考虑固结路径影响的花岗岩残积土不排水剪切试验研究.pdf

第 3 3卷 第 6期 2 0 1 6年 6月 长江科学院 院报 J o u r n a l o f Y a n g t z e Ri v e r S c i e n c Re s e a r c h I n s t i t u t e Vo 1 3 3 N o 6 J u n 2 0 l 6 d o i ： 1 0 1 1 9 8 8 c k y y b 2 0 1 5 0 1 6 6 2 0 1 6 ， 3 3 ( 0 6 ) ： 7 0 7 4 考虑固结路径影响的花岗岩残积土 不排水剪切试验研究 刘攀 ， 周小文 ， 何勇彬 。 赵仕威 ( 华南理工大学 a 土木与交通学院， b 亚热带建筑科学国家重点实验室， 广州5 1 0 0 ) 摘要： 针对常规的等向固结剪切试验不能反映实际工程中复杂应力路径对土体力学特性的影响， 采用 G D S应力 路径三轴仪， 对华南地区广泛分布的花岗岩残积土进行了不同固结条件下的不排水剪切试验 ， 探讨不同初始平均 有效主应力P 。 与初始应力比 对其不排水特性的影响。结果表明： 在初始应力比相同的情况下， 初始平均有效主 应力越大 ， 花岗岩残积土的不排水剪切强度越大， 破坏时的孔压也越大； 在初始平均有效主应力相同的情况下， 初 始应力比越大， 花岗岩残积土的不排水剪切强度越大， 而破坏时的孔压越小。然而， e - p q三维空间中的临界状态 线是唯一的， 不受初始平均有效主应力和初始应力比影响。 关键词： 花岗岩残积土； 三轴试验 ； 应力路径； 临界状态线； 三维空间 中图分类号： T U 4 1 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 6 ) 0 6 0 0 7 0 0 5 1 研究背景 花 岗岩在我 国东南 、 华南 以及香港地区广泛分 布 ， 这些地区由于受热带、 亚热带季风气候 的影响 ， 使得花岗岩母岩在温 暖、 潮湿 的环境下发生一系列 物理化学风化作用， 从而形成覆盖于母岩之上的花 岗岩残积土 。这类土体未经搬运， 具有高孔隙 比、 高强度、 低密度和中低压缩性等特点， 在上述地 区大面积 出露 。例如在广东省 ， 花岗岩残积土出 露面积约占全省陆地面积的 4 0 _ 3 。因此， 花岗岩 残积土是华南地区常见的工程建设材料或岩土工程 载体 。然而 ， 由于对花岗岩残积土认识不足 ， 导致在 每年的暴雨过程中都有大量花岗岩残积土边坡发生 滑坡 ， 许多城市建筑在遇到残积土地基时 出现桩基 承载力变异大和基坑失稳的现象， 是华南地区主要 的地质灾害。而且花 岗岩风化壳的发育程度与所处 的气候条件 、 地形地貌条件 以及环境条件密切相关 ， 使得华南地区的花岗岩残积土具有强烈的地域性与 特殊性 。 目前关于花 岗岩残 积土 的剪切变形、 破坏及强 度性状的试验研究主要集中在三轴等向固结剪切特 性， 即通过对土体进行三轴等向固结后再轴向施加 荷载进行剪切 ， 分析剪切过程 中的应力 一 应变关 系 特征与孔压变化规律 卜 J 。然而实际工程中花岗岩 残积土所受荷载条件十分复杂， 等向固结条件下的 不排水剪切特征无法反映工程现场花 岗岩残积土在 非等向固结条件下 的强度特性 以及孔压变化规律。 本文采用 G D S应力路径三轴仪 ， 对深圳地 区花岗岩 残积土重塑样进行了不同固结条件下 的不排水剪切 试验 ， 探讨 了初始平均有效主应力 与初始应 力 比对 其不排水剪切特性的影响， 以期通过试验成果的累 积 ， 建立针对花 岗岩残积土特点的本构模型， 为工程 应用提供依据。 2 试样与试验方案 2 1 试样 花岗岩残积土土样取 自深圳市福 田区某一建筑 基坑 ， 取样深度 1 1 n l 。土样主要呈 肉红 、 黄褐 、 灰 白 等色 ， 并 夹杂着黑点。现场取样照片如图 1所示。 根据地质勘察 报告， 土体母 岩为燕 山晚期花 岗岩。 x射线衍射分析结果显示其 主要 矿物为长石 和石 英， 次要矿物为黑云母、 角闪石。根据 岩土工程勘 察规范 ( G B 5 0 0 2 1 -2 0 0 1 ) 表 A 0 3的分类标 准 ， 该土样为残积土。 收稿 日期 ： 2 0 1 5 - 0 3 - 0 9； 修 回日期： 2 0 1 5 - 0 4 0 4 基金项目： 国家自 然科学基金项目( 5 1 1 0 9 0 8 3 ) ； 华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室自 主课题 ( 2 0 1 3 Z C 0 4 ) 作者简介： 刘攀( 1 9 9 1 一 ) ， 男， 江西吉安人， 博士研究生， 主要从事土的基本性质及岩土工程问题等方面的研究， ( 电话)1 3 4 2 7 5 7 0 3 0 5 ( 电子信 箱) p a n l i u 2 0 1 3 1 2 6 c o rn。 通讯作者： 周小文( 1 9 6 5 一 ) ， 男， 江西吉安人， 教授， 博士， 主要从事士的基本性质及岩土工程问题等方面的研究， ( 电话) 0 2 0 8 7 1 1 4 3 7 3 ( 电子信 箱 ) x w z h o u s e u t e d u c a o 第6期 刘 攀 等 考虑固结路径影响的花岗岩残积土不排水剪切试验研究 7 1 图 1现场取样 Fi g 1 I n- s i t u s o i l s a mp l i n g a t t h e c o n s t r u c t i o n s i t e 土样颗分曲线如图 2所示 ， 该 土样包含 1 1 砾 石 、 4 5 砂粒 、 2 1 粉粒以及 2 3 黏粒 ， 不均匀 系数 C =1 0 0 ， 曲率系数 C =0 1 8。土粒密度 G 。 =2 6， 天然含水率 =1 9 3 5 ， 湿密度P= 1 7 9 g c m ， 干 密度P = 1 5 0 g c m ， 天然孔隙比e= 0 7 3 6 。通过 l 4 8 。根据粒径组成 图2 颗分曲线 和塑性图可将土样定 r i g 2 P a r t i c l e s i z e d i s t r i b u ti o n 义为中液限黏性土。 o f t e s t e d s o i l 2 2 试验方案 为了研究不同固结条件对重塑花岗岩残积土饱 和不排水特性的影响， 采用 G D S应力路径三轴仪对 试样进行等向固结不排水剪切试验( c u ) 和偏压固结 不排水剪切试验( e u) 。三轴试样尺寸为 + 3 8 m inx 7 6 IT l I n ， 干密度控制为1 5 0 g c m ( 与天然干密度相同) ， 试验方案及各参数值如表 1 所示。其中 为固结完 成时( 不排水剪切前) 有效最大主应力 ， 为有效最 小主应力 ， P 。 = 1 3 ( +2 ( r ； ) 为平均有效主应力 ， q ： ： 。 一 。 为偏应力 ， 叼 。 =q c 为初始应力比， e 。 为孔隙比。各试样在不排水剪切前的固结应力路径 表 1 试验方案及各参数值 Ta b l e 1 Test s c h e m e s a n d p a r a me ter v a l u es 固结完成时应力状态 试 验类 型 试样 编号 k P c a k 3P c p k P a k P a 仉 a ， c 如图 3 中虚线所示， 图中实心圆点表示各试样固结 完成时的应力状态 。 1 5 0 矗 1 0 0 堡 5 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 O 0 平均有效主应p k P a 图 3固结应 力路径 F i g 3 Co ns o l i d a t i o n s t r e s s p a t h o f e a c h t est b e f o r e u n d r a i n e d s h e a r i n g 等向固结不排水剪切试验分为 2 个阶段： 等向 固结阶段和不排水剪切阶段 ， 即首先将土样在预定 围压下固结至超静孔压完全消散 ， 然后在不排水条 件下进行剪切。剪切速率为O 0 1 5 2 ra m ra i n 。 偏压固结不排水剪切试验由 3 个阶段组成 ： 等向 固结阶段、 偏压固结阶段( 等P 阶段) 和不排水剪切 阶段。在等向固结阶段 ， 土样在预定围压下固结至超 静孔压完全消散， 此时土样平均有效主应力 P 等于 有效固结围压 。然后对土样进行偏压固结， 即在 排水条件 下对其轴 向加载， 加载 速率为0 0 1 5 2 ra m ra in ， 同时减小围压， 使其满足 =一 0 5 A 0 ， 使 得平均有效主应力增量 =P ， _1 3 ( A 0 + 2 A 0 ； ) ：O 。 换句话讲就是保持P 不变， 将偏应力g= 一 达 到预定值， 从而使得土体在一定的初始应力比下进行 不排水剪切。剪切速率为0 0 1 5 2 m m m i n 。 每个试样在固结前都进行了反压饱和： 围压与反 压同时以 5 0 k P a h的速率加载到 2 0 0 k P a ， 稳压 1 h 。 经 值检测。 反压饱和后所有试样饱和度都在O 9 8 以 E。 3 试验结果与分析 3 1 应力一 应变关 系特征与孔压变化规律 试样 C U 1 2 5 r ， P U 1 2 5 - 0 2 ， P U1 2 5 - 0 5在剪切过 程中( 包括等 p 阶段和不排水剪切阶段) 的偏应力 g、 超静孔压 与轴向应变 的关系曲线如图4 所 示， 图中实心点表示不排水剪切起始时的应力状态。 由图4 ( a ) 可见， 在轴向应变较小时， 各试验偏应 力值接近， 曲线相互重叠在一起。当应变超过 2 之 后 3 条曲线开始分离直到各自 达到稳定状态， 稳定状 态时 的偏应 力 值 ( 不 排水 剪 切 强度 ) P U 1 2 5 - 0 5 7 2 长江科学院院报 2 0 1 6年 1 4 0 1 2 0 日 1 0 0 8 0 毯 6 0 堡 4 O 2O l 0 O 8 0 6 0 要 簧 o 2 0 0000o00000000000000000 ： x x x x x X X X x x X x x X X X X X X X XX P U 1 2 5 - 0 5 不 排 水 剪 起 始 处o P U 1 2 5 - 0 5 ： P U 5 一 o 2 不 排 水 剪 起 始 处 c ul 2 5 r 不排水剪起始处 0 5 1 0 l 5 2 O 2 5 轴向应变e ( a 】 应力一 应变关系 xxx X 。 A 6 O00 o OO O O0 0 Oo o O OO o O OO 0 O00 O 0 6 0 o 2 O 。 0 1 5 0 1 0 5 。l 0 0 5 1 0 CU1 2 5 r 6 P U1 2 5 0 2 0 P U1 2 5 0 5 1 O 1 5 2 0 2 5 轴向应变 ( b ) 孔压关系 图 4 C U1 2 5 r ， P U1 2 5 0 2 。 P U1 2 5 0 5试验结果 F i g 4 Te s t r e s u l t s o f s a mp l e CU1 2 5 r 。P U1 2 5 0 2， a n dP U1 2 5 - 0 5 P U1 2 5 0 2 C U 1 2 5 r 。从图 4 ( b ) 中可以看出， C U1 2 5 r 由于在等向固结完成后直接进入不排水剪切阶段， 没 有经历等P 阶段， 故剪切一开始就产生了超静孔压。 P U1 2 5 - O 2 在 1 2 5 k P a围压下固结完成后 ， 在等 P 阶 段中处于排水状态， 没有产生超静孔压， 直到轴向应 变达到0 3 时， 偏应力为 2 5 k P a ， 然后开始不排水剪 切。试样 P U 1 2 5 - O 5的试验过程与 P U1 2 5 - O 2 类似， 不同的是 P U 1 2 5 - O 5 在不排水剪切起始时的初始应 力 比为0 5 ， 对应的偏应力为6 2 5 k P a ， 相应 的轴向应 变为1 1 ， 稍大于P U 1 2 5 - O 2 不排水剪切起始时的轴 向应变 。当轴向应变 5 时 ， 各试验超静孑 L 压趋于稳 定 ， 其值 P U1 2 5 - O 5 C U1 2 5 r ) ， 破坏时的孔压也越大 ； 在初始平均有效主应力相 同的情况下 ， 初始应力 比越 大， 土体不排 水 剪切 强度 越 大 ( 例如 P U 2 2 5 0 5 P U 2 2 5 - 0 2 C U 2 2 5 r ) ， 而破坏时的孔压越小。 3 2临界状态量 各试验不排水剪切起始时与临界状态时的孔隙 比e 与平均有效主应力 P 的关系如图 7所示。图中 空心圆点表示各试验不排水剪切起始时的状态 ， 实 心 圆点表示临界状态 。 图 7 e l g P 平 面上 临界状态线 Fi g 7 Cr i ti c a l s t a t e l i n e i n t h e e l o g p p l a n e 从图 7 可以看出， 各试验等向固结完成时的孔 隙 比 e 与相应的平均有效 主应力 P 在图 中大致呈 线性关系， 即重塑土正常固结线 ， 可表示为 e= 一0 1 6 4 4 1 g p +O 9 9 5 7 。 ( 1 ) 从图 7中还可 以看 出， 偏压 固结过程 中土体平 均有效主应力保持不变 ， 孔隙比减小 ； 偏压固结完成 时初始应力比越大 ， 相应的孔 隙比越小。这就说明 了在平均有效主应力相 同的情况下 ， 偏压 固结过程 中土体所受偏应力使得土体变得更加密实 ， 从而提 高了土体不排水剪切强度， 同时， 减小了土体在不排 水剪切过程中的体缩趋势， 降低了破坏时的孔压。 在不排水剪切过程中， 土体孔隙比保持不变 ， 平 均有效主应力减小直到临界状态。各试验达到临界 状态时的孔隙 比与相应的平均有效主应力也基本呈 线性关系， 线性拟合结果可表示为 e= 一0 1 6 4 4 l g p +0 9 5 6 。 ( 2 ) 可 以看 出， e l g p 平面上 ， 临界状态线与正常固 结线在平均有效主应力低于 3 0 0 k P a时是平行的。 L e e 等 在高围压下对重塑花岗岩残积土进行常规 三轴试验也得到了相 同的结果。 各试验有效应力路径在 P 一 g坐标系中的关系如 图 8所示。 堡 图 8各试验有效应力路径 F i g 8 Eff e c t i v e s t r e s s p a t h o f e a c h t e s t 从 图 8中可 以看出 ， 对于不同的固结状态 ， 土体 不排水剪切应力路径不同， 但都在同一条线上到达 临界状态 ， 即临界状态线 ， 可表示为 q=1 3 。 ( 3 ) 从 以上结果可以看出， 在不 同的初始平均有效 主应力与初始应力 比下对土体进行不排水剪切 ， 无 论是在 e l g p 坐标系下 ， 还是在 g 坐标系下 ， 都对 应着唯一的一条 临界状态线 。这说 明， 对于本文花 岗岩残积土而言 ， 三维空间 e - p - q中的临界状态线 是唯一的 ， 不受初始平均有效主应力与初始应力 比 的影响。然而 ， 由于本文花 岗岩残积土粗颗粒含量 较高( 1 1 砾石以及 4 5 砂粒) ， 可能会在高应力水 平下( P 1 0 0 0 k P a ) 出现颗粒破碎的现象， 从 而导 致临界状态线呈现非线性或者多段线性， 这值得进 一 步的试验研究与讨论 。 4 结论 本文采用 G D S应力路径三轴仪 ， 对重塑花岗岩 残积土进行了不同固结条件下 的不排水剪切试验， 基于试验结果与分析 ， 得出以下几点认识 ： ( 1 )重塑花岗岩残积土不排水剪切特性与初始 平均有效主应力和初始应力比有关。在初始应力 比 相同的情况下 ， 初始平均有效主应力越大 ， 土体不排 水剪切强度越大 ， 破坏时的孔压也越大； 在初始平均 有效主应力相同的情况下 ， 初始应力 比越大 ， 土体不 排水剪切强度越大 ， 破坏时的孔压越小。 ( 2 )偏压固结会导致土体在保持平均有效主应 力不变的情况下， 孔隙比减小， 使得土体变得密实， 从而提高不排水剪切强度， 降低破坏时的孔压。 ( 3 )对于本文重塑花 岗岩残积土而言， 在 e g 7 4 长江科学院院报 2 0 l 6年 三维空间中的临界状态线是唯一的 ， 不受初始平均有 效主应力和初始应力比影响。 参考文献 ： 1 Y A N W M， L I X S M e c h a n i c a l R e s p o n s e o f a Me d i u m fi n e - g r a i n e d D e c o mp o s e d G r a n i t e i n H o n g K o n g J E n g i n e e r i n g G e o l o g y，2 0 1 2，1 2 9 1 3 0：1 8 2 戴继，王铁宏 ，高广运 ， 等由压缩试验分析砾质 花岗岩残积土的结构特性 J 地下空间与工程学报， 2 0 0 9 ， 5 ( 4 ) ： 6 7 5 6 7 9 3 汤连生，桑海涛， 宋晶， 等 非饱和花 岗岩残积土 粒间联合作用与脆弹塑性胶结损伤模型研究 J 岩 土力学 ， 2 0 1 3 ， 3 4 ( 1 0 ) ： 2 8 7 7 2 8 8 8 4 吴能森 结构性花岗岩残积土的特性及工程问题研 究 D 南京： 南京林业大学， 2 0 0 5 5 赵建军，王思敬，尚彦军 ， 等 全风化花 岗岩抗剪强 度影响因素分析 J 岩土力学，2 0 0 5 ， 2 6 ( 4 ) ：6 2 4 6 2 8 6 曲永新， 吴宏伟，尚彦军 华南花岗岩残积土红土化 程度的地带性与香港该类土不发育的原因 J 工程 地质学报， 2 0 0 0 ， 8 ( 1 ) ：1 6 2 0 7 L E E I K Me c h a n i c al B e h a v i o u r o f C o m p a c t e d D e c o m p o s e d G r a n i t e S o i l D L o n d o n ： C i t y U n i v e r s i t y ，1 9 9 1 8 LE E I K，C O O P M R T h e I n t ri n s i c B e h a v i o u r o f a D e c o m p o s e d G r a n i t e S o i l J G 6 o t e c h n i q u e ， 1 9 9 5 ， 4 5 ( 1 ) ：1 1 7 1 3 0 9 WA N G Y H， Y A N W M L a b o r a t o r y S t u d i e s o f T w o C o m m O B S a p r o l i t i c S o i l s i n H o n g K o n g J J o u r n al o f Ge o t e c h nic a l a n d Ge o e n v i r o n me n t a l E n g i n e e rin g ， 2 0 0 6 ， 1 3 2 ( 7 ) ： 9 2 3 9 3 0 1 0 N G C W W， C H I U A C F Lab o r a t o ry S t u d y o f L o o s e S a t u r a t e d and U n s a t u r a t e d D e c o mp o s e d G r ani t i c S o i l J J o u r n al o f G e o t e c h n i c a l a n d Ge o e n v i r o n m e n t a l E n gi n e e r - i n g ， 2 0 0 3 ，1 2 9 ( 6 ) ： 5 5 0 5 5 9 1 1 庞小朝 深圳原状全风化花岗岩的试验和本构模型研 究 D 北京： 中国铁道科学研究院， 2 0 1 1 1 2 栾茂田 罗锦添， 李焯芬， 等 不排水条件下全风化花 岗岩残积土工程特性与本构模型 J 大连理工大学 学报， 2 0 0 0， 4 0 ( 增 1 ) ： 8 3 8 9 1 3 陈晓平 ， 周秋娟， 蔡晓英 高液限花岗岩残积土的物 理特性和剪切特性 J 岩土工程学报， 2 0 1 1 ， 3 3 ( 6 ) ： 9 0 1 9 0 8 1 4 G B 5 0 0 2 1 -2 0 0 1 ， 岩土工程勘察规范 s 北京： 中国建 筑工业出版社， 2 0 0 1 ( 编辑 ： 赵卫兵) Ex p e r i me n t a l S t u d y o n Un d r a i n e d S he a r Be h a v i o r o f Gr a n i t e Re s i d u a l S o i l un de r Va r i o u s Co n s o l i d a t i o n S t r e s s Pa t hs L I U P a n ，Z HO U Xi a o we n ，HE Yo n g b i n ，Z HAO S h i w e i ， ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d T r a n s p o r t a t i o n ，S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 0，C h i n a ；2 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f S u b t r o p i c a l B u i l d i n g S c i e n c e， S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy，G u a n g z h o u 5 1 0 640 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n e n g i n e e ri n g p r a c t i c e，c o n v e n t i o n al t r i a x i al t e s t s u n d e r i s o t r o p i c a l l y c o n s o l i d a t e d c o n d i t i o n s c a n n o t r e - fle e t t h e e f f e c t s o f v a r i o u s s t r e s s p a t h s o n t h e me c h a n i c a l b e h a v i o r o f g r a n i t e r e s i d ual s o i l wh i c h i s wi d e l y d i s t r i b u t e d i n s o u t h C h i n a T o i n v e s t i g a t e t h e i n fl u e n c e o f t h e i n i t i al me a n e f f e c t i v e s t r e s s p a n d t h e i n i t i a l s t r e s s r a t i o r o n t h e u n d r a i n e d s h e a r b e h a v i o r o f r e c o n s t i t u t e d gra n i t e r e s i d u a l s o i l a s e ri e s o f t r i a x i a l t e s t s u n d e r d i f f e r e n t c o n s o l i d a t e d c o n d i t i o n s w e r e c o n d u c t e d o n t h e GDS t ria x i al a p p a r a t u s e t e s t r e s u l t s r e v e a l e d t h a t b o t h t h e i n i t i a l me a n e f f e c t i v e s t r e s s a n d t h e i n i t i a l s t r e s s r a t i o h a v e e f f e c t s o n the u n d r a i n e d s h e ar b e h a v i o r I t wa s f o u n d t h a t f 0 r t h e g r a n i t e r e s i d u a l s o i l i n t h i s s t u d y 。u n d e r t h e s a me i n i t i al s tr e s s r a t i ot h e r e w o u l d b e a n i n c r e a s e o f u n d r a i n e d s h e ar s t r e n g t h a n d e x c e s s p o r e wa t e r p r e s s u r e wi t h a h i g h e r i n i t i al me a n e f f e c t i v e s tr e s s B e s i d e s ，u n d e r t h e s a me i n i t i al me a n e f f e c t i v e s tre s s ，t h e h i g h e r t h e i n i t i a l s t r e s s r a t i o i s ，t h e h i g h e r t h e u nd r a i n e d s h e a r s t r e ng t h a n d t h e l o we r t he e x c e s s p o r e w a t e r p r e s s u r e w o u l d b e Ho w e v e r ，a u n i q u e c ri t i c a l s t a t e l i n e c an b e p o s t u l a t e d i n e - p - q s p a c e ，r e g ard l e s s o f t h e v a r i O U S i n i t i a l me a n e ff e c t i v e s t r e s s a n d i n i t i a l s t r e s s r a t i o Ke y wo r d s： gra ni t e r e s i d ua l s o i l ；t r i a x i al t e s t ；s t r e s s p a t h；c rit i c a l s t a t e l i n e；3 - D s p a c e