摘要：采用人工制備土方法和固結(jié)不排水(CU)剪三軸試驗(yàn)開展研究.通過在寧波濱海粉質(zhì)黏土中加入少量水泥和鹽粒構(gòu)造多組結(jié)構(gòu)性強(qiáng)弱不同的人工結(jié)構(gòu)性土，固結(jié)不排水剪三軸試驗(yàn)結(jié)果表明：水泥摻量為2%的試樣的結(jié)構(gòu)性與寧波原狀粉質(zhì)黏土最為接近，達(dá)到了利用人工制備結(jié)構(gòu)性土來模擬原狀土的效果.

　　隨著水泥摻量的增加，人工結(jié)構(gòu)性土的有效黏聚力近似呈指數(shù)形式增長(zhǎng)，有效內(nèi)摩擦角沒有明顯變化，初始變形模量增大.在相同圍壓下，隨著土體結(jié)構(gòu)性的增強(qiáng)，試樣更易發(fā)生應(yīng)變局部化并出現(xiàn)剪切帶破壞;應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)軟化，峰值點(diǎn)應(yīng)力增大且對(duì)應(yīng)軸向應(yīng)變呈減小趨勢(shì).對(duì)于同一種土體，結(jié)構(gòu)性差異對(duì)剪切帶傾角值影響不大，Mohr-Coulomb理論對(duì)剪切帶傾角的預(yù)估值與實(shí)測(cè)值較為吻合.

　　關(guān)鍵詞：人工制備結(jié)構(gòu)性土;寧波濱海粉質(zhì)黏土;應(yīng)變局部化;剪切帶傾角;固結(jié)不排水剪三軸試驗(yàn)

　　土體結(jié)構(gòu)性是指土體顆粒的組成、形狀、大小和特征，以及土粒在空間的排列形式、孔隙狀況及粒間接觸和聯(lián)結(jié)特征的總和，作為天然土的固有屬性，結(jié)構(gòu)性對(duì)土的力學(xué)特性具有很大影響[1-3].特別是強(qiáng)結(jié)構(gòu)性的濱海軟土地基，在基坑開挖、盾構(gòu)掘進(jìn)等施工擾動(dòng)影響下，土體結(jié)構(gòu)性減弱、強(qiáng)度降低、變形持續(xù)增加，容易引發(fā)土體的漸進(jìn)性失穩(wěn)破壞.

　　因此，弄清土體的結(jié)構(gòu)性及其與應(yīng)變局部化現(xiàn)象間的聯(lián)系，是推演濱海軟弱土工程漸進(jìn)性失穩(wěn)災(zāi)變過程的關(guān)鍵[4-8].土體結(jié)構(gòu)性已得到廣泛的理論與試驗(yàn)研究，特別是后者，其試樣獲取途徑主要有2種：一種是現(xiàn)場(chǎng)取原狀土，另一種是人工配制結(jié)構(gòu)性土.對(duì)于原位取土，學(xué)者們通過室內(nèi)單元體試驗(yàn)研究了不同應(yīng)力狀態(tài)下的土樣強(qiáng)度、變形特性及其與結(jié)構(gòu)性的關(guān)聯(lián)性[9-12].

　　該方法的不足之處在于結(jié)構(gòu)性完好的原狀樣難以獲取，土樣在運(yùn)輸和存放過程中結(jié)構(gòu)性易受擾動(dòng)，并且原狀樣中可能夾雜礫石、樹根等，使得土樣均一性無法得到保證，給試驗(yàn)結(jié)果帶來影響.為此，國外學(xué)者基于土體的孔隙和膠結(jié)特征，提出人工配制結(jié)構(gòu)性土.例如，Zhang等[13-14]通過在黏土中摻入水泥來制備有黏結(jié)作用的結(jié)構(gòu)性土，Bharati等[15]將新加坡海積土和銅渣、水泥等混合，形成人工結(jié)構(gòu)性土.國內(nèi)一些學(xué)者通過在土體中添加水泥、冰�；蛩�泥、鹽粒等方式構(gòu)造土體結(jié)構(gòu)性[16-18].

　　上述文獻(xiàn)報(bào)道主要側(cè)重于人工結(jié)構(gòu)性土的制備方法及性質(zhì)研究.工程中常碰到不同擾動(dòng)程度(不同結(jié)構(gòu)性)下土體力學(xué)特性的變化及其對(duì)工程本身的影響問題，例如基坑開挖不同階段的坑后土體及對(duì)基坑變形和穩(wěn)定性的影響;此外，由于現(xiàn)場(chǎng)獲取不同擾動(dòng)程度的土體十分困難，模型試驗(yàn)中需借助于人工制備結(jié)構(gòu)性土.

　　因此，對(duì)于具有不同結(jié)構(gòu)性的人工制備土的工程性質(zhì)及與原狀土的差異研究具有重要意義.邊坡失穩(wěn)或基坑、隧道等的坍塌通常伴隨應(yīng)變局部化現(xiàn)象，表現(xiàn)為土體中剪切帶的產(chǎn)生及其擴(kuò)展，直至巖土體沿著某些變形集中帶滑動(dòng)破壞.研究表明，土體結(jié)構(gòu)性是誘發(fā)該現(xiàn)象的重要因素之一[19].通常將土體假定為均勻介質(zhì)，利用分叉理論并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，建立土體應(yīng)變局部化判別條件[20-21].

　　但土體不同于一般固體材料，比如金屬、混凝土等，其由顆�；蝾w粒團(tuán)聚體的定向排列、黏結(jié)而成，具有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性和非均質(zhì)特性.為此，學(xué)者們針對(duì)原狀土開展了應(yīng)變局部化研究，如Gylland等[22]討論了靈敏性土在不同剪切速率下的應(yīng)變局部化產(chǎn)生與擴(kuò)展規(guī)律，蔣剛等[23]分析了原狀粘性土剪切帶傾角隨圍壓和含水率的變化情況，但對(duì)不同結(jié)構(gòu)性土的應(yīng)變局部化規(guī)律研究較少.

　　本文以寧波典型軟弱原狀土以及人工制備的具有不同結(jié)構(gòu)性的土體為研究對(duì)象，利用固結(jié)不排水剪三軸試驗(yàn)，分析人工結(jié)構(gòu)性土對(duì)原狀土的模擬效果以及不同結(jié)構(gòu)性土的力學(xué)特性差異，揭示結(jié)構(gòu)性變化對(duì)濱海軟土應(yīng)變局部化的影響，旨在為不同擾動(dòng)程度的土體對(duì)工程影響的研究及模型試驗(yàn)中人工結(jié)構(gòu)性土的制備奠定基礎(chǔ).

　　1原狀土特性及人工結(jié)構(gòu)性土制備

　　1.1原狀土特性

　　試驗(yàn)用土取自寧波慈溪市某工地，取土深度為32~34m，屬于晚更新世晚期的海積粉質(zhì)黏土，土樣呈灰、深灰色，軟塑-軟可塑狀態(tài)，具有中-高壓縮性，為寧波地區(qū)典型深部軟土層，Gs為土粒比重，w為含水率，e為孔隙比，γ為重度，ρd為干密度，wL為液限，wP為塑限.

　　1.2人工結(jié)構(gòu)性土制備

　　借鑒文獻(xiàn)[17]的結(jié)構(gòu)性土制備方法，在重塑土中加入水泥，利用水泥的水化作用建立起土顆粒間的膠結(jié)，添加適量食用鹽后又將其溶解以構(gòu)造大孔隙，分別反映結(jié)構(gòu)性土體的粒間作用力特征和組構(gòu)特征.具體方法如下：以原狀土的干密度為控制指標(biāo)，在各土樣干密度相同的前提下，改變水泥摻量(記為aw)及對(duì)應(yīng)的粉質(zhì)黏土占比(記為mc)，并添加鹽粒(鹽粒質(zhì)量為相對(duì)于粉質(zhì)黏土和水泥總質(zhì)量的8%)以構(gòu)造具有不同結(jié)構(gòu)性的土樣.其中，粉質(zhì)黏土已烘干并過孔直徑為0.5mm的篩，水泥型號(hào)為525#硅酸鹽水泥，鹽粒由大粒徑的食用鹽碾碎并過0.5mm的篩子制成.

　　1)將混合均勻的干燥混合料按照與原狀樣相同的干密度(1.29g/cm3，鹽粒摻量不計(jì)入)裝入制樣器中，分5層擊實(shí)，再加入適量的水并將試樣置于潮濕環(huán)境中達(dá)到初凝.2)把裝有土樣的飽和器放入流動(dòng)的水中進(jìn)行滲水，將人工濱海結(jié)構(gòu)性土中的鹽粒溶解帶走.

　　3)滲透過程持續(xù)大概1d后，試樣中鹽分基本溶解完全，形成具有膠結(jié)作用和大孔隙組構(gòu)的結(jié)構(gòu)性土.4)將試樣進(jìn)行抽氣飽和，完成后把試樣放在無氣水中浸泡1d.為便于對(duì)比，確保各試樣的水泥水化硬化時(shí)間均為3d.

　　2三軸試驗(yàn)方案

　　本試驗(yàn)采用英國GDS應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，試樣直徑為50mm，高100mm.設(shè)定剪切破壞標(biāo)準(zhǔn)如下：當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線為應(yīng)變軟化型時(shí)，取峰值應(yīng)力qpeak為破壞強(qiáng)度;當(dāng)應(yīng)變硬化型時(shí)，以軸向應(yīng)變ε=15%時(shí)對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力差為破壞強(qiáng)度.為了便于對(duì)比，對(duì)包含原狀土(記為A)、重塑土(記為B)和人工結(jié)構(gòu)性土在內(nèi)的共6種試樣均開展25、50、100、200kPa圍壓下的固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)(CU)，剪切速率為0.1mm/min.

　　3試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　3.1應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及孔壓特性

　　原狀粉質(zhì)黏土和對(duì)應(yīng)的重塑樣、不同水泥摻量的人工結(jié)構(gòu)性土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，其中σ1為CU試驗(yàn)的大主應(yīng)力，σ3為小主應(yīng)力，σ1−σ3即為偏應(yīng)力.人工結(jié)構(gòu)性土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線規(guī)律性良好;隨著圍壓增大，6種土樣的偏應(yīng)力都相應(yīng)增大;原狀土樣以及C2.0土樣在4種圍壓下均表現(xiàn)為應(yīng)變軟化.為了更好地評(píng)價(jià)人工結(jié)構(gòu)性土對(duì)原狀土的模擬效果。

　　可見，C2.0土樣和原狀樣在不同圍壓下峰值應(yīng)力及對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變大小均較為接近，整體上應(yīng)力-應(yīng)變曲線有較高的相似度;同一圍壓下，隨著土樣結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)，其偏應(yīng)力增長(zhǎng)更快，偏應(yīng)力峰值更大，總體上殘余應(yīng)力值也更大;低結(jié)構(gòu)性土(重塑土、C0.5、C1.0)在25、50kPa圍壓下的終值偏應(yīng)力趨于同一值，可能是低結(jié)構(gòu)性土在加載過程中，隨著土樣漸進(jìn)破壞，結(jié)構(gòu)性進(jìn)一步降低，導(dǎo)致最終的殘余應(yīng)力很接近.

　　將這6種結(jié)構(gòu)性不同的土樣在4個(gè)圍壓下的孔壓值放在同一坐標(biāo)下，同一圍壓下，重塑土樣孔壓終值最大;隨著水泥摻量增加，土的結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)，試樣孔壓降低，原狀樣與C2.0土樣為最低.主要原因是隨著試樣膠結(jié)增強(qiáng)，其土骨架剛度也顯著增加，能承擔(dān)更大的荷載，使試樣所受有效應(yīng)力更大，故孔壓相對(duì)較小.

　　3.2有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

　　根據(jù)CU試驗(yàn)結(jié)果可得不同結(jié)構(gòu)性土的有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，其中，δA為各土樣有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與原狀樣的相對(duì)差值.C2.0土樣和原狀土的有效黏聚力c'、有效內(nèi)摩擦角φ'很接近，相對(duì)差值很小，這說明利用添加低摻量水泥的方法能使重塑土很好地恢復(fù)到天然土的強(qiáng)度狀態(tài).

　　隨著水泥摻量增加，試樣結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)，其c'近似呈指數(shù)形式增長(zhǎng)，而φ'并沒有隨著結(jié)構(gòu)性增長(zhǎng)有明顯變化.這是由于在土體中添加水泥后，水泥的水化作用可構(gòu)建起粉質(zhì)黏土土顆粒間的膠結(jié).隨著水泥摻量增加，膠結(jié)作用增強(qiáng)，使得土體的c'增大;但低摻量的水泥并不能對(duì)土體的摩擦特性起到明顯作用，故試驗(yàn)中不同結(jié)構(gòu)性土的有效內(nèi)摩擦角值在一條水平線上下，沒有明顯變化.

　　3.3初始變形模量

　　利用CU試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線可得各結(jié)構(gòu)性土的初始變形模量，同一圍壓條件下，隨著水泥摻量增加，土顆粒之間膠結(jié)作用增強(qiáng)，土樣具有更大的剛度，其初始變形模量也越大，其中C2.0土樣與原狀土的初始變形模量值差異不大.

　　對(duì)同一結(jié)構(gòu)性試樣，圍壓增加，其初始變形模量也增大.尤其是重塑樣，其初始變形模量隨著圍壓增大明顯增大;而結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)，其初始變形模量隨圍壓增大的增長(zhǎng)幅度越小.當(dāng)圍壓增大到200kPa時(shí)，6個(gè)試樣的初始變形模量已經(jīng)較為接近，低結(jié)構(gòu)性土的初始變形模量已逐漸靠近高結(jié)構(gòu)性土.

　　4土體結(jié)構(gòu)性對(duì)應(yīng)變局部化的影響

　　4.1破壞形態(tài)

　　試驗(yàn)中土樣的破壞形態(tài)可分為2類：由應(yīng)變局部化引發(fā)的剪切帶破壞和均勻變形下的鼓脹破壞，其中剪切破壞的主要特征是出現(xiàn)單一集中的剪切破壞面，破壞面多為曲面;鼓脹破壞的主要特征是試樣發(fā)生均勻變形，呈“鼓脹”形式.

　　圍壓和土顆粒膠結(jié)之間的相互作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性土試樣破壞方式的不同：當(dāng)圍壓較小時(shí)，由水泥帶來的膠結(jié)效果能發(fā)揮作用，使試樣具有一定的脆性，從而發(fā)生剪切帶破壞;當(dāng)圍壓較大時(shí)，水泥產(chǎn)生的膠結(jié)在固結(jié)時(shí)就逐漸破壞，土顆粒間的摩擦強(qiáng)度發(fā)揮主要作用，并且試樣在高圍壓下受到的約束更大，剪切帶難以擴(kuò)展，容易像一般散粒體材料那樣發(fā)生均勻剪切的破壞形式;而當(dāng)膠結(jié)強(qiáng)度足夠大時(shí)，如C2.0土樣和原狀土，在高圍壓下固結(jié)，仍可充分保持其結(jié)構(gòu)性，從而以剪切帶形式破壞.

　　4.2應(yīng)變軟化特性

　　分析不同結(jié)構(gòu)性土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線可以看出，應(yīng)變軟化產(chǎn)生條件與圍壓以及水泥摻量(結(jié)構(gòu)性)有關(guān).隨著試樣水泥摻量增加，結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出與原狀樣相似的應(yīng)變軟化狀態(tài)，并且結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)，其發(fā)生應(yīng)變軟化時(shí)峰值點(diǎn)應(yīng)力越大且對(duì)應(yīng)軸向應(yīng)變呈減小趨勢(shì);而對(duì)于結(jié)構(gòu)性相對(duì)低的土樣，在高圍壓下，土顆粒間的膠結(jié)就已破碎，近似于重塑樣，呈現(xiàn)為應(yīng)變硬化.上述分析表明，各不同結(jié)構(gòu)性土樣出現(xiàn)應(yīng)變軟化與產(chǎn)生剪切帶破壞有著直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，這與“應(yīng)變軟化是剪切帶形成所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)影響，而不是土體的材料特性”的觀點(diǎn)一致[24].

　　5結(jié)論

　　(1)本文通過在重塑土中添加鹽粒和不同摻量的水泥，人工配制了具有不同結(jié)構(gòu)性的結(jié)構(gòu)性土，其中水泥摻量為2%的人工結(jié)構(gòu)性土的結(jié)構(gòu)性與寧波原狀粉質(zhì)黏土最為接近，達(dá)到了利用人工制備結(jié)構(gòu)性土來模擬原狀土的效果.

　　(2)隨著水泥摻量增加(0~2%)，結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)，人工結(jié)構(gòu)性土的有效黏聚力近似呈指數(shù)形式增長(zhǎng)，有效內(nèi)摩擦角沒有明顯變化，初始變形模量增大.

　　(3)相同圍壓下，隨著土體結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)，試樣更易發(fā)生應(yīng)變局部化，以剪切帶形式破壞;應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)軟化，峰值點(diǎn)應(yīng)力增大且對(duì)應(yīng)軸向應(yīng)變呈減小趨勢(shì).

　　(4)同一種土體，結(jié)構(gòu)性差異對(duì)剪切帶傾角值影響不大;Mohr-Coulomb理論對(duì)剪切帶傾角的預(yù)估值與實(shí)測(cè)值較為吻合，而Roscoe理論和Arthur理論都低估了軟土剪切帶傾角.

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