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海外工程十五年之五十四——土强度试验的排水条件与强度指标的应用

    周末,清晨。读李广信教授《岩土工程五十讲》,这本书我带在身边已经十几年。每次阅读,颇有收获。

      下面,把李老师书的的一篇文章,特意摘录出来,请大家欣赏。更多内容请参阅原著。

土强度试验的排水条件与强度指标的应用

.引言

    土是由三相组成的:液、气相与固体颗粒。它们间的相互作用对于土的抗剪强度有很大影响,存在着孔隙水压力、吸力等土力学所特有的要素,它们出现在土的应力中,对土的强度影响不容忽视。这样,对饱和土体提出了有效应力原理;对非饱和土提出包括基质吸力的双应力体系。相应的,土的抗剪强度指标中分为有效应力强度指标和总应力强度指标,总应力强度指标又分为固结不排水和不固结不排水强度指标。确定强度指标需要通过室内外试验与侧试,不同的试验方法测得土的强度指标有较大区别。而在工程应用中,选择的试验条件应当尽可能与实际工程条件相似,这就使工程中土的抗剪强度指标选择成为一个极其重要的课题。

例如,在饱和软黏土地基上修建土堤(路堤、防洪堤、防波堤等),如果采用地基土的(不固结)不排水强度指标,则土堤的高度会受到限制;如果采用固结不排水强度指标,设计高度可明显增加,但是填土速度需要限制,或者进行地基的砂井排水处理。黏性土作为土坝的筑坝材料,如果在施工助间不产生超静孔隙水压力,则边坡可以更陡,否则就要考虑施工期的超静孔压,采用不排水强度,减小内摩擦角。而对于大型土坝,摩擦角减小几度,土方量可能增加上百万立方米。

关于强度指标的正确选用,目前在一些工程技术人员中存在一些误解或者模糊的认识,这需要加强对土力学基本概念和原理的理解并在工程实践中逐步提高,正确合理地解决与土的强度有关的工程问题。

.直剪试验与三轴试验确定的强度指标

在测定土的强度指标时,根据工程中土的渗透系数、排水条件及施工速度,采用的直剪试验有慢剪、固结快剪和(不固结)快剪试验三种;三轴试验有(固结)排水试验、固结不排水试验和(不固结)不排水试验三种。三轴试验通常称为三轴压缩试验(triaxialcompression test),也叫做三轴剪切试验(triaxial shear test)。这种三轴试验围压σ3一般为常数,亦即常规三轴压缩试验。

在某规程标准中,将三轴固结不排水试验等同于固结快剪试验,其强度指标也称为固结快剪指标,这显然是错误的。所谓不排水是指在三轴试验中,施加主应力差(61 -63)时与试样连通的排水阀门是关闭的,这就保证了试样中的水不能排出,与荷载施加的快慢没有任何关系。当然为了节省时间,都是尽快施加荷载,因为尽管你加载速率极慢,结果也是一样的。也有人将直剪试验的固结快剪写()成是固结不排水试验。将快剪试验称为不排水试验,也是错误的。在直剪试验中,很快的剪切速度对于饱和黏土确实限制了排水,其强度指标往往与三轴试验中的不排水情况相近;但是对于粉土、砂土和碎石土,二者则可能根本不同。由于直剪试验上下盒之间存在缝隙,对于渗透系数较大的土,即使在快剪影过程中,这种缝隙也足以提成水了。所以对于颗粒较粗的砂土和碎石土,固结快剪、快剪试验得到的内摩擦角基本都是有效应力的值。有的规范对于(三轴)不排水剪与(直剪)快剪不加区别,甚至对于碎石土及砂土的强度指标也要求“三轴试验确定的固结不排水剪强度指标”,则是明显的误导。砂土与碎石土的三轴固结不排水强度指标在实际工程中极少应用。也有的核心学术期刊中将直剪试验的固结快剪强度指标表示为ccuφcu这种混淆吏是不可容忍了。

.不排水强度指标的测定

三轴不固结不排水试验简称不排水试验(UU:unconsolidated-undrained triaxial test),在地基基础工程中它常用于饱和软戮土的强度指标测定中。对于饱和正常固结原状土,其取样过程是土样从原位应力状态(K0固结状态——图1中的A)减少到总应力为0,而为了能够保持原状土的不回弹与体积不变,需要保持一定的有效应力。根据式(1),需要有一个负的超静孔隙水压力ut(B)。在图1中,取样以后,土样中的总应力为0,残余孔压为ur<0,有效各向等压应力。如果试样是完全不回弹的,则ur< 的大小应当是使试样的体积不变,亦即取样以后的体积与在地下时的原位体积相同。

                                                                 (1)

1正常固结黏土在沉积和取样过程中的有效应力路径

    上述条件对取样的技术和设备要求很高;另外,负的孔压ur绝对值不可能大于和等于大气压力,所以取样深度也不能过深。如果不能满足这样的要求,试样可能回弹、松弛,甚至进气而成为非饱和土,测得的强度指标失真。在某些勘察报告提交的饱和黏土的不排水内摩擦角φu°高得多,可能就是这种原因。也有的勘察报告提交的饱和土的“不排水”内摩擦角φu高达15°~20°,就更叫人费解了,因为不管是什么土,在完全饱和土的三轴不排水试验中,其内摩擦角理论上都必须为零。所以给出的可能是直剪试验的快剪指标,这时对于一些粉土有可能得到较高的内摩擦角。

如果不能满足试样完全不回弹与不扰动,则可以在原位有效自重压力下固结,然后再进行三轴不排水试验测定土的强度指标。如果取样后土样的有效应力已经减少,甚至已卸载到0(1),则需要施加固结压力使试样的体积与原位体积相同。值得指出的是,对于一正常固结饱和黏土戮层,可取其层中点的有效自重应力固结到原位体积以后,再进行几个围压的三轴不固结不排水试验,而不能按每一深度的实际自重应力分别固结,再将不同深度的试样破坏时的莫尔圆的包线作为强度包线,这样得到的强度指标就不是不排水而是固结不排水的强度指标了。

无侧限压缩试验(unconfinedcompression test)得到的强度qu有时也叫做无侧限抗压强度。它是UU试验的一种特殊情况,亦即施加的围压为0,而实际的有效围压为-ur。用这种试验同样可以得到不排水抗剪强度cu=qu/2。所以将qu叫做无侧限抗压强度是不妥的,因为土没有单纯的抗压强度”,只有抗剪强度(极少情况考虑抗拉强度)。无侧限压缩试验对试样的要求很高,条件是:①试样完全饱和;试样必须是原状、均匀、无缺陷的;③在粘土情况下,初始的有效围压等于残余毛细应力(负孔压),如图1所示,没有回弹及再固结;取样后,试样必须快速地试验到破坏(5~15min),以免发生水分蒸发和表面干燥。

    原位的十字板剪节试验也是测定饱和软粘土不排水强度的一种方法。由于试验的应力状态与应力路径、土样的扰动程度、仪器设备的影响,通过现场十字板剪切试验、无侧限压缩试验、不排水三轴试验和直剪试验的快剪试验得到的结果不可能完全一致。

.非饱和土的强度

    根据非饱和土的强度理论,吸力s=ua-uw对于土的强度有很大贡献。弗雷德伦德(D.G. Fredlund)提出了一种非饱和土强度的表达式

            τf=c’+(σ-ua)tanφ’+(ua-uw)tanφ”                                             (2)

而在工程问题中,我们通常没有单独考虑到吸力对于强度的贡献。有人认为这里隐含着一个吸力对抗剪强度的安全储备。而实际上,如果使用原含水率的原状土试样进行三轴和直剪试验,其中吸力对于强度的贡献已经包括在强度指标之中了,亦即

c=c’+ (ua-uw)tanφ

    另一方面,如果是对饱和度较度的土进行不排水不排气强度指标(例如在最优含水率下黏性填土的压实的填方工程)进行分析,则其中施加围压产生了正的超静孔隙气压力和孔隙水压力,所以非饱和土在一定条件下会发生正也压。这样,在很多工程问题中,不是考虑还有多少安全储备的问题,而是考虑一量吸力丧失(如降雨和浸水),安全系数会降低多少的问题。这也是一些基坑由于降雨和邻近管路漏水而引起支护倒塌的主要原因。

.强度指标的工程应用

1.有效应力强度指标与总应力强度指标

根据有效应力原理,土几的抗剪强度是由土的有效应力决定的,孔隙水压力对于土的抗剪强度没有任何贡献,因而便用有效应力强度指标是最为明确合理的。在一切没有超静孔隙水压力或者孔隙水压力可以确定时,都应当用有效应力强度指标。

对于砂土和碎石土,在通常的加载速率和排水条件下,可使用有效应力强度指标计算设计;只有在松散状态下的饱和粉细砂土,扰动或振动引起的液化或者流滑时才类似于固结不排水的情况。砂土和碎石土的有效应力强度指标应通过三轴排水试验确定,由于其渗透系数大,试验的加载速度可以很快。如果使用直剪试验,剪切速率以孔压能够消散为准,一般其剪切速率为快剪即可。对于黏性土,如果没有产生超静孔隙水压力或者孔隙水压力可以确定时,可以应用有效应力强度指标。例如用稳定渗流的流网可以较准确地确定正常使用处于稳定渗流状态的土坝中各点的孔隙水压力,长期稳定的天然土坡,在软弱土地基上施工非常慢的填方,或者使用砂井和塑料排水板加速地基固结而在加载时孔压可以消散的情况。

    黏性土的有效应力强度指标可以通过三轴排水试验或者直剪仪的慢剪试验确定,也可以通过三轴固结不排水试验,同时量测孔隙水压力测定有效应力强度指标。

    在很多与饱和或者高饱和度的勃性土有关的工程问题中,存在无法确定的超静孔隙水压力,已知的只有总应力,在稳定和强度问题计算分析时只能采用总压力强度指标。这时可以是三轴试验的固结不排水或不固结不排水指标(ccuφcuccuφcu),直剪试验的固结快剪或者快剪强度指标。一般直剪试验较易于操作,有的工程技术人员也习惯于使用它。由于三轴试验不排水加载过程阀门完全关闭,这与实际工程间题有一定差别,是一种极端情况。

应当看到,工程实践中强度指标的正确选用绝非易事,由于现场的土质、施工速度控制、排水的边界条件十分复杂,而试验的排水条件和应力路径与工程实际的情况很难一致,使其成为土工问题的主要难点之一。强度指标的合理选用基于对工程条件的了解和对于土力学基本概念的准确把握。

2.固结不排水强度指标的使用

如果土体在现有的应力体系中平衡并完全地固结,然后,由于某种原因而很快施加荷载形成不排水情况,这时就适用于固结不排水强度指标。如图2中所示的凡种工况。其中图2a)表示的是在填方部分1作用下填方及地基已经固结稳定,然后又很快施加填方部分2;图2b)表示土坝蓄水后库水位骤降时土坝上游边坡的稳定分析;图2c)表示在一个天然土坡上很快施工一个填方的情况。在这些情况的稳定分析中都适于使用固结不排水强度指标。

2在黏性土中使用固结不排水强度的例子

3.不排水强度指标的使用

如果在黏性土工程问题中,荷载是很快地被施加,从而被引起的超静孔隙水压力没有时间消散,土也没有时间在这种荷载产生的围压下固结。在这种情况下,我们假设施工中所施加的总应力变化不影响原状土的不排水强度。图3中所列的几种例子包括:图3a)在正常固结软豁土地基上很快地填筑填方工程;图3b)很快施工的土坝在竣工稳定验算时;图3c)在正常固结黏土地基上很快施工基础及上部结构。这些工程的稳定分析和承载力验算中的控制条件是刚刚施加了荷载之后。而随着时间的延续,孔压消散,土被固结,地基或边坡也变得更加安全了。实际工程的施工工程中,大部分属于“部分固结”的情况,使用不排水强度指标是偏于安全的。

3在黏性土中使用不固结不排水强度的例子

4.砂土的固结不排水强度指标应用

如上所述,砂土一般是采用有效应力强度指标进行分析计算,但是饱和粉细砂在一些情况下,发生的现象应当用固结不排水强度指标进行分析,这就是液化与流滑(流沙)。图4表示的是饱和松砂的固结不排水试验的应力应变曲线和有效应力路径。这时很小的应变引发了很大的超静孔隙水压力,使有效围压急剧减少,有效应力接近于0,砂土发生流滑,成为流沙,这其实是一种广义的液化,也称为静态液化。最后残余的固结不排水内摩擦角只有几度。图5表示的是邻水的松砂坡由于很小的扰动产生了应变,引发超静孔隙水压力而流滑的现象。最后稳定时的坡度只有3°~5°,这就是为什么天然的河滩与海滩都是非常平缓的原因,也是饱和松砂的工程中经常发生流沙而失事的原因。

4饱和松砂的固结不排水试验

5邻水松砂坡的液化与流滑

.结论

(1)在土的三轴试验中是以与试样相连阀门的开关控制排水条件,直剪试验中是以加载速率控制排水条件。二者的强度指标不应混淆。

(2)室内试验测定原状地基勃土的不排水强度指标需要有良好的取样技术和设备;当取样深度大,试样有回弹和扰动时,可采用相应于原位有效自重应力的预固结,进行不排水试验。

(3)通常用非饱和原状土进行三轴和直剪试验测定的快剪强度中实际已经包含了吸力的贡献,不应再考虑吸力的潜在安全储备。

(4)有效应力强度指标、固结不排水、(不固结)不排水强度指标的工程使用是非常重要的,应当根据土质情况、施工加载速率、周围排水条件、地基处理等因素综合分析,合理选用。

(5)饱和松砂的固结不排水强度指标极低,在实践中,由于扰动发生很小的应变时,如果来不及排水,可能发生流沙而引起事故。


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作者: ganggouren

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