不排水强度随固结度增长特性试验研究

徐 可，高 翔，郑泽宇

(1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2. 河海大学 江苏省岩土工程技术工程研究中心，江苏 南京 210098)

不排水强度随固结度增长特性试验研究

徐 可1，2，高 翔1，2，郑泽宇1，2

(1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2. 河海大学 江苏省岩土工程技术工程研究中心，江苏 南京 210098)

土体的固结程度对土的强度影响很大，采用等应变速率的直剪仪研究了饱和高岭土在各级固结压力作用下的直剪强度随固结度的变化规律，研究表明：各级固结压力下的直剪强度均随固结度的增长呈近似线性增长。利用微型十字板剪切仪研究了各级固结压力作用下的微型十字板强度随固结度的变化规律，同时考虑到尺寸效应的影响，研制了配合微型十字板剪切仪使用的小直径固结仪，研究表明：微型十字板强度同样随固结度的增长而呈线性增长；将以上两种试验结果进行比较分析，发现具有很好的一致性，验证了用微型十字板剪切仪来研究饱和软粘土抗剪强度变化规律是可行的。

直剪实验；微型十字板实验；固结度；抗剪强度

在土堤堆填和软土地基处理过程中需要考虑抗剪强度随土的固结过程而增长的问题[1-3]，土的固结过程即是土体内部孔隙水排出，总应力逐渐转化为有效应力的过程。为了评价在不同时刻不同固结过程中土体强度的变化情况，室内实验中通常用直剪仪或三轴仪设计不同的初始固结状态进行剪切实验获得不同固结度下的抗剪强度[4-8]，现场实验中常用十字板剪切试验评价原位土不同时期的抗剪强度增长状况[9-11]。室内直剪试验剪切面被固定在一个特定的水平面上，并非真实的剪切破坏面，十字板试验虽然直接对现场土进行剪切，减小了取样扰动，其实际的剪切面为竖直面，土的固结多为水平成层固结，水平面相对于竖直面为小主应力方向，得到的结果与土体的实际强度相比相对偏小[12]，两类试验方法虽然各有偏差，但对工程取值计算而言均是安全可靠的，相关的工程应用和实验研究也有很多[13-18]。本文采用均质重塑高岭土分别用直剪仪和室内十字板仪开展不同固结度下的土的抗剪强度实验，并比较两种实验测得的结果大小，对室内十字板剪切仪测试结果的合理性和可靠性进行验证。

1 试验土样及试验方案

实验用土为研磨而成的粉末状高岭土，杂质少，纯度高，其主要的物理参数指标如表1所示：

表1 实验土样物理性质指标Tab.1 Physical properties of tested soil

表2 直剪和微型十字板实验达到相应固结度的时间Tab.2 Time relationship for Direct shear and miniature vane experiment in corresponding consolidation degree

配置含水率为60%的土样，充分搅拌、振捣均匀，保证每次用土为饱和土，在10 kPa压力下预固结成型。为得到不同固结度下的土体强度，需获得不同固结程度的土样，相关的制取方案很多，本实验将通过某一固结压力下达到某一固结度等于该级压力某一时间的沉降量与最终沉降量的比值来定义固结度，所设计的固结度为20 %、40 %、60 %、80 %、100 %，实验荷载大小为20、30、40 kPa，试验前记录下通过一维固结实验得到的两组实验达到对应固结度所用的时间，如表2所示，直剪试验为保证和十字板剪切的排水条件一致，采用快剪方式，试验方法参照试验标准进行[19]，十字板试验为达到某一固结度时将板头垂直压入土体内同一深度进行剪切，同一试验做两组取均值，共24组试样，在得到两种土的抗剪强度测量结果后，用以分析比较。

2 不同固结度下的直剪试验

根据一维固结压缩试验中所测得的试样在各级固结压力作用下对应固结度的时间，当后续试样固结达到这一时间时进行直剪试验，记录下直剪强度，所得结果如图1所示。从图1可以看出，在各级固结压力作用下，直剪强度基本是随着固结度呈线性增长的，且随着固结压力的增大，直剪强度值也会随之增大，这一结果与刘红军[20]等人的研究成果相符。同时在相同固结度下，直剪强度随固结压力的增大而增大且基本呈线性增长，固结度越大时，直剪强度随固结压力增大的幅度也越大。在三种不同固结压力作用下，固结初始阶段的直剪强度基本近似，约为4.2 kPa。这是由于各组试验所用试样是由统一的60 %含水率饱和高岭土试样配置而成，所以在初始10 kPa预压荷载作用下固结完成后，试样所达到的初始强度基本一致。但随着固结过程的发展，当固结压力为20 kPa时，试样抗剪强度最大能达到约9.14 kPa；当固结压力为30 kPa时，试样抗剪强度最大能达到约13.51 kPa；当固结压力为40 kPa时，试样抗剪强度最大能达到约17.36 kPa。

图1 直剪强度随固结度变化Fig.1 Relationship between direct shear strength and consolidation degree

图2为各级固结压力下直剪强度增量与固结压力增量的比值随固结度的增长基本是呈非线性增长的，初始增长速率较快，然后逐渐减慢，整体在0 ～0.45左右变化，20 、30 kPa时各固结度下的归一化强度增量值一致性较好，40 kPa相对较高，总体上各级固结压力下的强度归一化曲线比较接近。

图2 直剪强度增量与固结压力增量的比值随固结度变化Fig.2 Relationship between ratio of the increment of direct shear strength to the increment of consolidation pressure and the consolidation degree

3 不同固结度下的微型十字板剪切试验

十字板试验采用武汉盘索公司生产的PSVST-M微型十字板剪切仪，考虑到常规固结仪的尺寸比较小，用微型十字板对试样进行剪切会受到尺寸效应的影响，因此特别设计了配合微型十字板剪切仪使用的直径100 mm，高度80 mm的小型固结试验装置，同样根据一维固结压缩试验中所测得的试样在各级固结压力作用下达到各级固结度时所消耗的时间，当固结达到这一时间即进行微型十字板剪切试验，记录下微型十字板剪切试验结果，所得结果如图3所示。在相同固结度下，微型十字板剪切强度随固结压力的增大而增大且呈线性增长，固

图3 微型十字板强度随固结度变化Fig.3 Relationship between miniature vane strength and consolidation degree

结度越大时，微型十字板剪切强度随固结压力增大的幅度也越大。在不同固结压力作用下，固结初始阶段的微型十字板剪切强度相似，约为5.7 kPa。随着固结过程的发展，当固结压力为20 kPa时，试样抗剪强度最大能达到约12.04 kPa；当固结压力为30 kPa时，试样抗剪强度最大能达到约18.7 kPa；当固结压力为40 kPa时，试样抗剪强度最大能达到约24.30 kPa。微型十字板强度增量与固结压力增量的比值随固结度的变化规律如图4所示，图中各级固结压力下微型十字板强度增量与固结压力增量的比值随固结度的增长基本是呈非线性增长。初始增长速率较快，然后逐渐减慢，整体在0 ～ 0.6左右变化。各级压力下的压力归一化强度聚集在同一条曲线上，整体上各级固结压力下的变化曲线具有较高一致性。

图4 十字板强度增量与固结压力增量的比值随固结度变化Fig.4 Relationship between ratio of the increment of vane strength to the increment of consolidation pressure and the consolidation degree

4 直剪强度与微型十字板剪切强度的对比

将微型十字板剪切试验结果与直剪试验结果进行比较，结果如图5所示。从图5(a)、(b)可知，在各级固结压力作用下微型十字板剪切强度及固结压力的归一化比值整体都大于直剪强度，且在一定的固结压力作用下呈现出一定的比例关系，随着固结压力的增大，微型十字板剪切强度与直剪强度之间的比例也呈现缓慢的上升趋势，当固结压力为20 kPa时，微型十字板剪切强度约为直剪强度的1.3倍；当固结压力为30 kPa时，微型十字板剪切强度约为直剪强度的1.39倍；固结压力为40 kPa时，微型十字板剪切强度约为直剪强度的1.41倍。整体上在1.27 ～ 1.47之间变化。在固结度为零的初始阶段这种差异就已经存在的原因与之前的10 kPa预压过程有关，预压结束时，这种由于试样不同位置固结速率不同而产生的强度差异已经存在了。

图5 各级固结压力下直剪试验与微型十字板剪切试验比较结果Fig.5 Comparison results of direct shear test and micro cross plate shear test at all levels of consolidation pressure

微型十字板剪切强度大于直剪强度的原因可能与试验手段造成的系统误差或与剪切面距离自由排水边界的距离有关。直剪试验中的试样上下表面均自由排水，相对于试样的中间位置，上下表面排水固结的速率要更快，强度增长自然也会更快，而进行直剪试验时，剪切面在试样的中间位置，这里的强度增长速率相对是比较低的。而微型十字板剪切试验中的试样上表面为自由排水边界，下表面则看成是完全不排水的，上表面排水固结的速率要更快，强度增长自然也会更快，进行微型十字板剪切试验时，由于剪切面在试样的上表面，这里的强度增长速率相对是比较快的，因此微型十字板剪切仪的测试结果会在整体上都大于直剪试验的测试结果。也就是说这种强度的整体差异，是由于试样不同位置处的固结速率不同造成的，除了十字板剪切位置排水条件好造成的强度较高外，也可能与直剪试验结果处理方法有关，有研究指出按照现行土工规范对直剪试验的数据处理结果比实际值土的强度要小[21]，因此导致直剪强度低于微型十字板强度。文献[15]中采用原状土的十字板试验结果和不同剪切方式下的直剪结果进行比较，得出十字板强度介于快剪强度和固结快剪强度两者之间，除去一些影响因素，本文重塑土的快剪强度和室内十字板强度的比较结论与原状土的试验结论具有一致性。

5 结论

1)饱和高岭土试样在20、30、40 kPa固结压力作用下的直剪强度及微型十字板剪切强度都随固结度的增长而呈现明显的线性增长的变化规律。

2) 室内微型十字板强度整体稍大于直剪快剪强度，整体上在1.27 ～ 1.47倍之间变化。

3)将直剪强度增量随固结压力增量的变化规律与微型十字板强度增量随固结压力增量的变化规律进行比较，发现具有很好的一致性，从而验证了用十字板剪切试验来进行软黏土抗剪强度特性研究的合理性，对软土而言，当实际工期紧迫时可以考虑采用室内十字板试验结果修正后来代替直剪试验强度。

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Experimental research of undrained strength with the increasing of consolidation degree

XU Ke1，2，GAO Xiang1，2，ZHENG Zeyu1，2
(1. Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering of the Ministry of Education，Hohai University，Jiang su Nanjing，210098，China；2. Jiangsu Research Center for Geotechnical Engineering Technology，Hohai University，jiangsu Nanjing，210098，China)

Degree of consolidation of soil has a great in fl uence on the strength of the soil. Direct shear apparatu with constant strain rate is applied to investigate direct shear strength change law with the increase of consolidation degree by saturated kaolin at all levels of consolidation pressure. Results show that direct shear strength increases linearly with the increase of degree of consolidation at all levels of consolidation pressure. Then，miniature vane shear apparatus is performed to study the micro vane strength changing rules. At the same time，considering the size effect，a small diameter consolidation apparatus cooperated with miniature vane shear apparatus is developed. Studies show that miniature vane shear strength grows linearly with the increase of consolidation degrees.Comparing the above two kinds of test results，it is found that they have good consistency. It con fi rms that miniature vane shear apparatus studying the shear strength change law of saturated soft clay is feasible.

direct shear test；micro vane test；degree of consolidation；soil strength.

TU411.7

A

1673-9469（2017）04-0019-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.04.005

2017-07-06

国家自然科学基金资助项目（51578213）

徐可(1992-)，男，安徽濉溪人，硕士研究生，主要从事地基处理研究。