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阅读 2336 次 天然软黏土屈服面及流动法则试验研究

摘要:天然沉积的软黏土往往具有结构性和塑性各向异性,通过对K0固结温州软黏土的l9组三轴排水应力路径试验和4组三轴不排水剪切试验的研究,揭示典型结构性软黏土的屈服特性和屈服后的塑性流动特征。...

天然软黏土屈服面及流动法则试验研究

沈恺伦 王立忠

浙江浙峰工程咨询有限公司 浙江杭州310012 浙江大学 浙江杭州310027

引言

    早期临界状态土力学本构模型建立在各向等压固结重塑土的三轴试验基础上,理论上通常假定塑性各向同性,因此屈服面关于P轴对称分布,如原始剑桥模型和修正剑桥模型。随着人们对天然状态软黏土结构性及各向异性认识的不断深入和室内三轴试验条件的逐步改善,采用更符合天然土体的屈服面,正日益成为国内外软黏土塑性性状研究的一个重点。在天然软黏土屈服面的数学描述方面,有学者认为P ′q应力平面上屈服面大致关于K0同结线对称,另一些学者在原始剑桥模型屈服面的的基础上,通过将子弹头形屈服面旋转至子弹头尖点位于瓦线上,从而得到各向异性天然土体屈服面,如 Ohta (1985)采用的本构模型。还有一些学者通过旋转修正剑桥模型的椭圆屈服面得到K0固结软黏土的屈服面,其中的一些做法与Ohta等的方法相似,将椭圆旋转至椭圆的右切点位于K线上,如 Nakan0 (2005)的模型;另一些做法则认为椭圆倾斜的程度要小一些,椭圆右切点位于K0线和P′轴之间的某一位置,如Wheeler(2003)的模型;作者也曾采用Wheeler建议的屈服面考虑软土结构性对天然软黏土本构关系进行研究。为进一步了解天然软黏土的屈服性状以及屈服后的塑性流动特性,本文选取温州软黏土进行了三轴试验研究。

    本文在k0固结试验的基础上进行三轴应力路径试验,获得了结构性软黏土的初始屈服面,并通过进一步收集并重新整理各种天然软黏土的试验资料,选取了一个适合于k0固结结构性软黏土的屈服面方程。其次,在拟采用上述K0固结温州软黏土屈服面的前提下,通过描绘屈服后土体塑性流动方向和定量分析该流动方向与屈服面法线方向的偏离程度,进一步整理其他各种天然软黏土的试验资料,评价相关联流动法则对于K0固结结构性软黏土的适用性。最后,通过对繇固结的温州软黏土施加一个较大的等向应力进行进一步固结,然后进行各种应力路径的三轴试验,分析评价屈服面的旋转硬化特性和屈服面旋转后的塑性流动性状。

1、温州软黏土基本性状

    王立忠等 (20022004)曾对温州软黏土的基本物理性质和一维压缩特性作了系统的研究,其取土位置位于瓯江入海口处的温州发电厂二期工程的2#3#煤场,原状土取土采用不锈钢管的薄壁取土器。该处淤泥层厚度约为27m,层顶距离地表1.5m左右。试验结果表明,温州软黏土515m深度范围内的淤泥层具有明显的结构性,随着深度增加,含水量和孔隙比逐渐减小,结构性逐渐减弱。现场3组十字板试验表明温州软黏土的灵敏度沿深度分布离散性不大,大部分深度范围内St36之间,3组试验在515 m深度范围内St的平均值为4.54。而在15m以下,淤泥层软黏土的灵敏度急剧下降,软黏土的结构性不断降低,因此研究温州软黏土的结构性最好选取最具有代表性的515m深度范围内的淤泥层。

    本次试验的取土位置位于温州城区温州火车站附近的华盟广场项目的基坑工地,取土深度为地表下11m。地质报告提供的淤泥层平均含水量为64.3%,本次试验所取llm深度处土体的含水量(3组土样平均)68.4%,略高于平均值;界限含水量测试采用液塑限联合测定仪测定,试验结果离散性较小,其中液限ωI=63.4%,塑限ωp=27.6%,塑性指数Ip=35.8%,液性指数IL=1.14。灵敏度试验采用原状土和重塑土的无侧限抗压强度试验得到,试验结果表明温州软黏土灵敏度为St=545,略高于前述温州煤场现场十字板试验515 m平均St=454的结果。其余常规物理力学试验结果为:天然孔隙比e0=1916,天然密度P0=1588 g/cm³,颗粒相对密度Gs=2.75,压缩模量Esl-2 =1.35 MPa,渗透系数Kh=5.9×10-6cm/sKv=2.4×10-6cm/s

    温州软黏土的有效强度参数由常规等向固结三轴不排水试验(CIU)确定。试验将四组土样分别等向同结到50kPa100kPa150kPa300kPa然后施加竖向应力,试验所得不同围压下的有效应力路径及其临界强度和峰值强度的拟合直线。其中临界强度对应主应力比最大值(σ′1/σ′3)max的试验点,峰值强度则对应主应力差最大值(σ′1-σ′3) max的试验点。试验结果表明临界强度拟合线总在峰值强度拟合线上方,由两者斜率计算得到的临界强度有效内摩擦角略大于峰值强度有效内摩擦角,但其偏差均不超过1°。试验得临界状态强度参数为c = 8.4kPa,φ′=25.4°;若限定拟合的临界状态线CSL过应力原点,得临界状态强度参数为φ′=28.80M=1.146

2、试样情况与试验内容

    本次取土平面位置在基坑范围内工程桩稀疏的区域,且工程桩均为泥浆护壁的钻孔灌注桩,对土体扰动相对较小。当基坑开挖到llm深度时用不锈钢薄壁取土盒(25cm×25cm×20cm,壁厚0.8mm)切取块状土样,如图1所示,其扰动程度小于不锈钢管薄壁取土器所取的土样。为确保所取土样尽可能保持原状,根据llm以上各层土体的有效重度及其厚度,计算得原位竖向有效应力为σ′v0 =75.4kPa。三轴试样高度为76mm,直径38mm。根据Bothkennar软黏土试验研究得出的结论,用钢丝锯切取土样对保持土样的原状特性最为有效。本文试验研究在制样时采用钢丝锯,并尽可能切取块状土的中心部位,以尽量避免表面局部干燥对土样的影响.

 

1  试验取土装置和土样断面照片

    试验制备中发现,多数土样断面呈现青灰色土体和黄褐色土体交错的现象,但都呈现出典型的淤泥质土体的特性。大部分块状土样较为均匀且完整,并含有少量粉砂质夹层,但鲜有贯通整个土样的夹层出现。夹层和杂质的存在对土样的试验结果有较大的影响,尤其是对拉伸试验,因此本文试验过程在制样时尽可能避免三轴试样含有粉砂夹层等杂质,以更好地体现淤泥的特性。试验采用的主要试验设备为GDS应力路径三轴试验系统。在进行%固结试验时,该系统通过反压控制器测得的试样体变反算试样平均断面积,不断调整轴向应力和侧向应力以保持试样直径不变即试样无侧向应变。本文对温州软黏土屈服性状试验研究的主要内容为:

    (1)K0同固结试验:考察软黏土的一维固结压缩情况,确定%固结系数,为后续试验提供试验参数,并用以确定屈服应力比YSR等参数。试验起始先给试样施加一个较小的围压和轴压,轴压控制在10kPa,围压根据预估K系数设置为5 kPa;然后连续一维加压至竖向应力到达290kPa(11m深度处原位竖向有效应力75.4kPa),该过程历时67h;然后进行一维卸载,该过程历时48h

    (2)K0固结应力路径三轴试验:沿不同应力路径,分别进行三轴压缩和拉伸试验,用以研究温州软黏土的应力应变关系、屈服面的特征和屈服后的塑性流动性状。根据以上K0固结试验得到的K0系数和11m深度处的原位竖向有效应力754 kPa,计算得原位水平向有效应力为41.5kPaK0固结三轴应力路径试验首先将土样逐步固结到原位应力状态(σ′v0 = 75.4kPaP0 = 52.8kPa),然后沿不同直线应力路径加载,加载速率为4kPa/h,直至试件破坏或到达人为设定的应变界限值。应力路径试验均为排水条件,所设路径如图2(a)所示。图中应力路径符号意义为:B表示块状土样,CD表示排水压缩  试验,ED表示排水拉伸试验,BCDBED后数字表示直线应力路径在P′q平面上与水平方向的倾角,以逆时针为正。此外还进行了两组不排水试验,剪切速率为0.065/min,下文以BCUBEU表示。

    (3)为了进一步考察结构屈服面在加载过程中的旋转性状,本文在上述排水三轴试验确定初始屈服面的基础上,设计了一组特定的旋转硬化应力路径三轴试验。试验过程为:首先如K0固结应力路径三轴试验系列试验一样固结到原位应力,然后逐步加载到等向固结应力状态(P0= 160kPa3p0q1=0,可认为结构性已破坏严重),再缓慢卸载到此前应力的一半(P2 =80kPaq2=0),最后沿不同应力路径进行加载。该组试验固结一卸载一加载的应力路径如图2(b)所示,图中BRCDBRED分别表示排水三轴试验的有效应力路径,其后数字表示应力路径和p ′轴的夹角。此外还进行了两组不排水试验,下文以BRCUBREU表示。

 

2温州软黏三轴排水试验应力路径

3、试验成果

    (1)K0固结试验成果

    K0固结试验目的之一是确定K0系数,试验全过程的K0(水平向与竖向有效应力比)随竖向有效应力的变化过程如图3所示。根据王立忠等(2006)的观点,结构性软黏土原位土体的K0系数应取加载过程中屈服后结构性接近完全破坏后的数值。图3所示温州软黏土砾固结试验在竖向有效应力大于150kPa后逐渐趋向稳定,本次试验取值为K00.55

 

3温州软黏土的K0系数

     K0固结试验的另一个目的是考察温州软黏土的一维压缩性状,elogσ′v。平面中其一维压缩回弹曲线如图4所示。可见,温州软黏土一维压缩试验表现出明显的分段特性,是典型的结构性软黏土的特征。压缩指数可由压缩曲线最后直线段斜率获得,回弹指数由回弹线斜率获得,其值分别如图4所示。竖向屈服应力对应压缩曲线曲率最大点为l20kPa左右.其与原位应力(75.4kPa)的比值为屈服应力比,得YSR=1.6。天然软黏土一维压缩曲线的最后一个直线段软黏土结构破坏程度较大,该直线段斜率与重塑土的一维压缩线斜率接近,通常可用来近似确定重塑土的压缩系数指数λ;而相应的回弹曲线也可用来近似确定重塑土的回弹指数ko对于温州软黏土,由一维压缩试验确定的压缩指数和回弹指数分别为λ=0.345和,k=0.051

 

4温州软黏土的一维压缩曲线

    此外,可根据K0固结试验过程中有效竖向应力与土体原位有效竖向应力相同时的体积应变大小对土样的质量进行评价。根据Terzaghi(1996)的方法,土样质量可分为如表1所示5SQD等级。温州软黏土K0固结试验过程中有效竖向应力为原位有效竖向应力,即σ′V75.4kPa时,试样体积应变为1.54%,SQD等级为B,试样质量较好。通过本文温州软黏土试验结合以往对温州软黏土的试验研究,其基本物理力学指标如表2所示。本次试验分析针对的是土体的有效强度指标,主要适用于分析结构物的长期稳定等问题。

1  以体积应变评价土样质量的标准

体积应变

<1

1%~2

2%~4

4%~8

>8

SQD等级

A

B

C

D

E

试验质量

Very good

Good

Fair

Poor

Very Poor

2温州软黏土常规物理力学指标

 

    (2)K0固结三轴应力路径试验成果

    K0固结三轴应力路径试验各种应力路径下的应力应变曲线(P-εv曲线和q—εs曲线)如附录A所示,BCD系列为三轴压缩试验,BED系列为三轴拉伸试验。各种应力路径下应力应变曲线表明,温州软黏土有明显的结构屈服的特征,各种应力路径试验得到的屈服点用Y3vY3s。表示于图中,insitu表示天然固结应力状态,即应力路径试验加载的起始点。屈服点的确定在参考Bothkennar软黏土试验研究方法的基础上,将屈服前后直线段延伸线的交点向试验曲线作垂直线获得的曲率最大点确定为屈服点。

    三轴不排水压缩和拉伸试验的应力路径和剪切应力应变曲线如图5所示。图5(a)所示K0固结三轴不排水压缩试验和拉伸试验的总应力路径和有效应力路径中,TSP表示总应力路径,ESP表示有效应力路径。不排水试验的屈服点由试验的剪应力剪应  变曲线的曲率最大点确定,图中以Y3表示,由该应力应变曲线可见,正常固结的温州软黏土有明显的应变软化现象,表现出了明显的结构性软黏土特征。最后将这些屈服应力点描绘在应力平面上,即可得到部分的初始屈服面几何形状。

 

5温州软黏土三轴不排水试验应力路径和应力应变曲线

4、试验结果及分析

    4.1初始屈服面形状

    关于K0固结软土屈服面在P′q平面上近似为倾斜椭圆的事实已为大量的室内试验所证实(Graham等,1983),本文考虑了K0固结诱发的各向异性的影响采用了倾斜椭圆形来拟合结构性软黏土的屈服面,并通过收集一些典型软黏土的试验资料以及温州软黏土的试验成果揭示了拟合屈服面的合理性。近年来,国内外文献中报道的关于p-q平面上椭圆  屈服面的形状大致可分为以下三种:修正剑桥模型的水平椭圆屈服面、Nakan0(2005)模型所采用的倾斜椭圆屈服面和本文采用的Wheeler(2003)提出的倾斜椭圆屈服面,其椭圆方程分别如式(1)、式(2)、式(3)所示:

 

    (1)~式(3)P′c表征了椭圆屈服面的大小,叩ηK0nc为%固结对应的应力比,α表征了正常固结线NCL倾角大小,其初始值为α0。式(1)所示屈服面是关于等向固结线P′轴对称的,即正常固结线NCLP′轴重合;而式(2)和式(3)屈服面的NCL则与P ′轴均有一倾角,对于初始屈服面,该倾角的正切值分别为ηK0nc和α0ηK0nc。本文采用的屈服面式(3)的倾斜程度即NCL斜率的大小由α控制,根据Wheeler(2003)的分析,由模型一维压缩条件下的体积应变和剪切应变的比例关系,可推导出其初始值d。为:

 

    对于常见范围内的软土,Wheeler等指出α0的取值范围为0.580.7。因此,只要获得了K0(可换算得ηK0nc)M值,初始屈服面的形状便确定了;而初始屈服面的大小则由初始结构性大小决定,反映在屈服面方程上即为P ′初始值P c0Pc的比值,可近似由屈服应力比YSR确定。

    6所示为文献中试验得到的3种典型软黏土的屈服点和本文模拟的初始屈服面,图7(a)所示为本文温州软黏土K0固结三轴应力路径试验得到的屈服点和本文模拟的初始屈服面,可见这4种土的初始屈服面形状近似为一个倾斜的椭圆,并且斜率为α0ηK0nc的直线与椭圆的两个交点近似为其竖向切点,说明本文采用的屈服面方程是合理的,能很好地拟合试验结果。同时不难发现,当初始应力比ηK0nc较小时,K0线与椭圆的两个交点也可近似认为是其竖向切点,此时K0线与NCL较为接近(Winnipeg黏土),用式(2)或式(3)拟合差别不大;但当初始应力比ηK0nc较大时, K0线与NCL的距离较远(Bothkennar黏土、Mexico City黏土和温州黏土),用式(3)拟合结果更合理。可见对于大多数结构性软黏土而言,本文的屈服面方程式(3)更加符合实际。

6  典型软黏土三轴试验屈服面

    4.2屈服后塑性流动性状

    为了验证正交流动法则的适用性,本文试验将屈服点处的塑性应变增量方向也表示在图7(a)(应力应变共轴),以短直线表示。在绘制屈服后塑性流动方向时,若所取应变量增值较小会造成数据的离散性较大,若取值较大则又不能反映屈服时的塑性流动方向。根据图7(C)中屈服后各应力路径试验体积应变和剪切应变关系曲线可以看出,应变增量的矢量长度(约等于图中曲线段长度)1%时对应的应变增长方向基本可以代表屈服时刻的塑性应变方向,同时经历的试验点足够多,可以较好避免试验误差。由温州软黏土屈服时的塑性应变方向和屈服面的相互关系可见,大部分应变方向垂直于屈服面切线方向,塑性应变方向与屈服面法线的夹角在-11°~l5°范围之内,如图7(b)所示(以顺时针偏转为正),说明相关联流动法则对于倾斜的椭圆屈服面是适用的。

 

7温州软黏土屈服面及其塑性流动方向

    此外,为了进一步验证相关联流动法则对倾斜椭圆屈服面的适用性,本文还对Bothkennar软黏土和 Winnipeg软黏土试验结果,用式(3)Wheeler建议的屈服面对试验点进行了拟合,其对比结果及屈服后塑性流动方向如图8和图9所示。由Bothkennar软黏土屈服时的塑性应变方向和屈服面的相互关系可见,大部分应变方向垂直于屈服面切线方向,塑性应变方向与屈服面法线的夹角Bothkennar软黏土在-21°~l3°范围之内,而Winnipeg软黏土在-37°~23°范围之内,波动相对较大。

 

9 Winnipeg软黏土屈服面及其塑性流动方向

    10Graham(1983)Winnipeg软黏土屈服面的直接拟合以及塑性流动方向的验证结果,相应偏角的波动范围和本文选取的模型一样相对较大。但总体上可以认为相关联流动法则对于这两种典型的软黏土是适用的。此外,从三种软黏土塑性应变方向偏离屈服面法线方向的趋势可以看到,对于K0线上方的屈服点,其塑性流动方向多是按顺时针方向偏离屈服面法线方向,偏角多为正值;反之对于 K0线下方的屈服点,其塑性流动方向多是按逆时针方向偏离屈服面法线方向,偏角多为负值。采用非相关联流动法则时应注意这个规律。

 

10 Winnipeg软黏土屈服面及其塑性流动方向

    4.3旋转硬化特性

    旋转硬化应力路径三轴试验所得的屈服面及其塑性流动方向如图ll所示。

    首先,由图11(a)(C)屈服点的分布可以看到,与P′轴夹角相同的每组三轴压缩、拉伸排水应力路径试验的屈服点和屈服后塑性体积变形和剪切变形关系曲线有较好的对称性,说明了土体随着加载进行逐渐表现出各向同性的性状。其次,由图ll(a)屈服点处塑性流动方向与本文屈服面(实线椭圆,0 =0P′c  =160kPa)法线方向基本一致,其偏角如图11(b)所示,除三轴不排水压缩试验(BRCU)外均在-11°~6°范围之内,小于初始屈服面的相应偏角(-11°~l5°),说明随着各项异性的丧失,塑性流动正交性也有所改善。此外,由图11(a)可见,试验屈服点多数落在式(3)对应屈服面之内,并有很好的规律性,随着应力路径倾角的加大,屈服点距离理论屈服面越远。结合图8(a)温州软黏土的初始屈服面试验结果,初始屈服面对应的M=115对于旋转后的屈服面是偏大的,屈服面拟合结果显示,当取M=1.0时式(3)对应屈服面与试验点的拟合结果更好,同时其正交性也更好。试验结果表明,足够大的等向应力可以使结构性软黏土的塑性各向异性基本消失,土体在该应力作用过后发生较大的体积变形,逐渐呈现出塑性各向同性的力学性状;在本文理论体系中,本次试验旋转后的屈服面为水平椭圆,即各向异性参数α由初始值α0 逐渐减小到零;随着屈服面的旋转和结构性的丧失,软黏土的摩擦强度参数M有逐渐降低的趋势,但降低幅度不大,采用M值恒定的假设带来的误差并不明显。

 

11温州软黏土屈服面(旋转后)及其塑性流动方向

    州软黏土的试验结果分析表明,结构性软黏土初始屈服后塑性流动方向基本与初始屈服面法线方向偏角不大,对于温州软黏土而言该偏角在-11°~l5°之间。因而,就结构性软黏土而言,正交(相关联)流动法则是基本适用的。

    (3)对天然软黏土若采用非相关联流动法则时应注意:在p-q应力平面上,对于K0线上方的屈服点,其塑性流动方向是按顺时针方向偏离屈服面法线方向;反之,对于K0线下方的屈服点,其塑性流动方向是按逆时针方向偏离屈服面法线方向。

    (4)本文同时对温州软黏土在等向应力作用下屈服面的旋转作了试验研究。当施加较大的等向应力后,温州软黏土的结构性和塑性各向异性逐渐丧失,屈服面呈现出向等向应力轴旋转的特征。旋转后屈服面呈现各向同性特征,同时屈服后塑性流动方向基本与屈服面法线方向偏角较初始屈服流动情况更小,对于温州软黏土而言该偏角在-11°之间,正交(相关联)流动法则适用。

    附录A:温州软黏土应力路径三轴排水试验应力应变曲线

 

参考文献

[1]王立忠,沈恺伦.K。固结结构性软黏土的本构模型[J].岩土工程学报,200729(4)496-504

[2]王立忠,李玲玲,丁利,等.温州煤场软土结构性试验研究[J].土木工程学报,200235(1)88—92

[3]王立忠,丁利,陈云敏,等.结构性软土压缩特性研究[J].土木工程学报,

[4]王立忠,李玲玲.结构性软土非线弹性模型中泊松比的取值[J].水利学报,200637(2)150—159

(本文来源:陕西省土木建筑学会  文径网络:温红娟  刘红娟  尹维维 编辑 文径 审核)

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