吳瑞潛 張少龍 李少和 湯有志

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000;2.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000)

0 引言

土的抗剪強(qiáng)度變化會(huì)影響基坑和土坡的安全性，研究其抗剪強(qiáng)度特性受某些因素的變化規(guī)律是非常有必要的.現(xiàn)在，許多學(xué)者深入研究了剪切速率對(duì)土的抗剪強(qiáng)度的影響，獲得一些為工程設(shè)計(jì)提供借鑒的理論成果.楊小平等[1]開展了不同剪切速率對(duì)含水率不同黃土的固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著剪切速率的變大，抗剪強(qiáng)度和黏聚力是先增大后減小，內(nèi)摩擦角減小，剪切速率的影響程度在含水率低的時(shí)候非常明顯.史卜濤等[2]做了不同剪切速率對(duì)2種不同干密度重塑飽和黏土直剪試驗(yàn)，由結(jié)果可知，隨著剪切速率的變大，較小干密度的重塑飽和黏土抗剪強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角減小更加明顯.李威等[3]開展了重塑飽和黃土在不同剪切速率下的固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果可知，變小剪切速率讓抗剪強(qiáng)度、總的內(nèi)摩擦角以及有效內(nèi)摩擦角在相同條件下是先變小后變大的，總的黏聚力和有效黏聚力是先變大后變小的.謝輝輝等[4]進(jìn)行了千枚碎屑巖滑帶土環(huán)剪試驗(yàn)，由結(jié)果可知，增大剪切速率會(huì)使峰值強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角都變大，黏聚力變小，殘余強(qiáng)度基本不受影響，獲得峰值對(duì)應(yīng)的c、φ與剪切速率的對(duì)數(shù)表達(dá)式.楊智強(qiáng)等[5]開展了不同剪切速率對(duì)南陽(yáng)重塑膨脹土的三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)，得到黏聚力和抗剪強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的減小是變小的，內(nèi)摩擦角是變大的，影響程度在低圍壓下非常明顯.王永洪等[6]進(jìn)行了黏性土-混凝土界面在不同剪切速率下的直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨剪切速率增大，抗剪強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角均減小，黏聚力開始稍有增加，但整體是呈減小的趨勢(shì).柴維等[7]做了不同剪切速率對(duì)鈣質(zhì)砂抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，可得出隨剪切速率的增加，抗剪強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角是先減小后增大，低法向應(yīng)力下出現(xiàn)剪脹.洪勇等[8]對(duì)砂-黃土開展了環(huán)剪試驗(yàn)，得到剪切速率的變小使得其黏聚力和內(nèi)摩擦角在環(huán)剪儀上部排水情況下是變大的，剪切速率的變小使得黏聚力在不排水條件下變大，內(nèi)摩擦角是變小的.通過(guò)以上學(xué)者的研究結(jié)果可以看出，不同種類土的抗剪強(qiáng)度特性受到不同剪切速率影響發(fā)生改變.

粉土抗剪強(qiáng)度特性受剪切速率影響試驗(yàn)研究非常少，粉土的性質(zhì)和黏性土、砂土不同，其工程性質(zhì)較復(fù)雜[9-10].本文以浙江上虞地區(qū)基坑里重塑粉土為研究對(duì)象，在不同剪切速率下進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)，獲得其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)受不同剪切速率的影響規(guī)律，為工程設(shè)計(jì)提供借鑒.

1 試樣制備和試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)土樣制備

試驗(yàn)所用土樣來(lái)自浙江上虞的粉土，顏色是灰色，質(zhì)松軟，粉土的基本物理指標(biāo)和顆粒級(jí)配曲線分別如表1和圖1，從表1和圖1可知土樣塑性指數(shù)是6.2，大于0.075 mm，顆粒含量占全重10.9%且黏粒含量占7%，將土樣命名為砂質(zhì)粉土.根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-2019)[11]，將取來(lái)的土樣放入烘箱內(nèi)在105 ℃下烘8 h以上，取出烘干的土樣讓其冷卻，然后用榔頭捶碎過(guò)2 mm孔徑的篩子，配制土樣的含水率為23%，將配制好的土樣用密封袋裝好放入保濕缸里悶料24 h，用制樣器制作41個(gè)干密度是1.62 g/cm3環(huán)刀土樣，環(huán)刀的直徑是6.18 cm，高度是2 cm.將裝入環(huán)刀土樣的飽和器放入無(wú)水抽氣缸里抽氣1 h，然后放水靜置10 h以上達(dá)到飽和，取出1個(gè)土樣測(cè)出此時(shí)的含水率.

表1 粉土基本物理指標(biāo)

圖1 試樣顆粒級(jí)配曲線

1.2 試驗(yàn)方案

飽和后的重塑粉土樣分5組，每組8個(gè)，為了減少試驗(yàn)結(jié)果的誤差，平行固結(jié)快剪試驗(yàn)做2次，最終結(jié)果取2次試驗(yàn)結(jié)果的平均值.根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-2019)[11]，將每組4個(gè)土樣放入固結(jié)儀中分別施加50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa的垂直壓力，固結(jié)24 h后取出，然后將5組固結(jié)后的土樣放入全自動(dòng)直剪儀(圖2)并施加與固結(jié)相同的垂直壓力，設(shè)置的剪切速率分別是0.2 mm/min、0.4 mm/min、0.8 mm/min、1.6 mm/min和2.4 mm/min.其中，1.6 mm/min、2.4 mm/min的2種剪切速率均大于試驗(yàn)規(guī)程中采用的剪切速率0.8 mm/min，可視為高剪切速率，0.2 mm/min、0.4 mm/min的2種剪切速率均小于試驗(yàn)規(guī)程中采用的剪切速率0.8 mm/min，可視為低剪切速率.對(duì)于土壩工程來(lái)說(shuō)，若堆填施工速度快，土體被剪切的速率快，試驗(yàn)中設(shè)置的高剪切速率對(duì)應(yīng)此種工程狀態(tài)，若堆填施工速度慢，土體被剪切的速率慢，試驗(yàn)中設(shè)置的低剪切速率對(duì)應(yīng)這種工程狀態(tài). 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的剪切位移是0.6 cm，剪切完的土樣如圖3.剪切試驗(yàn)完成后，立馬取出土樣稱重，再將土樣放入烘箱內(nèi)烘干后稱重，計(jì)算出土樣剪切之后的含水率，土樣飽和以后的含水率為剪切之前的含水率.根據(jù)公式(1)得到土樣在不同垂直壓力和不同剪切速率下含水率減小的比例，為后面分析剪切速率對(duì)抗剪強(qiáng)度影響提供一定的理論依據(jù)[12].

含水率減小的比例=

(1)

圖2 全自動(dòng)直剪儀

圖3 剪切后的土樣

2 剪切速率對(duì)抗剪強(qiáng)度特性的影響

2.1 剪切位移-剪應(yīng)力關(guān)系曲線

5種剪切速率下剪切位移-剪應(yīng)力關(guān)系曲線如下圖4(a)～4(e)所示.

根據(jù)圖4可知， 減小豎向應(yīng)力能讓重塑粉土的峰值更加明顯， 垂直壓力分別是50 kPa、100 kPa，重塑飽和粉土剪切的峰值較明顯，峰值對(duì)應(yīng)的剪切位移分別為1 mm ～2 mm、 1.6 mm～2.5 mm，具有應(yīng)變軟化特征.在試驗(yàn)初始階段，剪應(yīng)力隨著剪切位移增加增長(zhǎng)速率較快.因?yàn)橹厮芊弁烈苑哿橹鳎尚纬梢苑哿橹鞯姆涓C結(jié)構(gòu)，土孔隙較大，抵抗變形能力較差[13].試驗(yàn)開始時(shí)變形很快，剪應(yīng)力就增加很快.隨著剪切時(shí)間增加，較大顆粒被壓碎后填充孔隙使孔隙變小，剪應(yīng)力增加緩慢.各剪切速率，增大豎向應(yīng)力使得最大剪應(yīng)力對(duì)應(yīng)的剪切位移變大.因?yàn)榭朔絹?lái)越大的剪應(yīng)力，剪切位移越大使得剪應(yīng)力發(fā)揮更充分，土樣抗剪強(qiáng)度達(dá)到極限值.

(a)剪切速率0.2 mm/min

2.2 不同剪切速率下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

根據(jù)公式(1)計(jì)算出土樣在剪切后含水率減小比例，將垂直壓力與不同剪切速率下含水率減小的比例關(guān)系用曲線圖繪出，如圖5所示.

圖5 不同剪切速率下垂直壓力與含水率減小比例的關(guān)系

按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]，若圖4曲線有明顯峰值，抗剪強(qiáng)度數(shù)值使用峰值；若沒(méi)有明顯峰值，則抗剪強(qiáng)度值取剪切位移4 mm對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力值.根據(jù)摩爾-庫(kù)侖公式，見公式(2)，縱坐標(biāo)是剪應(yīng)力，橫坐標(biāo)是垂直壓力，繪制出重塑粉土在不同剪切速率下垂直壓力和剪應(yīng)力的關(guān)系圖，見圖6.

圖6 不同剪切速率下抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系

(2)

式中c為黏聚力，σ為垂直壓力，φ為內(nèi)摩擦角，τf為抗剪強(qiáng)度.

由圖6可以知道，垂直壓力相同，變大剪切速率會(huì)讓重塑飽和粉土的抗剪強(qiáng)度變小.當(dāng)垂直壓力為50 kPa，剪切速率從0.2 mm/min依次增加到0.4 mm/min、0.8 mm/min、1.6 mm/min和2.4 mm/min，其抗剪強(qiáng)度依次減小了9.6 kPa、5.3 kPa、4.1 kPa、2.4 kPa.當(dāng)垂直壓力為300 kPa，其抗剪強(qiáng)度依次減小了21.8 kPa、14 kPa、9.7 kPa、5.7 kPa.可知，在較小垂直壓力作用下，增大剪切速率，重塑飽和粉土抗剪強(qiáng)度減小的幅度不大，當(dāng)垂直壓力增大時(shí)，增大剪切速率，其抗剪強(qiáng)度減小的幅度更明顯.相同垂直壓力下，當(dāng)剪切速率增大到不高于0.8 mm/min時(shí)，抗剪強(qiáng)度減小得更明顯.根據(jù)以上規(guī)律，當(dāng)重塑飽和粉土被用于土壩工程，若堆填施工速度快，土體受到的剪切速率快，采用《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-2019)[11]規(guī)定的剪切速率0.8 mm/min，獲得的抗剪強(qiáng)度偏大，引起工程安全隱患，從工程安全考慮，應(yīng)當(dāng)采用2.4 mm/min的剪切速率.可見，試驗(yàn)規(guī)程所規(guī)定的剪切速率不能滿足所有工程狀態(tài)，確定剪切速率值需要考慮工程狀態(tài).

砂質(zhì)粉土是以粉粒為主，黏粒含量極少，其力學(xué)性質(zhì)由粉粒起控制作用，結(jié)構(gòu)呈蜂窩結(jié)構(gòu)，孔隙較大，滲透性較大，極易失水.砂質(zhì)粉土顆粒間主要是物理連接，對(duì)含水率比較敏感，當(dāng)含水率稍有減小時(shí)，抗剪強(qiáng)度會(huì)增加很多.從圖5可知，重塑飽和粉土在全自動(dòng)直剪儀剪切中含水率會(huì)減小，孔隙水壓力減小，含水率減小的比例隨著剪切速率的減小而增加.因垂直壓力和剪切力作用出現(xiàn)失水固結(jié)，含水率減小得越多，固結(jié)更充分，抗剪強(qiáng)度越大，所以剪切速率0.2 mm/min對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度最大.當(dāng)垂直壓力為50 kPa，剪切速率從0.2 mm/min依次增加到0.4 mm/min、0.8 mm/min、1.6 mm/min和2.4 mm/min，其含水率減小比例依次減少了3.2%、2.2%、1.6%、0.9%.當(dāng)垂直壓力為300 kPa，其含水率減小比例依次減小了7.1%、5.4%、4.2%、3.3%.說(shuō)明剪切速率增大到不高于0.8 mm/min時(shí)，含水率變化率隨垂直壓力增加而增大的幅度更明顯，土樣產(chǎn)生固結(jié)程度更大，體現(xiàn)在重塑粉土抗剪強(qiáng)度在垂直壓力增大時(shí)隨剪切速率增加而減小的幅度更明顯.除此之外，剪切速率較大時(shí)，重塑砂質(zhì)粉土中一些較大顆粒沒(méi)有破碎，顆粒之間接觸并不充分，使得顆粒摩擦比較弱，抗剪強(qiáng)度不能很好發(fā)揮，這些導(dǎo)致剪切速率低時(shí)抗剪強(qiáng)度更大.

根據(jù)圖6，能夠獲得不同剪切速率的摩擦角和黏聚力，采用關(guān)系式(3)擬合，通過(guò)origin繪制剪切速率與內(nèi)摩擦角、黏聚力的曲線圖，如圖7.發(fā)現(xiàn)剪切速率與黏聚力、內(nèi)摩擦角的擬合度分別為0.957 9、0.973 3，擬合效果較好.

y=bln(x)+d

(3)

式中y代表內(nèi)摩擦角、黏聚力；x為剪切速率；b、d都是擬合參數(shù).

(a)剪切速率和內(nèi)摩擦角變化關(guān)系

從圖7(a)可知，隨著剪切速率的增加，當(dāng)剪切速率增大到不高于0.8 mm/min時(shí)，重塑粉土的內(nèi)摩擦角減小較明顯.從整條曲線來(lái)看，重塑粉土的內(nèi)摩擦角隨著剪切速率的增加呈減小趨勢(shì).因?yàn)橹厮芊弁猎诩羟袝r(shí)，一些較大顆粒從另一顆粒上滾過(guò)并發(fā)生滑動(dòng)，當(dāng)剪切速率較快時(shí)，顆粒來(lái)不及在其他顆粒上滾過(guò)和滑動(dòng)，顆粒間有效接觸點(diǎn)減少.同時(shí)，飽和重塑粉土顆粒間水具有潤(rùn)滑作用，土樣在剪切過(guò)程中會(huì)失水使得摩擦增強(qiáng)，在低剪切速率下剪切所用時(shí)間較高剪切速率長(zhǎng)，失水更多，水平固結(jié)更加充分，孔隙比減小更多，這樣使得重塑粉土顆粒之間有效接觸點(diǎn)增加，這些宏觀表現(xiàn)是剪切速率減小時(shí)內(nèi)摩擦角增加.

從圖7(b)可以看出，隨著剪切速率的變大，重塑粉土的黏聚力是減小的.剪切速率從0.2 mm/min增大到2.4 mm/min，黏聚力依次減小了7.13 kPa、3.66 kPa、2.91 kPa和1.75 kPa，得出剪切速率越低，隨著剪切速率的增加，黏聚力減小得更明顯.因?yàn)轲ぞ哿χ饕墒`結(jié)合水膜的分子引力、膠結(jié)物之間產(chǎn)生的膠結(jié)作用、毛細(xì)水的連接作用等一起產(chǎn)生.在剪切過(guò)程中，重塑粉土?xí)?，含水率減小，結(jié)合水在顆粒四周變少，束縛結(jié)合水膜的分子引力增加，黏聚力增加.隨著剪切速率的減小，重塑粉土含水率減小越多，膠結(jié)作用越強(qiáng)，黏聚力越大.

圖8是梯形的曲面形狀，能直觀看出剪切速率、黏聚力和內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系.增大剪切速率使得黏聚力、內(nèi)摩擦角變小，內(nèi)摩擦角較黏聚力減少的程度更小些，可知黏聚力受到剪切速率的影響更加明顯，此規(guī)律可為上面提到的土壩工程設(shè)計(jì)提供借鑒，也可為樁基工程設(shè)計(jì)提供借鑒，因?yàn)闃兜某两悼炻龥Q定土體受到的剪切速率快慢.

圖8 剪切速率、內(nèi)摩擦角和黏聚力的三維圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)開展重塑飽和粉土的固結(jié)快剪試驗(yàn)，得到剪切速率對(duì)其抗剪強(qiáng)度特性的影響結(jié)論：

1)重塑飽和粉土樣在垂直壓力分別為50 kPa、100 kPa下剪切時(shí)出現(xiàn)了明顯的峰值，抗剪強(qiáng)度值及其對(duì)應(yīng)的剪切位移量會(huì)隨著垂直壓力的變大而變大.

2)隨著剪切速率變大，重塑飽和粉土抗剪強(qiáng)度變小，減小的程度會(huì)隨著豎向應(yīng)力的變大而變大.相同垂直壓力下，剪切速率增大到不高于0.8 mm/min，抗剪強(qiáng)度減小較明顯.

3)增大剪切速率，重塑飽和粉土的c值、φ值都變小，但c值減小的更明顯，對(duì)c值影響更大.剪切速率變大后的值不超過(guò)0.8 mm/min時(shí)，其c值、φ值都減小得更多.

4)由試驗(yàn)結(jié)論可知，隨著剪切速率變大，重塑飽和粉土抗剪強(qiáng)度變小，考慮到工程的安全性，對(duì)其固結(jié)快剪試驗(yàn)應(yīng)該采用較高剪切速率(采用2.4 mm/min較好).

因?yàn)樵囼?yàn)土樣具有區(qū)域性，試驗(yàn)數(shù)量有限，以上結(jié)論可能不適合所有地區(qū)的粉土，今后可取其他地區(qū)的粉土進(jìn)行試驗(yàn)比較，為實(shí)際工程提供借鑒.