苏州黏土的力学特性

申海娥, 孙德安, 陈 波

(上海大学 土木工程系,上海 200072)

苏州黏土的力学特性

申海娥, 孙德安, 陈 波

(上海大学 土木工程系,上海 200072)

为了研究结构性对土的力学特性的影响,对苏州黏土的原状样和人工制备样进行等向压缩试验、三轴固结排水剪切试验和不排水剪切试验.试验结果表明:在固结压力相同时,原状样比人工制备样具有更大的孔隙比、压缩指数 Cc和膨胀指数 Cs;剪切时的围压对人工制备样的应力比-应变曲线没有影响,而对原状样的应力-应变曲线有影响,即剪切围压小的试样得到的应力比较高;排水剪切围压相同时,人工制备样的强度高于原状样的强度,这是由于原状样的孔隙比大于人工制备样的孔隙比;孔隙比相同时,原状样的强度比人工制备样的要高.

原状土;人工制备土;结构性;等向压缩试验;排水剪切试验

目前,结构性对土力学特性的影响早已引起了人们的重视.为了全面了解结构性对土力学特性的影响,国内外学者开展了大量的试验研究,并根据试验结果得到一些重要结论.例如:根据原状土压缩试验可知,结构性土压缩曲线初始段很平缓,当压力超过结构屈服应力时,曲线出现陡降段,并向人工制备土压缩曲线靠近[2-6];根据原状土剪切试验可知,对于结构性强的黏土,结构性的存在不仅会影响土的应力-应变曲线,还会使土体的强度包线呈折线形[5-9];根据原状土固结试验可知,结构性土在压力低于屈服应力时,固结系数较高,接近屈服应力时,固结系数急剧降低,接近人工制备土的固结系数,且最高值和最低值之间可差几十倍[5-7].

本工作通过对苏州黏土进行室内试验,得到黏土的物理性质 (颗粒密度、液限、塑限和颗分曲线等)及其力学特性 (变形特性和强度特性),并通过比较原状土样和人工制备土样的试验结果,研究结构性对黏土力学特性的影响.

1 物理特性

试验用土样取自苏州乐园附近,地表以下深度16.1～19.5 m,为苏州最具代表性的第五层淤泥质黏土.土样采用薄壁取土器取土,取出后立即用盖子将衬管两端盖严,然后用胶布密封接缝处,涂上熔化的石蜡,并在衬管上面注明土样的上、下端,贴上标签.为了减小运输过程中的扰动,土样在运输前妥善装箱,并填塞缓冲材料,直接从工地护送到实验室.将取来的土样保存在养护室内,防止水分蒸发导致含水量变化,影响试验结果.此外,及时进行相关试验,防止试样放置时间过长而影响试验结果.因此,本工作所指原状土样是指现场用薄壁取土器取样后尽可能减少土样扰动条件下的土样.

为了研究苏州黏土的基本物理特性,对土样分别进行土粒比重、界限含水量、灵敏度以及颗粒分析试验.试验各进行 3次,并对相应的数值取平均值,得到苏州黏土的基本物理指标和颗粒级配曲线,分别如表1和图 1所示.

表1 苏州黏土的物理指标Table 1 Physical index of Suzhou clay

图 1 苏州黏土的颗粒级配曲线Fig.1 Grad ing curve of Suzhou clay

根据表1可知,苏州黏土的液限WL为 35.9%,小于 50%,塑性指数 Ip=11.5,10＜Ip＜17.根据塑性图细粒土分类法可知,苏州第五层土属于低液限粉质黏土,苏州黏土的灵敏度为 St=3.4,2＜St＜4,所以苏州黏土属于中等灵敏度土.颗粒分析试验结果如图 1所示.由颗粒级配曲线可知,试样中粒径小于 0.075 mm的细粒含量为 95%左右,大于全部质量的 50%,所以苏州土为细粒土,其中黏粒土含量为 26.35%,粉土含量为 69.2%,砂土含量为4.45%.

2 等向压缩试验

2.1 试验内容

为了研究结构性对苏州黏土压缩特性的影响,对现场取回的原状土利用常规三轴仪进行一组等向压缩、回弹试验,试验进行 3次,对人工制备土样进行等向压缩、回弹试验,试验进行 2次.原状土和人工制备土的等向压缩-回弹曲线如图 2所示.试验采用分级加载的方式,每级荷载固结 24 h(见表2).试验用的人工制备土样制备方法如下:将试验用过的原状土浸泡在一定量的水中,当其含水量大于液限的 2倍以上时,用搅拌机充分搅拌,制成饱和泥浆;然后将其倒入直径为 15cm,高16cm的制样桶中,分级加载,固结成样.为研究正常固结土的力学特性,最后一级的固结压力为 70kPa.试验时,根据试样尺寸大小从上述的固结人工制备土样中切取一部分制成所需试样.

图 2 原状土和人工制备土的等向压缩-回弹曲线Fig.2 Compression curves of undisturbed and reconstitutedsamples

2.2 试验结果

由图 2,可以得到以下结论:

(1)固结压力相同时,原状土比相应的人工制备土具有更大的孔隙比.从试验结果可知,p=10kPa时,人工制备土的孔隙比为 0.73左右,而原状土的孔隙比为 0.95左右,比人工制备土的孔隙比高 0.2左右.国内试验资料表明,天然软土的孔隙比往往比同一垂直压力下的人工制备土高0.2～0.4[5],这说明沉积过程形成的原状土具有不同于人工制备土的结构.在沉积过程中,原状土颗粒之间相互粘结,并产生胶结强度,阻止土体的压密,使原状土体保持着较大的孔隙.由原状土的等向压缩曲线,根据卡萨格兰德法可知,原状苏州黏土的前期固结压力为Pc=99.6kPa.

(2)结构性对黏土压缩性有一定的影响.原状土的压缩曲线为一条有明显屈服点的曲线,当固结压力小于结构屈服应力时,土体的压缩量较小,为土体的回弹再压缩过程,其压缩系数 Cc与土体回弹曲线斜率接近.当固结压力超过结构屈服应力时,其压缩性明显增大,因此,原状土的压缩指数 Cc为一变量.人工制备土的压缩曲线没有明显的屈服点,其压缩曲线近似为一直线,压缩指数 Cc为一常数,这是由于人工制备土的微结构已完全破损造成的.随着结构的破坏,原状土的力学特性逐渐向人工制备土的力学特性转化.

(3)由压缩曲线和回弹曲线的斜率可以得到原状土的压缩指数 Cc和膨胀指数 Cs的平均值分别为0.256,0.058,而人工制备土则为 0.175,0.043(见表2).因此,原状土与人工制备土相比,压缩指数 Cc大31%左右,膨胀指数 Cs大 25%左右.

2.3 结果分析

原状土的高孔隙比是由于在缓慢沉积过程中颗粒之间形成化学胶结,使土体具有一定的结构性,阻碍土体的进一步压密形成的.土体在沉积过程中,由于化学胶结作用等原因形成的结构性,使原状土与人工制备土的压缩特性存在一定的差别.胶结强度和孔隙比是影响结构性土力学特性的重要因素.对具有胶结的结构性土,颗粒间的滑移变形只有达到一定的应力水平,即化学胶结发生破碎时才能发生.天然黏土颗粒之间的胶结强度不一样,内部存在较弱的面或带.当荷载增大到一定程度后,薄弱处先发生破损,形成结构面.结构面之间为保持完好的小块体或团粒.随着荷载的增大,小土块逐步破裂成更小的土块,天然黏土的力学特性逐步向人工制备土的力学特性转化[11].许多研究者认为:结构性使原状土的压缩曲线表现为一条陡降形的曲线,在低于屈服应力范围内,压缩性小;在高于屈服应力的范围内,压缩性急剧增大;等于土体的结构屈服应力时,压缩性发生巨变[2-6].

表2 等向压缩试验的初始含水量、初始孔隙比、加载路径、压缩指数 Cc和膨胀指数 CsTable2 Initialwatercontent,voidratio,stresspath,compressionandswellingindicesforisotropiccompressiontests

3 三轴剪切试验

3.1 试验内容

为了研究结构性对苏州黏土的应力-应变曲线的影响,分别对原状土试样和人工制备土试样进行在三轴剪切过程中围压不变的固结排水剪切试验和固结不排水剪切试验.首先,对原状土试样进行一组围压不同的排水剪切试验,试验共进行 4次;然后,对原状土试样进行一组围压不同的不排水剪切试验,试验进行 3次;最后,对人工制备土试样进行一组围压不同的排水剪切试验,试验进行 3次,分别得到原状土和人工制备土的应力-应变曲线(见表3).由于苏州黏土的透水系数较小,为了保证剪切过程中产生的超孔隙水应力全部消散,对于固结排水剪切试验选用慢剪形式进行剪切,剪切速率为0.174 mm/h,剪切一次需要 3 d;而对于固结不排水剪切试验采用相对较快形式进行剪切,剪切速率为 1.98 mm/h,剪切一次需要 6 h.

表3 三轴剪切试验试样的初始含水量、孔隙比及剪切围压Table 3 In itial water content,void ratio and conf in ing pressures in consolidated-dra in and undra ined tr iaxial tests

3.2 试验结果

根据原状土试样和人工制备土试样的常规三轴固结排水剪切试验结果,可以得到苏州黏土原状土和人工制备土的应力-应变曲线 (见图 3).图 4为苏州黏土原状土的三轴固结不排水剪切试验结果.图中:εa和εv分别为轴向应变和体应变;σa和σr在排水剪切试验中分别表示轴向应力和侧向应力,在固结不排水试验中分别表示有效轴向应力和有效侧向应力;u为孔隙水压力.

由图 3可以得到以下结论:

(1)正常固结状态下,原状土和人工制备土常规排水剪切试验得到的应力-应变曲线属于剪缩硬化型.人工制备土在不同围压下剪切得到的应力比-应变曲线基本相同,这说明围压对人工制备土的应力-应变曲线没有影响,这与剑桥模型的预测结果是一致的;原状土在不同围压下剪切得到的应力比-应变曲线却不同,低围压下剪切得到的应力比大于高围压下的总应力比,这说明围压对原状土的应力比-应变曲线有影响,即结构性对原状土的应力-应变曲线有影响.

(2)国内外学者认为,结构性的存在使原状土体具有更高的强度[2,5-7].本工作根据原状土和人工制备土在相同围压下排水剪切试验结果,得出原状土的剪切强度小于人工制备土的剪切强度,与一般试验结果不同.另外,剪切时原状土的体变大于人工制备土的体变.我们认为,这些都是由于在相同围压下原状土的孔隙比大于人工制备土的孔隙比引起的.

(3)结构屈服破坏的传统解释认为:原状土存在某一结构屈服应力,当应力水平超过结构屈服应力时,土的结构逐渐破碎,结构性影响逐渐消失[12].此结论是根据原状土和人工制备土的压缩曲线得到的,而本工作通过比较原状土在不同围压情况下的排水剪切强度,得到土体在高围压时的剪切应力比小于低围压时的剪切应力比,这更好地说明了土的结构是逐渐破坏的.

图 3 原状土和人工制备土的三轴固结排水剪切试验结果Fig.3 Results of con solidated-dra ined tr iax ial tests on und isturbed and reconstituted samples

图 4 原状土的三轴固结不排水剪切试验结果Fig.4 Results of consolidated-undra ined tr iaxial tests on und isturbed sam ples

(4)从体应变-轴向应变的关系 (见图 3(a))可以看出:在围压为 80 kPa时,土体属于弱超固结土,土体体积变形是在剪切开始时剪缩,接着发生剪胀;在低围压时,原状土的体应变比较小.结构性土的体应变主要来自 2个方面:一是由颗粒摩擦滑移所产生的体应变;二是由胶结破碎所产生的附加变形.原状土在低围压下胶结破坏比较少,从而引起的附加变形比较小,同时胶结阻止了颗粒的滑移,相应的滑移体应变比较小,因此,在低围压下的总体应变比较小.在一定范围内的高围压下,胶结破坏比较多,由此产生的附加变形比较大,随着胶结的逐渐破坏,颗粒滑移体应变增大,因此,高围压下的体应变比低围压下的体应变大.从图 4可以看出,在不排水剪切条件下,结构性土的应力-应变曲线表现为应变软化的特点,尤其在低围压下更为明显.

从图 3(a)和图 4可以看到,当达到临界状态时,苏州原状黏土的应力比集中分布在 3.2～3.3之间.考虑到原状土的不均匀性,在取样、包装、运输以及室内试验过程中对原状土试样存在不同程度的扰动,因此,试验结果有一定的离散性是正常的,可以认为苏州原状黏土和重塑黏土的三轴排水剪切试验、三轴不排水剪切试验在临界状态时的临界应力比是一致的.根据试验数据,得到原状苏州黏土的临界状态强度的应力比σa/σr为 3.25左右.根据临界状态理论,利用式 (1)和 (2),可得到临界状态应力比M及内部摩擦角 φ,

M =q/p=3(σa/σr-1)/(σa/σr+2), (1)

sinφ=3M/(6+M), (2)

式中,M为临界状态应力比,p为平均应力,p=(σa+2σr)/3,q为偏应力,q=σa-σr, φ为土的内摩擦角.

根据计算,得到原状苏州黏土临界状态应力比M=1.29,内摩擦角 φ=32.1°.由图 5可知,原状苏州黏土临界状态时的临界应力比M=1.30,与计算结果一致.

图 5 p-q平面上的应力路经Fig.5 Stress path in the p-q plane

3.3 结果分析

许多学者认为原状土的强度大于人工制备土的强度,而本工作得到的却是人工制备土的强度大于原状土的强度.二者似乎有矛盾,其实不然,因为影响土的抗剪强度的因素有很多,如土的种类、结构、孔隙比、应力历史及应力状态等.因此,对于原状土的强度特性,不仅需要考虑结构性对土体强度的影响,还要考虑孔隙比等因素对土体强度的影响.

Graham等[8]对 Winnipeg黏土的原状土试样和人工制备土试样进行了不排水剪切试验,也得到了原状土强度低于人工制备土强度的结果,与本工作的试验结果一致.他们根据试验结果得到临界状态时的 v-log p曲线,进而得出在正常固结状态下,两种土样的临界状态线是相互平行的.由于原状土比人工制备土具有更大的比容,因此,其临界状态线应位于人工制备土的上方.本工作将正常固结苏州黏土人工制备土试样和原状土试样的临界孔隙比 e与相应的排水剪切强度 q、平均主应力 p整理后,分别得到如图 6和图 7所示的 log qf-e,v-log p曲线,其中e为孔隙比,v为比容,v=1+e.

图 6 临界状态时原状土和重塑土的 log qf-e曲线Fig.6 log qf-e curves of und isturbed and recon stituted samplesat cr itical state

图 6的试验点和拟合曲线显示:在正常固结状态下,原状土和人工制备土临界状态时的 qf-e曲线都具有很好的线性相关性.当孔隙比 e相当小时,两条直线将交于一点,这说明当 e达到某一数值时,原状土和人工制备土将具有相同的剪切强度,原状土的结构被完全破坏.根据试验结果可以发现,处于同一孔隙比时,原状土的强度大于人工制备土的强度,这说明原状土结构性的存在使原状土的强度大于人工制备土的强度.而本工作得到的原状土和人工制备土在相同围压下剪切时,人工制备土的强度大于原状土的强度,这是由人工制备土的孔隙比小于原状土的孔隙比导致的,而孔隙比也是影响强度的重要因素,并不与现有的结构性土的强度特性相冲突.

图 7的试验点和拟合曲线显示:在正常固结状态下,原状土和人工制备土临界状态时的 v-log p曲线都具有很好的线性相关性.人工制备土在临界状态时的 v-log p曲线斜率与其 Cc相近,这与剑桥模型理论一致.而原状土在临界状态时的 v-log p曲线斜率也与原状土屈服后的 Cc相近.由图可知,当应力很大时,两条直线将交于一点,这说明随着平均有效应力 p的增大,原状土的结构逐渐遭到破坏,从而使二者的 e值逐渐接近,最终达到一致.从图中还可以看出,原状土的临界状态线位于人工制备土的上方,并且原状土的临界状态线的斜率大于人工制备土的临界状态线的斜率.由于原状土具有结构性,因此,用剑桥模型不能很好地预测其应力-应变关系,但是临界状态土力学的一些特性还是适用的.

图 7 临界状态时原状土和重塑土的 v-log p曲线Fig.7 v-log p curves of und isturbed and rem olded sam plesat cr itical state

4 结 论

本研究对苏州第五层淤泥质黏土的原状土试样和人工制备土试样分别进行物理性质试验、等向压缩试验、三轴固结排水剪切试验和不排水剪切试验,得到二者的压缩曲线和应力-应变曲线.通过分析,得到以下结论:

(1)苏州第五层土属于中灵敏度、低液限粉质黏土;原状苏州黏土的前期固结压力位 Pc=99.6 kPa;苏州黏土的塑性指数 Cc、膨胀指数 Cs的平均值分别为 0.256,0.058,而人工制备土的 Cc和Cs的平均值分别为 0.175,0.043.因此,原状土与人工制备土相比,压缩指数 Cc大 31%左右,膨胀指数Cs大 25%左右;临界状态应力比 M=1.29,摩擦角φ =32.1°.

(2)原状苏州黏土的压缩曲线为一条具有明显屈服点的曲线.在固结应力小于结构屈服应力以前,土体的压缩量较小,为土体的回弹再压缩过程,其压缩系数 Cc与土体回弹曲线斜率接近;当固结压力超过结构屈服应力时,土体的压缩量明显增大.因此,原状土的压缩指数 Cc为一变量;而人工制备土的压缩曲线没有明显的屈服点,其压缩曲线近似为一直线,压缩指数 Cc为一常数.在相同固结压力下,原状土比人工制备土具有更高的孔隙比,随着固结压力的增大,原状土的结构逐渐遭到破坏,结构性对土的力学特性影响逐渐减小,原状土的压缩曲线逐渐接近人工制备土的压缩曲线.

(3)原状土的强度和变形不仅与土的结构性有关,还与土的孔隙比有关.在相同围压下剪切时,由于人工制备土的孔隙比小于原状土的孔隙比,使人工制备土的强度大于原状土的强度.而在相同孔隙比条件下,由于结构性的影响,原状土的强度大于人工制备土的强度.

(4)苏州土在高围压下的体应变大于低围压下的体应变.在一定范围内的高围压下,胶结破坏比较多,由此产生的附加变形比较大,随着胶结的逐渐破坏,颗粒滑移体应变增大.原状苏州黏土和重塑苏州黏土的三轴排水剪切试验、三轴不排水剪切试验在临界状态时的临界应力比是一致的.这说明在不同试验条件下,苏州黏土具有统一的临界状态,即苏州黏土具有很强的临界状态归一性.

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M echan ical Behav ior of Suzhou Clay

SHEN Hai-e, SUN De-an, CHEN Bo
(Department of Civil Engineering,Shanghai University,Shanghai200072,China)

A number of isotropic compression and consolidated-drained and undrained triaxial tests on undisturbed and reconstituted Suzhou clay have been carried out to study the compression and shear characteristics.The comparison of compression curves of undisturbed and reconstituted samples shows that the undisturbed samp les have larger void ratio,comp ression index and swell index under the same confining pressure.The comparison of stress ratio-strain curves of undisturbed and reconstituted samples show s that the confining p ressure has no effect on the reconstituted samp les but has an effect on the undisturbed samples.In other words,the stress ratio is high with shearing at the low confining pressure.Also,strength of undisturbed samples is lower than the reconstituted sampleswhen sheared under the same confining pressure.This behavior is caused by the difference in void ratio.

undisturbed soil;reconstituted soil;deformation characteristic;isotrop ic comp ression test;consolidated-drained test

TU 411

A

1007-2861(2011)02-0209-07

10.3969/j.issn.1007-2861.2011.02.018

2009-05-10

孙德安 (1962～),男,教授,博士生导师,博士,研究方向为非饱和土力学和土的基本性质.E-mail:Sundean06@163.com

(编辑:孟庆勋)

作为一种在复杂地质条件下形成的天然材料,土在长期沉积过程中不可避免地具有一定的结构性.所谓结构性是指土颗粒本身的形状、大小和特性,土颗粒在空间的排列形式、孔隙状况及颗粒间接触和联结特性的总和[1].结构性的存在使原状土和人工制备土的强度、变形特性存在一定的差异[2-9].目前广泛应用的剑桥模型[10]是根据重塑黏土试验结果,以临界状态土力学为基础建立起来的弹塑性模型,而实际工程场地中的土体是具有结构性的原状土.因此,需要了解原状土的力学特性,并在此基础上建立反映原状土力学特性的本构模型,即结构性本构模型.沈珠江[5]认为建立土的结构性模型是“21世纪土力学的核心问题”.相关研究还表明,不同的黏土具有不同的结构性.因此,研究苏州黏土的结构性,对正确认识该地区黏土的工程特性、合理分析工程建设中变形与强度等问题具有重要的理论和现实意义,同时加强了对结构性土的认识.