山东德州地区粉质黏土真三轴不排水抗剪性能

杨康康，柴寿喜，王 沛，严江胜，刘 琦

（1.天津城建大学，天津300384；2.天津市天泰建筑设计院，天津300000）

目前，对于土体力学参数的研究主要基于无侧限压缩和常规三轴试验，这些试验所施加的应力为单向压缩及轴对称应力状态，而实际工程中土体受三向大小各异的应力状态[1].而且，国内真三轴研究主要集中在砂土[2-3]、黄土及软黏土.因此，采用真三轴仪开展不同围压和不同中主应力系数b条件下粉质黏土的土体力学性质的试验对理论研究、工程设计具有重要意义.

Lade[4]、Nakai[5]、Hoyos[6]等开展了砂土、黏土及软土的真三轴试验，得出中主应力对土体强度及变形影响较大.李广信[7]较早开展了真三轴试验.许萍、张新涛等[8-15]得出：应力随应变增大趋于平稳，表现为应变硬化，随中主应力系数b增大，峰值应力先增大后减小，峰值应力最大时的b值分别为0.5，0.75，0.8，1；相同b值时应力-应变曲线的初始斜率和峰值强度随固结压力增大而增大.邵生俊等[16-17]对黄土研究得出：围压和b值较小时表现为软化，围压较大时则表现为硬化.

张新涛[9]研究得出：随b值增大孔压先增大后减小，而孙红[13]认为，孔压随b值增加而增大.代金秋等[12-15]认为：强度参数随b值和围压增加而增大.刘俊新[15]认为：内摩擦角随b值增大先增加后减少，b=0.75时内摩擦角最大.毛浩燃、潘家军等[10-15]研究认为：小主应变-大主应变曲线斜率随b值而增大，b值越大小主应力面膨胀越大；中主应变有正负之分且随b值增大由膨胀变为压缩.其中，毛浩燃[10]得出：b=0.4时，ε2接近于0.刘俊新等[15-17]研究得出：试样破坏形式有侧胀、锥形、梯形和六边形.

应力和孔压随应变增大而增大并趋于稳定，曲线初始斜率随b值增大，先增大后减小，峰值应力和峰值孔压最大值时的b值不同.小主应变随b值增加而增大，中主应变随b值增大由膨胀变为压缩.试样破坏形式也有所不同.

本文对德州粉质黏土进行不同围压和不同中主应力系数条件下固结不排水剪切试验，分析了真三轴应力状态下粉质黏土应力和孔压曲线变化规律、抗剪强度、主应变及试样破坏.对不同围压和不同中主应力系数条件下粉质黏土的力学性质有了规律性的认识，为该地区工程设计提供参考.

1 真三轴试验

1.1 试验仪器

图1 DZY-Z-2型真三轴试验仪

大主应力σ1采用刚性板加载；中主应力σ2采用柔性水囊加载；小主应力σ3采用空气压缩加载.该仪器可实现3个方向应力σ1、σ2、σ3的分别单独加载，互不干扰，实现三维应力空间中不同应力路径的试验要求.

1.2 试验条件

（1）利用方形环刀将土样切成120 mm×70 mm×70 mm的长方体试样.

（2）将带环刀的试样两端贴上滤纸，放入真空缸进行抽真空饱和.然后利用推土器将试样推出，在试样侧面都贴两条滤纸条，形成联通的通道以便固结时充分排水.

（3）安装好试样，密封压力室.先施加反压为1 kPa的预压，以保证固结时排出的水仪器能自动收集.再施加试验方案所设定的围压，使试样进行等向排水固结，直至排水量不再发生变化为止.

（4）固结完成后，关闭上下排水阀，按照试验设定的加载数据对土样进行等应变速率剪切.以应力出现峰值或轴向应变达到15%为试验结束标准.实验的加载方式为变形加载，实验参数具体组合见表1.

表1 试验控制条件

中主应力系数b是反映中主应力σ2大小的参数，加载过程中保持b值不变；在每次试验中保持小主应力σ3大小不变；当大主应力σ1增加时，通过控制系统实现σ2自动调节，使b值保持不变.

2 试验结果分析

2.1 应力-应变与孔压-应变

图2分别代表不同围压条件下不同b值的应力-应变曲线与孔压-应变曲线.

图2 应力-应变与孔压-应变曲线

（1）主应力差和孔压随剪切应变增大而增大并趋于稳定.相同围压下随b值增大曲线初始斜率先增大后减小，b=0.75时峰值应力和峰值孔压最大.其中，围压为50 kPa和100 kPa时，b=1的峰值应力和峰值孔压低于b=0.75；围压为150 kPa和200 kPa时，b=1的峰值应力和峰值孔压低于b=0.相同b值随围压增大峰值应力和峰值孔压都增大.

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（2）由应力-应变曲线可知试样呈现出应变硬化的特征.相同围压下应力-应变曲线的初始斜率随b值先增大后减小，b=0.75时曲线初始斜率最大，这表明中主应力对应力-应变曲线是有影响的.

（3）孔压是由剪切变形引起的，故孔压随应变的变化规律与应力曲线相似.孔压在轴向应变初期迅速上升，随后保持稳定，试验得出的孔压变化情况表明土样在剪切过程中呈剪缩特性.相同围压下孔压-应变曲线的初始斜率随b值的增大先增大后减小，b=0.75时曲线初始斜率最大，这表明中主应力对孔压也是有影响的.

2.2 黏聚力和内摩擦角

图3为根据试验数据绘出应力莫尔圆切线得出的不同中主应力系数土体的黏聚力和内摩擦角曲线.升.因为随b值增加土体所受的球应力增加，土颗粒之间所受约束力就增加，土的黏聚力就增加.随b值增大内摩擦角先增大后减小，b=0.5时内摩擦角最大.b值在0至0.5时土的内摩擦角随b值增大而增大，因为b值增大使土颗粒被压得更紧实，增加了土颗粒间咬合作用，摩擦作用也增强，土的内摩擦角就增大；b值在0.5至1时土的内摩擦角随b值增大而减小，甚至b=1时内摩擦角小于b=0的内摩擦角.这是因为土体在中主应力的作用下沿σ2方向发生了结构破坏，导致土的内摩擦角降低.

图3 不同中主应力系数黏聚力和内摩擦角曲线

2.3 主应变

随b值的增大土的黏聚力随之增大，b值在0至0.5时土体黏聚力增加缓慢，在0.5至1时呈直线上

2.3.1 小主应变与大主应变

小主应变ε3与大主应变ε1的关系曲线如图4所示.由图4可知：小主应变随大主应变的增大而减小，即随大主应变的增大在小主应变方向膨胀变形增加.相同围压下随b值增大小主应变曲线斜率增大.相同b值下随围压增大小主应变斜率减小，此结果与孙红等人的试验结果有所不同.围压越大土颗粒被压得更加紧实，土颗粒间摩擦和联结作用增强，抗剪切变形能力就有所提高，故随围压增大在相同的轴向应变下小主应变就会减小.

图4 不同围压下ε3-ε1关系曲线

2.3.2 中主应变与大主应变

图5为中主应变（ε2）与大主应变（ε1）关系曲线.根据测定的σ2方向流量变化，计算出σ2方向的平均位移量，据此算出中主应变.

图5 不同围压下ε2-ε1关系曲线

由图5可知：相同围压下随b值增大中主应变由负值变为正值，说明土样在中主应力方向上由膨胀变为压缩.b=0.5时中主应变接近于0，可以看作是平面应变，故b=0.5可看作是试样由膨胀变为压缩的转折点.相同围压下b值在0至0.5时随b值增大膨胀程度变小，b值在0.5至1时随b值增大压缩程度增大.相同b值下随围压增大曲线斜率减小，可知无论膨胀还是压缩的程度都是减小的.

2.4 试样破坏形态

图6为200 kPa围压下不同b值的试样破坏形态.

图6 围压200 kPa时试样破坏形态

b=0时：试样在小主应力作用面和中主应力作用面同时发生膨胀，表现出侧胀破坏（见图7a）.b=0.25～1时：土样在中主应力作用面上出现两个上下对立的锥形，表现为锥形破坏（见图7b）.图中滤纸条的变形是试样发生剪切破坏引起的.

图7 试样破坏形态

在σ3方向，随b值增大土样侧胀明显；在σ2方向，b=0.25和b=0.5时土样发生膨胀，b=0.25的膨胀量大于b=0.5的膨胀量；b=0.75和b=1的土样向内凹陷，随b值增大试样的凹陷增大，且锥形也越明显.此破坏方式与于清高[17]的黄土研究结果一致.

3 结论

（1）应力和孔压随应变增大而增大并趋于稳定.相同围压下，随b值增大曲线初始斜率先增大后减小，b=0.75时峰值应力和峰值孔压最大.随着围压增大，相同b值下的峰值应力和峰值孔压都增大.

（2）随b值增大，土的黏聚力随之增大，内摩擦角先增大后减小，b=0.5时内摩擦角最大.

（3）小主应变随大主应变的增大而减小；相同围压下，随b值增大小主应变曲线的斜率增大；中主应变由负值变为正值；b=0.5时，ε2接近于0；相同b值下随围压增大，小主应变和中主应变斜率减小.

（4）b=0时，试样小主应力和中主应力作用面同时发生膨胀.b=0.25～1时，在σ3方向随b值增大，土样侧胀越明显；在σ2作用面上出现两个上下对立的锥形，随b值增大锥形越明显.