初始剪应力对软黏土峰值孔压影响试验研究

柳 伟，程振华

(1.江西交通职业技术学院，南昌 330013;2.江西交通科学研究院，南昌 330038)

软土具有抗剪强度低、透水性低、高压缩性及流变性等特点。在我国经济发达的沿海地区广泛分布着软土，随着这些地区经济的飞速发展和城市化水平的不断提高，正在或即将兴建大量的建筑物和构筑物。因而，研究软黏土的强度特性具有更加重要的工程实际意义。

目前，对饱和软黏土抗剪强度的计算，一般采用Mohr-coulomb破坏条件，绘制破坏强度包线获得。其表示方法分总应力法和有效应力法。在总应力法中同一种土根据不同的三轴试验方法所得的强度指标也不相同。有效应力法中的强度指标应该是相同的，但是需要准确量测出破坏时的孔隙压力。而软黏土的孔隙压力受到许多因素的影响，如围压、超固结比、加荷速率及各向异性等。迄今为止，许多学者在文献［1］～［3］对此进行了研究，并取得了丰富的理论成果与试验结论。但是，在边坡以及挡土结构物等实际工程中，土体都存在一个初始剪应力的作用，而对于初始剪应力引起的各向异性对软黏土静力特性的影响，国内外少有研究。

基于此，本文通过软黏土不排水三轴压缩试验，着重分析研究初始剪应力及围压对软黏土孔压特性的影响，得到软黏土的孔压特性指标。并在试验的基础上结合理论分析建立考虑初始剪应力影响的软黏土不排水孔压表达式。

1 试验内容

试验中所取土样为位于地下5.5 m左右的原状软黏土。土样均取自同一层土上，并在取土后立即放置在恒温恒湿箱贮存，保证了土样性质的一致性及原状性。试验中的软黏土主要物理参数见表1。试验中按《GDS动静三轴仪》仪器使用手册对试验参数进行调整，试样的装备及制样步骤与注意事项见《土工试验规程》。本次试验中静三轴试验加载速率为0.05%/min，参数见表 2。

表1 试验中软黏土物理力学指标

表2 静三轴试验参数kPa

2 试验结果与分析

2.1 初始剪应力的影响

图1为不同初始剪应力下，土样的有效路径曲线。图中的实线为不同围压下土样的破坏线，虚线为不同初始剪应力下各破坏点的连线。可以看出，所有曲线均向右倾斜，并存在明显的破坏点，说明各向异性固结软黏土也同样表现为正常固结土的性状。

图2为不同初始剪应力下，土样的孔压比—应变关系曲线。可以看出，随着初始剪应力的增加，对应于相同的应变，土样的孔压比表现为降低的趋势。尤其当初始剪应力为60 kPa时，这种趋势更为明显。

图1 不同初始剪应力下软黏土的应力路径

图2 不同初始剪应力下软黏土的孔压比—应变关系

2.2 围压的影响

图3为不同围压下软黏土的应力路径曲线。可以看出，每一条应力路径都存在一个破坏点，当土体达到该点应力状态时土样发生破坏。除此之外，可以发现各破坏点处于同一条直线上，即破坏线(K′f线)。从该图也可以看出，当围压不同时，土样的应力路径也发生一定的变化。当围压 p′0为30 kPa时，应力路径向右倾斜;而当围压≥60 kPa时，应力路径向左倾斜。究其原因可能在于，当围压p′0为 30 kPa时，土体为欠固结状态;而围压≥60 kPa时，土体为超固结状态。孟庆山的研究中亦有类似结论［5］。图4是不同围压下，软黏土的孔压比—应变关系曲线。由图4可以看出，随着轴应变的增加，土体的孔压比增加，但加载初期，孔压比上升较快;而后随着应变的增加，孔压比上升比较平稳。该图也表明，随着围压的增加，对应于相同的轴应变，土体的孔压比逐渐增加。

3 各向异性固结不排水峰值孔压

由前述分析可知，初始剪应力引起的各向异性固结对软黏土孔压影响较大。图5为通过上述试验所得到的孔压比与无量纲化初始剪应力关系曲线。该图表明随着初始剪应力的增加，峰值孔压近似线性减小。因而，本文参照文献［6］方法建立如下表达式描述各向异性固结软黏土的峰值孔压:

图3 不同围压下软黏土的应力路径

图4 不同围压下软黏土的孔压比—应变关系

式中:umax为土样的峰值孔压，τmax为初始剪应力为零时，土样的不排水抗剪强度，A、B分别为土样的试验常数，其值分别为0.468 15和 －0.201 72。

图5 无量纲化峰值孔压与无量纲化初始剪应力关系曲线

4 结语

通过静三轴试验着重研究了围压及初始剪应力对软黏土孔压变化规律的影响，得到了如下结论:

1)各向异性固结软黏土破坏时与正常固结土性状相似。但是，随着初始剪应力的增加，对应于相同的应变，土样的孔压表现为降低的趋势。

2)欠固结土与超固结土的应力路径倾斜方向相反。

3)软黏土的峰值孔压与初始剪应力近似为线性关系，采用线性函数描述二者的关系效果较好。

［1］KIMURA T，SATOH K.Influence of strain rate on pore pressures in consolidated undrained triaxial tests on cohesive soils［J］.Soils and Foundations，1983，23(1):80-90.

［2］NAKASE A，KAMEI T.Influence of strain rate on undrained shear characteristics of K0-consolidated cohesive soils［J］.Soils and Foundations，1986，26(1):85-95.

［3］张坤勇，殷宗泽，梅国雄.土体各向异性研究进展［J］.岩土力学，2004，25(9):1503-1509.

［4］刘胜群，吴建奇.循环荷载作用下饱和软黏土孔隙水压力变化规律的试验研究［J］.铁道建筑，2007(1):68-70.

［5］孟庆山，汪稔，刘观仕.动力固结后饱和软土三轴剪切性状的试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，25(24):4025-4029.

［6］SKEMPTON A W.The pore pressure coefficient A and B［J］.Geotechnique，1954，4(4):143-147.