饱和高岭土的部分排水剪切应力-应变特性

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(河海大学 a.岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室；b.岩土工程科学研究所， 南京 210098)

1 研究背景

常规三轴试验在剪切过程中，试样要么处于完全不排水(即体变为0)状态，要么处于完全排水(即孔压为0)状态，这与工程实践中土体在受到剪应力的同时也在排水固结即部分排水剪切的状态并不吻合。开展部分排水剪切条件下的三轴试验，对于认识体变和孔压共同作用下土体的力学特性，并应用于解决诸如土堤施工稳定性[1-2]、地基液化控制[3-4]等问题有着重要的学术意义和工程应用价值。砂性土在部分排水剪切条件下的应力-应变特性已有不少的研究成果[3-7]。然而，对于黏性土，相关的研究成果却并不多见，现有的试验研究主要是针对三轴试样中应力和应变场的不均匀性，以及满足完全排水剪切条件的轴向应变加载速率的取值问题而开展[8-10]。为研究部分排水剪切条件下黏土的应力-应变特性，本文采用饱和高岭土，开展了在不同的轴向应变速率加载剪切过程中将排水阀打开的三轴压缩试验，并与相同剪切固结应力条件下的完全排水、完全不排水剪切试验结果进行了对比，分析了孔压和体变共同作用对饱和高岭土应力-应变特性的影响。研究成果可为考虑部分排水剪切条件下地基稳定性分析方法的构建提供依据。

2 试样制备及试验方案

2.1 试样制备

试验所采用的高岭土的基本物理性质指标如表1所示。试样的制备按照《土工试验方法标准》[11]采用分层击实法和真空抽气饱和法进行。试样的直径为39.1 mm、高为80 mm。试样的含水率为32%，孔隙比为0.87。

表1 试验用高岭土的物理性质指标Table 1 Physical properties of tested kaolin

2.2 试验方案

所开展的三轴压缩试验中，所有试样均首先在100 kPa围压下固结完成，然后再开展剪切试验。所开展的剪切试验有：常规的完全不排水剪切、完全排水剪切，以及部分排水剪切试验。完全不排水剪切(CU)试验中，轴向应变的位移加载速率取为0.03 mm/min；完全排水剪切(CD)试验中，轴向应变的位移加载速率取为0.002 mm/min；部分排水剪切(CPD)试验中，排水阀始终打开使试样保持自由排水，轴向应变的位移加载速率分别取为0.03，0.06，0.10，0.20，0.30 mm/min。

3 试验结果及分析

完全排水、部分排水和完全不排水条件下的三轴剪切试验结果如下所示。

从图1可以看出，所采用的试样的偏应力q与轴向应变εa的应力-应变关系表现为硬化型，部分排水剪切条件下的应力-应变曲线介于完全排水和完全不排水剪切条件下的应力-应变曲线之间。随着轴向应变位移加载速率的增加，应力-应变曲线逐渐趋向于完全不排水剪切条件下的应力-应变曲线。相应地，随着轴向应变位移加载速率的增加，试样的抗剪强度也从完全排水条件下的抗剪强度逐渐减小为不排水抗剪强度。这与纯粹的完全不排水剪切试验条件下，不排水抗剪强度随轴向应变加载速率的增加而增加的特性[12-13]明显不同。完全不排水剪切条件下，体变为0，剪切应力引起的孔压随轴向应变加载速率的增加而减小[12]，导致不排水抗剪强度增加。而在部分排水剪切条件下，体变并不为0，试样产生剪缩，剪缩引起的孔压随轴向应变加载速率的增加而增大，使得其抗剪强度随之减小，这反映了体变和孔压的耦合作用对土体力学特性的影响。

图1偏应力与轴向应变关系曲线
Fig.1Curvesofdeviatorstressversusaxialstrain

从图2可以看出，部分排水剪切条件下孔压u随轴向应变εa的变化曲线也介于完全排水和完全不排水剪切条件下的孔压曲线之间，轴向应变的位移加载速率越快，则所产生的峰值孔压越大，达到峰值孔压所需要的轴向应变也表现出增大的趋势。部分排水剪切过程中，当孔压达到峰值后，则开始持续消散。这是因为排水阀始终是处于打开的状态，孔压达到峰值前，轴向应变位移加载所产生的孔压增长速率超过了试样排水引起的孔压消散速率，使得孔压增加；其后，轴向应变位移加载所产生的孔压增长速率小于试样排水引起的孔压消散速率，使得孔压消散。这可以解释为什么图1中的应力-应变曲线表现为硬化型。显然，在部分排水剪切条件下，孔压的变化特性不仅与轴向应变的位移加载速率有关，还与试样本身的渗透系数、变形特性和排水条件密切相关。换言之，Skempton的孔压系数[14-15]取决于土体的变形和固结参数以及加载和排水条件，这与现有的相关研究成果所得到的结论[16-20]是一致的。

图2孔压与轴向应变关系曲线
Fig.2Curvesofporepressureversusaxialstrain

从图3可以看出，部分排水剪切条件下体变εv随轴向应变εa的变化曲线均介于完全排水和完全不排水(体变为0)剪切条件下的体变变化曲线之间，轴向应变的位移加载速率越快，则所产生的体变越小，这是由于体变主要取决于试样的渗透性参数，轴向应变的位移加载速率越快，达到相同的轴向应变所需要的时间就越短，因此相应的体变就越小。完全排水剪切条件下的体变随轴向应变的变化曲线表现出明显的非线性关系，而在部分排水剪切条件下，当轴向应变超过3%之后，体变与轴向应变却近似呈线性关系。

图3体积应变与轴向应变关系曲线
Fig.3Curvesofvolumetricstrainversusaxialstrain

从图4可以看出，部分排水剪切条件下的偏应力q与平均有效应力p′ 应力路径关系曲线也介于完全排水和完全不排水剪切条件下的应力路径曲线之间，而临界状态线(图中的虚线)却是唯一的，并不依赖于剪切过程中的加载速率和排水条件。应力路径曲线的拐点对应于孔压达到峰值的应力状态，轴向应变加载速率越慢，拐点则越早发生。孔压达到峰值后，应力路径近似呈直线硬化至临界状态，其斜率则随着轴向应变加载速率的减小而增加。

图4偏应力与平均有效应力关系曲线
Fig.4Curvesofdeviatorstressversusmeaneffectivestress

从图5可以看出，部分排水剪切条件下体变εv随偏应力q的增加近似呈线性增加。轴向应变的位移加载速率越快，则所产生的体变越小。这说明体变的变化主要还是受到试样的渗透性和排水条件的控制。

图5偏应力与体变关系曲线
Fig.5Curvesofdeviatorstressversusvolumetricstrain

部分排水剪切条件下，峰值孔压umax与归一化轴向应变加载速率[(dεa/dt)CPD/(dεa/dt)CD]的对数之间的关系如图6所示，其中，(dεa/dt)CPD表示部分排水剪切条件下的轴向应变加载速率，(dεa/dt)CD表示完全排水剪切条件下的轴向应变加载速率。归一化的轴向应变加载速率反映了部分排水剪切速率相对于完全排水剪切速率的快慢程度，其值为1时即为完全排水剪切试验条件，孔压为0；当它增加到一定程度，就会达到完全不排水剪切试验条件，对应的孔压接近于最大值。从图6可以看出，峰值孔压随轴向应变加载速率对数的增加而近似呈线性增加关系。

图6峰值孔压与归一化的轴向应变速率对数的关系曲线
Fig.6Curvesofmaximumporepressureversuslogarithmofnormalizedaxialstrainrate

4 结 论

(1)部分排水剪切条件下，土体体变和孔压共同作用的应力-应变特性介于完全不排水和完全排水剪切条件下的应力-应变特性之间。临界状态线是唯一的，并不依赖于剪切过程中的加载速率和排水条件。

(2)部分排水剪切条件下所引起的孔压随着轴向应变位移加载速率的增加而增加，而抗剪强度却随着轴向应变位移加载速率的增加而减小。这与纯粹的完全不排水剪切试验条件下，孔压随着轴向应变位移加载速率的增加而减小、不排水抗剪强度随轴向应变加载速率的增加而增加的特性明显不同。

(3)部分排水剪切条件下，抗剪强度、体变和孔压的变化特性不仅与轴向应变的位移加载速率有关，还与试样本身的渗透系数、变形特性和排水条件密切相关。当后者固定不变时，孔压峰值随轴向应变加载速率对数的增加而近似呈线性增加关系。