流量滲流剪切試驗(yàn)，研究了3種試驗(yàn)方案下圍壓和滲透壓對(duì)試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、峰值強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)樣品采用廈門地區(qū)花崗巖殘積土重塑試樣，試樣尺寸規(guī)格為? 39.1 mm×80 mm，孔隙比為1.0.使用SLB型號(hào)三軸剪切滲透試驗(yàn)儀進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，剪切速率為0.05 mm/min，剪切方式為固結(jié)排水剪切試驗(yàn)(consolidated-drained sheartest,CD)，待試樣豎向應(yīng)變量達(dá)到12%以上停止試驗(yàn).

1)K0固結(jié)排水剪切試驗(yàn).共制作4組孔隙比均為1.0的花崗巖殘積土重塑試樣，圍壓分別為35，70，140和210 kPa，分別進(jìn)行不同圍壓下K0固結(jié)，固結(jié)完成后直接進(jìn)行排水剪切試驗(yàn).

2) 恒水頭滲流剪切試驗(yàn).共制作4組16個(gè)花崗巖殘積土重塑試樣，4組試樣的滲透壓分別為30，50，70和90 kPa，每組4個(gè)試樣的圍壓分別為35，70，140和210 kPa，試樣先進(jìn)行K0固結(jié)，隨后進(jìn)行恒水頭滲流作用下的排水剪切試驗(yàn)測(cè)試.

3) 恒流量滲流剪切試驗(yàn).共制作4組花崗巖殘積土重塑試樣，試驗(yàn)中流量為0.02 mL/min，圍壓分別為35，70，140和210 kPa，試樣先進(jìn)行K0固結(jié)，之后進(jìn)行恒流量滲流作用，最后排水剪切.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 K0固結(jié)排水剪切試驗(yàn)中圍壓對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

圖1為不同圍壓條件下K0固結(jié)排水剪切試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.可以發(fā)現(xiàn)：所有的破壞均為應(yīng)變硬化破壞，沒(méi)有應(yīng)變軟化現(xiàn)象，也沒(méi)有剪脹現(xiàn)象發(fā)生；隨著軸向應(yīng)變的增加直至破壞，主應(yīng)力差隨之增加，但增加的趨勢(shì)減緩，這是典型的硬化破壞；且軸向應(yīng)變小于2%時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變幾乎是線性關(guān)系，可以認(rèn)為此階段是彈性應(yīng)變；而軸向應(yīng)變大于2%時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變是非線性的，此時(shí)為彈塑性應(yīng)變；在相同的軸向應(yīng)變下，隨著圍壓增加，主應(yīng)力差增大,表明抗剪強(qiáng)度在逐步增大.

圖1 不同圍壓條件下K0固結(jié)剪切試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves of K0 consolidation shear test under different confining pressures

峰值強(qiáng)度就是試樣破壞情況下的主應(yīng)力差，本試驗(yàn)中將軸向應(yīng)變達(dá)到12%作為破壞標(biāo)準(zhǔn)，在K0固結(jié)剪切試驗(yàn)中，圍壓為35，70，140和210 kPa時(shí)，峰值強(qiáng)度分別為122.9，173.4，225.0和327.8 kPa.可以看出峰值強(qiáng)度隨著圍壓的增加而增大.

土體的剪切變形是由土中大小顆粒相互作用移動(dòng)引起的，隨著豎向應(yīng)力的增加，顆粒間相互擠壓凝聚，排除顆粒間細(xì)小的孔隙，土的顆粒骨架結(jié)構(gòu)重新排列變得更加密實(shí).圍壓在剪切過(guò)程中起著重要的作用，試樣的變形是豎向的高度在降低，以其為應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)，但是橫向同樣產(chǎn)生了一定的變形，顆粒受到豎向應(yīng)力被集中擠壓到周邊的橫向區(qū)域中，而圍壓限制了土體的橫向變形且對(duì)顆粒的橫向移動(dòng)提供了約束.因此試樣的主應(yīng)力差隨著軸向應(yīng)變的增加而增加，且增加的趨勢(shì)隨之減緩.

2.2 恒水頭滲流條件下圍壓和滲透壓對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

在恒水頭滲流剪切試驗(yàn)中，圍壓對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響與K0固結(jié)排水剪切試驗(yàn)一致，其峰值強(qiáng)度如表1所示.4種滲透壓條件下恒水頭滲流剪切的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖2所示.

表1 恒水頭滲流剪切試驗(yàn)峰值強(qiáng)度表Tab.1 Peak strength of constant head seepage shear test

圖2 4種圍壓下恒水頭滲流剪切試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of constant head seepage shear test under 4 kinds confining pressure

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，在同等圍壓條件下，隨著滲透壓的增加，主應(yīng)力差逐步減小，峰值強(qiáng)度逐步降低.軸向應(yīng)變較小時(shí)不同滲透壓條件下的主應(yīng)力差十分接近，隨著軸向應(yīng)變的增大，主應(yīng)力差在數(shù)值上拉開一定差距.在各個(gè)圍壓條件下，滲透壓從30 kPa到90 kPa，滲流是在固結(jié)后、剪切前進(jìn)行的，因此滲流改變的是土體內(nèi)部顆粒骨架結(jié)構(gòu)，促進(jìn)內(nèi)部大小顆粒黏聚并有序排列，提高了孔隙通道間的連通性，土體的滲透性能增加了，這也就意味著土體的結(jié)構(gòu)性發(fā)生了變化，對(duì)土的力學(xué)特性產(chǎn)生一定的影響.

總的來(lái)說(shuō)，在相同的滲透壓條件下，隨著圍壓的增加，峰值強(qiáng)度在增加，增加的幅度較大；而在相同的圍壓條件下，隨著滲透壓的增加，峰值強(qiáng)度在減小，且減小的趨勢(shì)在變緩，峰值強(qiáng)度的減幅較小.

2.3 恒流量滲流條件下圍壓對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

恒流量(0.02 mL/min)滲流剪切試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示.可以看出，恒流量滲流剪切破壞為應(yīng)變硬化破壞，隨著軸向應(yīng)變的增加，主應(yīng)力差隨之增大，增加趨勢(shì)在減小.在相同的滲透壓條件下，隨著圍壓增加，主應(yīng)力差和峰值強(qiáng)度均增大，土的抗剪強(qiáng)度增大.當(dāng)圍壓為35，70，140和210 kPa時(shí)，恒流量滲流剪切試驗(yàn)的峰值強(qiáng)度分別為79.2，117.9，174.7和252.6 kPa.

圖3 流量為0.02 mL/min時(shí)恒流量滲流剪切試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of constant flow seepage shear test at flow rate of 0.02 mL/min

與恒水頭滲流剪切試驗(yàn)相比，其峰值強(qiáng)度較小，說(shuō)明恒流量滲流過(guò)程對(duì)土體內(nèi)部顆粒骨架結(jié)構(gòu)的影響更大，對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度特性影響更大.

2.4 滲流對(duì)土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響特性分析

抗剪強(qiáng)度參數(shù)包括黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ.經(jīng)過(guò)滲流作用會(huì)改變土體內(nèi)部顆粒骨架結(jié)構(gòu)，促進(jìn)顆粒重新排列，在一定程度上影響了土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c和φ，進(jìn)而影響土的抗剪強(qiáng)度τf.在一定應(yīng)力范圍內(nèi)，由莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論(Mohr-Coulomb strength theory,MC)可知：

τf=c+σtanφ,

(1)

其中：c為土的黏聚力；σ為土單元的主應(yīng)力；φ為土的內(nèi)摩擦角.

從式(1)可見土的強(qiáng)度由兩部分構(gòu)成，即黏聚強(qiáng)度c和摩擦強(qiáng)度σtanφ，實(shí)際上土的強(qiáng)度機(jī)理和影響因素十分復(fù)雜，其表現(xiàn)特征和實(shí)際機(jī)理常常具有不一致性，故而在研究土體物理力學(xué)性能時(shí)不能將黏聚強(qiáng)度和摩擦強(qiáng)度截然分開.MC理論闡明了材料的抗剪強(qiáng)度和作用于該平面的正應(yīng)力相關(guān)，導(dǎo)致材料破壞的不是最大剪應(yīng)力，而是在某個(gè)平面上τ-σ的最危險(xiǎn)組合.

根據(jù)K0固結(jié)排水剪切試驗(yàn)、恒水頭滲流剪切試驗(yàn)和恒流量滲流剪切試驗(yàn)所得的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和峰值強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，在相同條件下繪制不同圍壓情況下的莫爾應(yīng)力圓，利用三軸試驗(yàn)強(qiáng)度包絡(luò)線數(shù)學(xué)模型求得包絡(luò)線函數(shù)最優(yōu)解，確定抗剪強(qiáng)度參數(shù)數(shù)據(jù).因?yàn)楣探Y(jié)試樣是在排水下條件完成的，滲流完成后卸掉上下兩端的反壓力，又因剪切試驗(yàn)同樣是在排水狀態(tài)下完成的，故而可以認(rèn)為求得的黏聚力c即為有效黏聚力c′，內(nèi)摩擦角φ即為有效內(nèi)摩擦角φ′.3種剪切方式下所求得的抗剪強(qiáng)度參數(shù)如表2所示.

表2 不同剪切試驗(yàn)求得的抗剪強(qiáng)度參數(shù)Tab.2 Shear strength parameters obtainedby different shear test methods

從表2可知，有效內(nèi)摩擦角φ′幾乎不隨著剪切方式的變化而改變，在恒水頭滲流剪切試驗(yàn)中φ′隨著滲透壓的變化不明顯.有效黏聚力c′在不同剪切方式中各不相同，沒(méi)有滲流的試樣的有效黏聚力明顯比滲流的試樣大，而恒水頭滲流試驗(yàn)的有效黏聚力比恒流量滲流試驗(yàn)的大，這說(shuō)明恒流量滲流試驗(yàn)對(duì)土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響更大.在恒水頭滲流剪切試驗(yàn)中，隨著滲透壓增加，有效黏聚力逐漸下降.

3 結(jié) 論

1) 在K0固結(jié)排水剪切試驗(yàn)、恒水頭滲流剪切試驗(yàn)和恒流量滲流剪切試驗(yàn)中，圍壓對(duì)土體的應(yīng)力-應(yīng)變變化影響特性基本相同，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均為應(yīng)變硬化曲線；試樣的主應(yīng)力差隨著軸向應(yīng)變的增加而增加，且增加的趨勢(shì)隨之減?。辉嚇釉谙嗤膽?yīng)變下，土體試樣圍壓越大，主應(yīng)力差值越大.

2) 恒水頭滲流剪切試驗(yàn)中，軸向應(yīng)變?cè)酱?，滲透壓對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響越明顯，且主應(yīng)力差隨著滲透壓的增大而減小.

3) 在K0固結(jié)排水剪切試驗(yàn)、恒水頭滲流剪切試驗(yàn)和恒流量滲流剪切試驗(yàn)中，圍壓對(duì)土體的峰值強(qiáng)度影響規(guī)律基本相同：峰值強(qiáng)度隨著圍壓的增加而增大，隨著滲透壓的增加而減小.

4) 有效內(nèi)摩擦角既不隨剪切方式的變化而改變，也不隨著滲透壓的變化而改變；滲流剪切試樣的有效黏聚力小于直接剪切的有效黏聚力；隨著滲透壓增加，有效黏聚力逐漸下降.