摘要
原位软土处于K0固结状态因此变形具有显著的非线性和各向异性,然而室内三轴剪切试验通常采用等向固结方式,目前对K0固结和等向固结两种方式下不排水剪切的模量Eu的差别还未系统的对比总结过。采用上海软黏土的原状土样和重塑土样,进行了三轴等向固结压缩(ICUC)、K0固结压缩(ACUC)和K0固结拉伸(ACUE)三种不排水剪切试验,对比分析了应力‒应变曲线、不排水模量Eu的非线性特性以及双曲线模型的参数值。研究结果表明,同等应变下ICUC试验的Eu与ACUE试验相近,但要大于ACUC试验值;ACUC试验与ACUE试验具有相近的初始模量和破坏比。结合试验结果和双曲线模型,推导给出了适用于这三种试验的归一化模量的统一表达式,并给出了上海软黏土的参数值。
在软土不排水剪切变形的总应力法分析中,当采用等效线弹性模型时需要确定弹性模量E和泊松比μ两个参数。由于不排水剪切情况下泊桑比μ为0.5,因此根据土体的变形大小确定合适的不排水模量Eu就成为重点。原位软土处于K0固结状态,其不排水剪切变形具有明显的非线性与各向异性特
三轴剪切试验是研究土体不排水剪切变形特性的重要手
本文采用应力路径三轴仪,对上海软黏土原状土样与重塑土样进行K0固结与等压固结的三轴不排水剪切试验,对比两种固结模式下的应力‒应变曲线和不排水模量的大小,并给出基于双曲线模型的不排水模量的统一表达式。研究成果可为计算分析中软土不排水模量的合理确定提供依据。
试验土样采用上海软黏土。原状土样取自上海某地铁车站基坑,取土深度为10 m,为上海第四层淤泥质黏土,将直径为35 cm、高为20 cm的PVC(聚氯乙烯)管压入坑底土中取得质量较高的块状土样。由常规土工试验得到的物理性质见
含水率w | 液限 wL | 塑限 wP | 塑性指数Ip | 重度 Gs | 颗粒级配 | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|
黏土 | 粉土 | 砂土 | |||||
47 % | 43 % | 19 % | 24 | 2.75 | 30 % | 70 % | 0 |
三轴试验采用英国GDS公司生产的应力路径三轴仪,试验方案见
试验编号 | 孔隙比 ec | 围压σ′rc /kPa | 轴压σ′vc /kPa | 破坏偏应力qf /kPa | 不排水抗剪强度cu /kPa | 归一化强度cu /σ′vc | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
ICUC | NIC1 | 1.100 | 150 | 150 | 112 | 56.2 | 0.37 |
NIC2 | 0.940 | 300 | 300 | 185 | 92.3 | 0.31 | |
RIC1 | 0.729 | 200 | 200 | 143 | 71.6 | 0.36 | |
RIC2 | 0.675 | 390 | 390 | 269 | 134.7 | 0.35 | |
ACUC | NAC1 | 1.260 | 55 | 109 | 77 | 38.4 | 0.35 |
NAC2 | 1.100 | 105 | 200 | 120 | 60.1 | 0.30 | |
RAC1 | 0.855 | 55 | 106 | 65 | 32.5 | 0.31 | |
RAC2 | 0.765 | 127 | 248 | 152 | 76.1 | 0.31 | |
ACUE | NAE1 | 1.254 | 60 | 112 | -55 | 27.4 | 0.24 |
NAE2 | 1.102 | 100 | 200 | -89 | 44.5 | 0.22 | |
RAE1 | 0.868 | 50 | 95 | -47 | 22.8 | 0.24 | |
RAE2 | 0.765 | 130 | 250 | -106 | 53 | 0.21 |

图1 三种不排水剪切试验的q⁃εa曲线
Fig. 1 q⁃εa curves obtained by three types of undrained shear tests
统一以轴向应变εa=10 %为破坏标准得到的破坏偏应力qf(即σvf-σrf,为破坏时轴压减去破坏时围压)、不排水抗剪强度cu(即|qf|/2)以及归一化强度cu/σ′vc见
不排水模量Eu(割线模量)的定义为Eu=|q-q0|/εa,其中q0为初始偏应力(即σ′vc-σ′rc,为初始轴压减去初始围压),不排水模量Eu与不排水剪切模量Gu的关系为Gu=Eu/3。由于模量具有非线性,工程应用中通常采用Eu50,即偏应力q=qf/2对应的割线模量。

图2 确定Eu50示意图
Fig. 2 Illustration of determination of Eu50
试验 类型 | 试验 编号 | Eu50 (MPa) | Eu50/σ′vc | Eu50/cu | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
实测值 | 平均值 | 实测值 | 平均值 | ||||
ICUC | NIC1 | 9.1 | 60.45 | 69.2 | 153.8 | 203.5 | |
NIC2 | 23.4 | 77.89 | 253.2 | ||||
RIC1 | 11.2 | 56.50 | 44.5 | 156.3 | 124.9 | ||
RIC2 | 12.6 | 32.45 | 93.5 | ||||
ACUC | NAC1 | 5.8 | 52.82 | 53.8 | 165.3 | 173.4 | |
NAC2 | 10.9 | 54.54 | 181.5 | ||||
RAC1 | 9.3 | 87.67 | 99.5 | 286.1 | 327.55 | ||
RAC2 | 27.6 | 111.39 | 369.6 | ||||
ACUE | NAE1 | 5.0 | 44.23 | 39.3 | 193.7 | 173.9 | |
NAE2 | 6.9 | 34.31 | 154.1 | ||||
RAE1 | 9.0 | 94.79 | 89.3 | 394.3 | 385.3 | ||
RAE2 | 20.9 | 83.78 | 376.3 |
由
为了反映不同试验中不同固结压力下模量的非线性和归一化特性,本文分别采用了三种归一化方法:Eu/σ′vc、Eu/Eu50和Eu/cu。图

图3 三种试验得到的Eu /σ′vc⁃ εa曲线
Fig. 3 Eu/σ′vc ⁃ εa curves obtained by three types of tests

图4 三种试验得到的Eu /Eu50 ⁃ εa曲线
Fig. 4 Eu /Eu50 ⁃ εa curves obtained by three types of tests

图5 三种试验得到的Eu/cu ⁃ εa曲线
Fig. 5 Eu/cu ⁃ εa curves obtained by three types of tests
从
轴向应变 εa / % | 归一化模量Eu/σ′vc | ||
---|---|---|---|
ICUC试验 | ACUC试验 | ACUE试验 | |
0.1 | 130 | 80 | 160 |
0.5 | 65 | 30 | 80 |
1 | 50 | 18 | 50 |
Konde
(1) |
式中:参数a为初始模量Ei的倒数,即a=1/Ei ;b为极限偏应力qult的倒数,即b =1/qult。双曲线模型在K0固结土中的应用也受到了大量关
(2) |
式中:参数a的定义同上,但注意由于初始剪应力q0的存在,b的表达式与等向固结下略有不同。根据
ICUC和ACUC试验
Rf=(2cu-q0)/(q-q0)ult | (3a) |
ACUE试验
Rf=(-2cu-q0)/(q-q0)ult | (3b) |
当初始剪应力=0时,
(4) |
因此,将三轴试验结果整理给出εa/(q-q0) ⁃ εa关系曲线,就可以根据其截距和斜率分别得到参数a和b,并进而得到初始模量Ei(=1/a)和破坏比Rf(ICUC和ACUC试验Rf=b(2cu-q0),ACUE试验Rf=-b(2cu+q0))。三种试验得到的εa/(q-q0) ⁃ εa关系曲线如

图6 三种试验得到的εa /(q-q0) - εa关系曲线
Fig. 6 εa/(q-q0) - εa curves obtained by three types of tests
试验 类型 | 试验 编号 | a | b | Rf | Eui /MPa | Eui/σ′vc | Eui/Eu50 | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
实测值 | 平均值 | 实测值 | 平均值 | ||||||
ICUC | NIC1 | 0.059 | 0.083 | 0.93 | 16.9 | 113 | 139 | 2.01 | 2.05 |
NIC2 | 0.020 | 0.519 | 0.96 | 49.0 | 163 | 2.09 | |||
RIC1 | 0.045 | 0.066 | 0.96 | 22.2 | 112 | 88 | 1.98 | 1.96 | |
RIC2 | 0.041 | 0.033 | 0.89 | 24.4 | 63 | 1.94 | |||
ACUC | NAC1 | 0.105 | 0.404 | 0.89 | 9.5 | 87 | 77 | 1.65 | 1.51 |
NAC2 | 0.075 | 0.343 | 0.91 | 13.3 | 67 | 1.37 | |||
RAC1 | 0.059 | 0.698 | 0.97 | 15.4 | 145 | 147 | 1.66 | 1.49 | |
RAC2 | 0.027 | 0.327 | 0.97 | 37.0 | 149 | 1.34 | |||
ACUE | NAE1 | 0.105 | -0.084 | 0.89 | 9.5 | 85 | 74 | 1.92 | 1.87 |
NAE2 | 0.075 | -0.053 | 0.89 | 12.5 | 63 | 1.82 | |||
RAE1 | 0.059 | -0.108 | 0.96 | 15.4 | 161 | 155 | 1.71 | 1.74 | |
RAE2 | 0.027 | -0.046 | 0.95 | 37.0 | 148 | 1.77 |
可以看出,ACUC与ACUE试验的a值非常接近,表明初始剪切模量Eui基本相同。ACUC和ACUE试验中原状土的Eui/σ′vc约为75,显著小于ICUC试验结果(约140),而重塑土的要大于ICUC试验结果。这些规律与前面给出的Eu50的规律基本相同。这些试验结果表明,土的结构性以及固结状态对初始模量Eui影响显著。对于原状软黏土,采用ICUC试验会高估K0固结土的Eui/σ′v约80 %;而重塑土具有相反的规律。由
根据
从3.1节给出的试验结果来看,三种试验结果均符合双曲线模型,因此理论上可以通过双曲线模型获得归一化模量的表达式。由于Eu50是广泛采用的一个设计参数,且与Eui具有很好的相关性,因此本文采用的归一化参数为Eu50,而不是其他学者普遍采用的c
(5) |
因此归一化模量Eu50/Eu可以表示为
(6) |
其中εa50为模量Eu50对应的轴向应变。
将a=1/Eui、b=Rf/±(2cu-q0)、εa50=(±2cu-q0)/(2Eu50)代入
(7) |
其中2cu前面的负号对应ACUE试验,正号对应ICUC和ACUC试验。由于Eui=2Eu50,因此
(8) |
(9) |
根据试验结果整理出三种试验的Eu50/Eu - εa关系曲线,另外将试验得到的Eu50/σ′vc、cu/σ′vc和Rf代入

图7 实测与理论的Eu50 /Eu - εa曲线
Fig. 7 Measured and theoretical curves of Eu50/Eu - εa
由
(10) |
其中:
(11) |
参数k反映归一化模量Eu50/Eu的大小,这个参数值越大,表明相同应变下的Eu50/Eu也越大。其中参数Eu50/σ′vc、cu/σ′vc可以采用一些经验的数值。注意其中2cu前面的负号对应ACUE试验,正号对应ICUC和ACUC试验。对于上海软黏土可以采用本文提供的归一化模量值来计算参数k值,其结果为:
① ICUC试验,原状土k=102,重塑土k=63;
② ACUC试验,原状土k=336,重塑土k=711;
③ ACUE试验,原状土k=-43.2,重塑土k=-98。
对于Rf 建议取平均值0.93。
采用上海软黏土原状土样与重塑土样进行了三轴ICUC、ACUC与ACUE试验,对比研究了K0固结和等向固结下不排水剪切变形的非线性变形特征和不排水模量,研究了归一化模量的统一表达式,得到的结论如下:
(1)ICUC试验与ACUC试验的归一化强度cu/σ′vc相差不大,约为0.33;ACUE试验的归一化强度约为0.22,约为ICUC试验与ACUC试验的0.7倍。三种剪切实验的q - εa 曲线均呈应变硬化型,ACUE试验的非线性特性最突出。
(2)同等应变水平下ICUC试验与ACUE试验的Eu/σ′vc相近,均显著大于ACUC试验的结果。因此,采用常规的ICUC试验会在一定程度上高估主动破坏(即ACUC试验)下的模量。ACUC试验与ACUE试验具有相同的Eui/σ′vc,破坏比Rf也差别不大。
(3)三种试验得到的应力应变曲线以及归一化模量Eu/Eu50可统一采用本文给出的公式表示,需要的参数为Eu50/σ′vc、cu/σ′vc和Rf。文中给出了上海软粘土的参数值,可用于不排水剪切变形分析中模量的确定。
作者贡献声明
高彦斌:研究构思,室内试验,理论分析。
罗文康:数据分析,图表制作,稿件撰写。
李泳键:文字校对,稿件修订。
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