王小衛(wèi)

(江蘇省建苑巖土工程勘測有限公司，江蘇南京210019)

1 概述

規(guī)范［1-4］在進行三軸固結不排水剪(cu)試驗時對土試樣是否進行預固結未做明確規(guī)定，巖土工程師們在試驗時普遍進行有效自重壓力下等壓預固結，這顯然與土試樣原位應力狀態(tài)不符。不同的預固結壓力條件可以得出不同的不排水剪強度指標(c、φ)，所以試驗時，應該依據土試樣原位應力狀態(tài)選擇預固結壓力尤為重要。

取土是一個卸荷、膨脹的力學過程，卸荷、膨脹改變了土的物理力學狀態(tài)，孔隙比增大，強度降低［5］。天然土層通常是在側向不變形的條件下固結形成的，即處于K0狀態(tài)［6］，可見在三軸試驗時，使土樣在K0條件下預固結，能消除取土過程中的卸荷、膨脹影響，較真實模擬土體的原位應力狀態(tài)，較準確反映土體的天然強度，而采用有效自重壓力下等壓預固結有些欠妥，尤其對飽和軟土。

基于此，本文從土體的原位應力狀態(tài)出發(fā)分析了有效自重壓力等壓預固結和K0固結的不同，結合具體試樣試驗數據，分析了2種不同預固結狀態(tài)下的固結不排水剪強度指標，并結合十字板原位測試計算固結不排水剪強度，進一步驗證了K0固結下的不排水剪強度的合理性。工程實際中，進行K0固結下的不排水剪更能反映土體實際側限應力狀態(tài)。

2 土體應力狀態(tài)分析

2.1 土體原位應力狀態(tài)分析

地基土體原位應力狀態(tài)是一種典型的側限應力狀態(tài)，即在自重的應力作用下土體不發(fā)生側向變形，只發(fā)生豎向變形。豎直面和水平面都不會有剪應力存在，如圖1所示。能直接反映原位應力狀態(tài)特征的參數是靜止側壓力系數K0，所以原位應力狀態(tài)常被稱為K0狀態(tài)［7］。

圖1 土體側限應力狀態(tài)

2.2 三軸固結不排水剪試驗應力狀態(tài)分析

取土卸荷使原位土體的應力條件發(fā)生變化。土樣埋藏愈深，卸荷、膨脹的作用愈明顯，對強度影響也愈大［5］。不排水剪時采用預固結的方法來消除取土卸荷的影響。等壓固結和K0固結采用的是不同應力條件下的固結，如圖2所示。在q-p應力平面內，有效自重壓力下預固結是先從應力零點，沿p軸固結到a點穩(wěn)定后，再沿剪切路徑ac經過b點到c點破壞。K0固結沿應力零點o到b點固結穩(wěn)定后沿bc到點破壞。K0固結應力狀態(tài)反映了土體原位應力狀態(tài)，所得不排水剪強度能真實反映土體的自然強度。

圖2 K0固結與等壓固結應力示意圖

3 固結不排水剪試驗分析

3.1 試驗概況

試驗樣本取之南京長江沉積漫灘相軟土，該層軟土厚度普遍在15m左右，試樣深度8.5m，靈敏度St在6左右，正常固結土。通過室內試驗統(tǒng)計，表1為試驗土樣基本物理力學性質指標。

試驗采用應力—應變式三軸儀進行K0固結三軸不排水剪試驗，K0固結靜止側壓力系數根據室內試驗結果取0.60。依據p=(σ1+σ2+σ3)，試樣深度8.5m，計算有效自重壓力等壓預固結壓力為47.4kPa。試驗圍壓均采用50、100、200、300kPa。固結和剪切應變速率都按每分鐘0.02%進行，取εa=15%時的應力作為破壞應力。

表1 試驗土樣基本物理力學性質指標

3.2 試驗結果分析

根據試驗結果繪制主應力差(σ1-σ3)和軸向應變(εa)曲線，圖3表明，正常固結飽和軟土K0固結cu試驗應力—應變關系沒有峰值出現(xiàn)；主應力差(σ1-σ3)隨著側向固結應力(σc)的增加而緩慢增加；在σc較小時，對K0固結的土樣應力狀態(tài)影響較小，當在σc增加到足夠大時，對土樣的破壞起到明顯的作用，才使土樣發(fā)生剪切破壞，分析原因，土樣在K0固結狀態(tài)下的軸向壓應力使土樣固結得更加密實，在剪切過程中當σc大于K0固結時的軸向壓應力時才能改變土樣的應力狀態(tài)。

圖3 三軸試驗應力應變關系曲線

圖4 三軸試驗強度包絡線

根據試驗結果繪制破壞時的強度包絡線(圖4)，依據摩爾圓計算土體的不排水抗剪總應力強度指標(c、φ)(表2)；可見與有效自重壓力等壓預固結不排水總應力強度指標相比，K0固結下粘聚力c值小而內摩擦角φ值大；2種不同固結下有效應力強度指標基本相同，這點在文獻［8］中已經證實，這里不再比較分析。

表2 三軸固結不排水剪強度指標

3.3 原位十字板試驗驗證

現(xiàn)場土體原位應力狀態(tài)下確定土的不排水強度的試驗可靠性高的主要為十字板試驗。本次十字板試驗板高H=100mm，板 厚D=50mm，板 頭 常 數K=6/(7πD3)=0.00218cm-2；表3各深度試驗深度十字板試驗結果統(tǒng)計。

文獻［9］給出了十字板確定土的總體抗剪強度τf計算公式：

表3 各深度十字板試驗結果統(tǒng)計

式中：Mmax——外加于十字板剪切儀上的最大扭力矩。

學者趙佩勝等［10］在庫倫強度公式的基礎上依據土的總體抗剪強度τf，利用最小二乘法原理推導出抗剪強度指標(c、φ)計算公式：

式中：ξ——與板高、板厚、靜止側壓力系數及土的重度相關的系數。

ξ計算公式：

將表 3 數據代入公式(2)、(3)、(4)計算得：系數ξ=11.57kN/m3，內摩擦角φ=22.1°，粘聚力c=10.4kPa；K0固結下三軸不排水剪強度和十字板試驗結果及推算不排水剪強度指標比較接近，進一步說明K0固結更符合土體原位應力狀態(tài)。

4 結論

本文進行了飽和軟土K0固結下三軸不排水剪試驗分析，并與有效自重壓力等壓預固結下三軸不排水剪進行了對比分析，通過現(xiàn)場十字板原位測試對K0固結下三軸不排水剪試驗指標進行驗證，得到如下結論：

(1)正常固結飽和軟土K0固結三軸不排水剪試驗應力—應變曲線沒有峰值出現(xiàn)；主應力差隨著側向固結應力的增加而緩慢增加。

(2)飽和軟土K0固結與等壓固結下不排水總應力強度指標相比，K0固結下粘聚力c值小而內摩擦角φ值大。

(3)K0固結三軸不排水剪強度和十字板試驗結果計算強度指標比較接近。