饱和软土K0固结下三轴固结不排水剪试验分析

王小卫

(江苏省建苑岩土工程勘测有限公司，江苏南京210019)

1 概述

规范［1-4］在进行三轴固结不排水剪(cu)试验时对土试样是否进行预固结未做明确规定，岩土工程师们在试验时普遍进行有效自重压力下等压预固结，这显然与土试样原位应力状态不符。不同的预固结压力条件可以得出不同的不排水剪强度指标(c、φ)，所以试验时，应该依据土试样原位应力状态选择预固结压力尤为重要。

取土是一个卸荷、膨胀的力学过程，卸荷、膨胀改变了土的物理力学状态，孔隙比增大，强度降低［5］。天然土层通常是在侧向不变形的条件下固结形成的，即处于K0状态［6］，可见在三轴试验时，使土样在K0条件下预固结，能消除取土过程中的卸荷、膨胀影响，较真实模拟土体的原位应力状态，较准确反映土体的天然强度，而采用有效自重压力下等压预固结有些欠妥，尤其对饱和软土。

基于此，本文从土体的原位应力状态出发分析了有效自重压力等压预固结和K0固结的不同，结合具体试样试验数据，分析了2种不同预固结状态下的固结不排水剪强度指标，并结合十字板原位测试计算固结不排水剪强度，进一步验证了K0固结下的不排水剪强度的合理性。工程实际中，进行K0固结下的不排水剪更能反映土体实际侧限应力状态。

2 土体应力状态分析

2.1 土体原位应力状态分析

地基土体原位应力状态是一种典型的侧限应力状态，即在自重的应力作用下土体不发生侧向变形，只发生竖向变形。竖直面和水平面都不会有剪应力存在，如图1所示。能直接反映原位应力状态特征的参数是静止侧压力系数K0，所以原位应力状态常被称为K0状态［7］。

图1 土体侧限应力状态

2.2 三轴固结不排水剪试验应力状态分析

取土卸荷使原位土体的应力条件发生变化。土样埋藏愈深，卸荷、膨胀的作用愈明显，对强度影响也愈大［5］。不排水剪时采用预固结的方法来消除取土卸荷的影响。等压固结和K0固结采用的是不同应力条件下的固结，如图2所示。在q-p应力平面内，有效自重压力下预固结是先从应力零点，沿p轴固结到a点稳定后，再沿剪切路径ac经过b点到c点破坏。K0固结沿应力零点o到b点固结稳定后沿bc到点破坏。K0固结应力状态反映了土体原位应力状态，所得不排水剪强度能真实反映土体的自然强度。

图2 K0固结与等压固结应力示意图

3 固结不排水剪试验分析

3.1 试验概况

试验样本取之南京长江沉积漫滩相软土，该层软土厚度普遍在15m左右，试样深度8.5m，灵敏度St在6左右，正常固结土。通过室内试验统计，表1为试验土样基本物理力学性质指标。

试验采用应力—应变式三轴仪进行K0固结三轴不排水剪试验，K0固结静止侧压力系数根据室内试验结果取0.60。依据p=(σ1+σ2+σ3)，试样深度8.5m，计算有效自重压力等压预固结压力为47.4kPa。试验围压均采用50、100、200、300kPa。固结和剪切应变速率都按每分钟0.02%进行，取εa=15%时的应力作为破坏应力。

表1 试验土样基本物理力学性质指标

3.2 试验结果分析

根据试验结果绘制主应力差(σ1-σ3)和轴向应变(εa)曲线，图3表明，正常固结饱和软土K0固结cu试验应力—应变关系没有峰值出现；主应力差(σ1-σ3)随着侧向固结应力(σc)的增加而缓慢增加；在σc较小时，对K0固结的土样应力状态影响较小，当在σc增加到足够大时，对土样的破坏起到明显的作用，才使土样发生剪切破坏，分析原因，土样在K0固结状态下的轴向压应力使土样固结得更加密实，在剪切过程中当σc大于K0固结时的轴向压应力时才能改变土样的应力状态。

图3 三轴试验应力应变关系曲线

图4 三轴试验强度包络线

根据试验结果绘制破坏时的强度包络线(图4)，依据摩尔圆计算土体的不排水抗剪总应力强度指标(c、φ)(表2)；可见与有效自重压力等压预固结不排水总应力强度指标相比，K0固结下粘聚力c值小而内摩擦角φ值大；2种不同固结下有效应力强度指标基本相同，这点在文献［8］中已经证实，这里不再比较分析。

表2 三轴固结不排水剪强度指标

3.3 原位十字板试验验证

现场土体原位应力状态下确定土的不排水强度的试验可靠性高的主要为十字板试验。本次十字板试验板高H=100mm，板 厚D=50mm，板 头 常 数K=6/(7πD3)=0.00218cm-2；表3各深度试验深度十字板试验结果统计。

文献［9］给出了十字板确定土的总体抗剪强度τf计算公式：

表3 各深度十字板试验结果统计

式中：Mmax——外加于十字板剪切仪上的最大扭力矩。

学者赵佩胜等［10］在库伦强度公式的基础上依据土的总体抗剪强度τf，利用最小二乘法原理推导出抗剪强度指标(c、φ)计算公式：

式中：ξ——与板高、板厚、静止侧压力系数及土的重度相关的系数。

ξ计算公式：

将表 3 数据代入公式(2)、(3)、(4)计算得：系数ξ=11.57kN/m3，内摩擦角φ=22.1°，粘聚力c=10.4kPa；K0固结下三轴不排水剪强度和十字板试验结果及推算不排水剪强度指标比较接近，进一步说明K0固结更符合土体原位应力状态。

4 结论

本文进行了饱和软土K0固结下三轴不排水剪试验分析，并与有效自重压力等压预固结下三轴不排水剪进行了对比分析，通过现场十字板原位测试对K0固结下三轴不排水剪试验指标进行验证，得到如下结论：

(1)正常固结饱和软土K0固结三轴不排水剪试验应力—应变曲线没有峰值出现；主应力差随着侧向固结应力的增加而缓慢增加。

(2)饱和软土K0固结与等压固结下不排水总应力强度指标相比，K0固结下粘聚力c值小而内摩擦角φ值大。

(3)K0固结三轴不排水剪强度和十字板试验结果计算强度指标比较接近。