考虑围压因素的重塑粉质粘土的力学特性试验研究

邓博　任青　徐伟

摘 要：本文对海洋重塑粉质黏土进行一系列不排水单调加载试验，考虑围压因素，研究不同加载围压和不同固结围压下饱和粉黏土静力特性。试验结果表明，随着围压增大，偏应力增长趋势越快，峰值更高，同时土体剪切存在轴向应变临界值0.4%。在低围压下孔压应变关系呈双曲线型变化，在高围压下孔压存在峰值且孔压应变呈非双曲线变化。

关键字：粉质黏土;固结围压;加载围压;力学特性

中图分类号：TU43            文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）10-0118-03

1 研究背景

本文以东海大桥海上风电场项目为课题背景，研究海洋粉质黏土的力学特性。海洋粉质黏土位于海上风电场桩基础的持力层，具有高含水率、大孔隙比、高压缩性和低强度等特性[1]，对这层土力学特性的研究具有重要的理论意义和实用价值。

本文采用GDS标准应力路径静三轴仪，对重塑饱和粉质粘土开展不同固结围压和不同加载围压的不排水单调加载试验。分析围压对土体应变、孔压、应力路径的影响。

2 土样参数与试验方案

本文研究中所用土样取自于东海大桥东部海域的ZK-56-2钻孔的粉质粘土。重塑粉质黏土的质量密度为ρ=1.96g/cm3，含水率w=20%，相对密度GS=2.69，重塑土样制备参考《土工试验规程》（SL237-017-1999），将粉质粘土烘干碾碎过筛，按含水率23.5%配土，试样直径38mm、高80mm。重塑土样制作完成后，立即进行抽气饱和，当真空度接近当地1个大气压后，继续抽气2h，然后注入清水，静置12h。真空饱和后，进行分级加压方式的反压饱和，反压压力分3级（l00kPa，200kPa，300kPa）施加，待B> 0.98确认试样饱和完成。试验方案见表1。偏压固结比确定为1.3，其中为有效固结轴压，为有效固结围压，为单调加载时的围压。

3 试验结果及分析

3.1 应力-应变关系

在不同偏压固结围压和加载围压情形下的应力-应变关系如图1和图2所示，图3和图4为其局部放大的应力-应变曲线图，其中，q为三轴单调加载试验下的偏力，计算公式如下：

图中，f为轴向应变，为实验过程中单调加载的轴向荷载。

图1和图3表明，当土体经历相同固结过程后，在单调三轴试验中，土体弹性变形阶段的应力-应变关系发展趋势几乎相同，而土体塑性变形阶段下的应力-应变关系发展则会受到加载围压的影响，加载围压越大，应力-应变关系增长趋势越快。

图2和图4表明，当土体经历不同固结过程后，在单调三轴试验中，土体应力-应变关系发展趋势受到固结围压的影响。随着固结围压的增加，土体弹性变形状态下的应力-应变关系增长趋势越快，土体出现强度硬化现象;然而，随着固结围压的增加，土体塑性变形状态下的应力-应变关系增长趋势渐缓，在360kPa的高围压情况下甚至出现应力随应变衰减的情况，土体强度硬化现象逐渐消失甚至出现强度弱化的情况。

对比图1、图2、图3和图4从中可以看出，饱和粉质粘土在单调加载下的应力-应变关系可划分为2个阶段：

（1）当轴向应变<0.4%时，应力-应变关系近似为直线，土体处于初始线弹性变形状态，试样破坏较小;

（2）当轴向应变>0.4%时，应力-应变关系表现为非线性，且随着应变的增加，应力-应变关系的变化趋势逐渐平缓，土体塑性变形比例增加，随着应变的增长试样破坏表现的越来越明显。

3.3孔压-应变关系

土体在不同围压情况下的孔压和轴向应变关系如图3-5所示，其中为剪切过程中产生的超静孔隙水压力。从图中可以看出，在不同固结围压和加载围压情况下，孔压-轴向应变关系的变化呈现出两种发展趋势：

（1）双曲线型趋势：在高加载围压情况下，如图5-（b）、图5-（c）、图5-（e）和图5-（f）所示，孔压随轴向应变的增加而呈现出双曲线型的變化趋势，最终孔压数值趋近于稳定。

（2）非双曲线型趋势：在低加载围压情况下，如图5-（a）和图5-（d）所示，孔压随轴向应变的增加而呈现出先增加后减小的变化趋势，且在轴向应变=5%时，孔压达到最大值。

然而，低加载围压情况下，在孔压达到峰值前，即当轴向应变<5%时，孔压随轴向应变的增加是按照双曲线型趋势变化发展的。

对比总结图5-（a）、图5-（b）、图5-（c）和图5-（d）发现，加载围压越大孔压值也越大。

但是图5-（b）和图 5-（e）相比时发现加载围压=240kPa时的孔压比加载围压=200kPa时的小，这是因为前者的固结围压大于后者，土样在高固结围压下充分排水固结，土体孔隙率较小，产生的孔压数值相对教小。这个规律也体现在图5-（d）、图5-（e）和图5-（f）中，固结围压越高，不排水单调三轴试验中试样产生的孔压越小。

4 结论

（1）不同固结围压和不同加载围压下饱和粉质粘土试样的应力-应变关系表现出一定的不同。固结围压增大，相同应变下土体的偏应力也随之增大，峰值强度也更高，土体应力-应变关系增长趋势越快。

（2）饱和粉质粘土在不排水三轴单调加载试验下的应力-应变关系经历弹性和塑性变形阶段，临界轴向应变取值为0.4%。弹性变形阶段，土体应力-应变关系不受加载围压大小的影响，只与土体固结围压有关。固结围压越大，弹性变形阶段下的应力-应变关系增长趋势越快。塑性变形阶段，无论围压如何，土体应力-应变关系趋势都随着轴向应变的增长而渐缓。

（3）孔压-轴向应变关系的变化呈现出低加载围压时的双曲线型变化和高加载围压下非双曲线型变化的两种趋势。非双曲线变化趋势下，孔压在轴向应变= 5%时达到峰值。加载围压增大孔压值随之增大，而固结围压增大孔压值随之较小。

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