黏土特性论文：黏土特性实验探究

本文作者：盛佳韧武朝军叶冠林王建华作者单位：上海交通大学

自动控制刚柔复合真三轴仪

1三轴室构造特点

真三轴仪根据3向应力边界条件可分为刚性、柔性和刚柔复合3种形式。刚性真三轴仪以Airey等[13]设计的采用6块滑动加压板的剑桥真三轴仪为代表，优点是土样在3个方向均能发生较大变形，但存在刚性板与土体摩擦、刚性板之间摩擦影响土样受力的缺点，试样安装过程也较为繁琐[14]；柔性真三轴仪以Ko等[15]发明的刚性框架加6个加压囊的模式为代表，仪器组装相对简便，6个柔性加压面能保证试样表面受力均匀，但相邻柔性加压囊容易产生相互干扰。复合型真三轴仪可分为1个方向刚性加荷和2个方向刚性加荷2种。赵锡宏、邵生俊开发的复合真三轴仪属于一个方向刚性加荷[9,11]，另2个方向采用柔性囊或压力室内液压加载。Green于1969年发明的复合真三轴仪属于2个方向刚性加荷，1、2由刚性加压板提供，3由压力室内水压直接作用在试样外橡皮膜上[11]。但此类复合真三轴仪存在2个问题：（1）因构造原因无法实现π面上0°～360°的任意洛德角应力路径试验，即小主应力3由围压室内水压施加，导致其大小不能超过竖直方向和水平刚性板方向的应力。（2）轴向刚性板容易与中主应力方向刚性板相互顶托（见图1），影响试样的受力与变形。本次研究所用的自动控制复合真三轴仪[16]与1983年Nakai[4]开发的压力室结构相似（见图2），两对刚性加压板分别施加竖直与水平向压力，另2个面由压力室内水压加压。该种类型压力室较为巧妙地设计解决了上述2个问题，具体解决方法如下：（1）通过改变橡皮膜位置实现π面上0°～360°的任意洛德角应力路径试验。一般复合真三轴仪的橡皮膜只包裹住土样，刚性板在橡皮膜外（见图3(a)），水平方向刚性板施加在土样上的应力等于压力室内水压与刚性板压力之和，无法小于围压室的水压；而Nakai将橡皮膜设计于刚性板之外（见图3(b)），通过与刚性板相连的水平向气缸施加压力或拉力，可实现剪切时土样在该方向上所受压力小于围压室内水压，以此达到进行0°～360°的任意洛德角试验的目的。（2）通过用竖向刚性板1、围压室水压施加2、水平方向刚性板施加3的加载方法，保证在剪切时两对刚性板朝相反方向运动，不相互顶托。一些学者为解决这一问题提出了不少方案。Lade等[17]于1973年设计了软木和金属板复合的中主应力方向加压板来解决这个问题（见图4）。复合中压板的垂直方向刚度十分小，轴向钢板压在其上时能不受太大抗力自由变形；而水平方向刚度相当大，水平向可以等效为刚性板。殷宗泽等[18]在1999年开发了类似设计的ZSY-1型复合真三轴仪；而Yin等[10]在2010年采取的方法是将Hambly等提出的刚性真三轴仪滑动板设计方法应用于复合真三轴仪两对刚性板上。本试验使用的压力室橡皮膜包于刚性加压板之外，使得0°～60°的洛德角试验中，轴向刚性板施加的1，水平刚性板够施加3，即竖直方向发生压缩变形，水平刚性板方向发生拉伸变形，解决了相邻刚性板相互顶托问题。相对于Lade[2]与Yin[10]等的解决方法，这种方法在构造上较为简单，有利于设备在长时间的固结与排水试验中保持稳定，同时能避免两对刚性板同时向里压时造成的相互顶托问题。作者的大量试验也证实了其在排水试验中的可靠性。

2本文所做改进

本试验机在Nakai三轴室的基础上做了改进：（1）减小了试样尺寸，现为8.0cm×8.0cm×5.0cm，可以减少黏土试样排水时间，有利于进行排水剪切试验。（2）将轴向荷载传感器安装在压力室内（见图2），减小了密封衬套摩擦对轴力测定的影响。自主开发了新的配套自动控制装置，采用自编控制软件、微机、D-A转换卡、电–空调压阀(E/Pregulator)，对3个方向主应力进行实时、无级自动控制；利用应力、变形、孔压和体变传感器和TDS300数据采集仪对土体三向应力、变形、孔压与体积变化进行自动测量。改造后的真三轴仪能进行精细复杂的应力路径试验，装置见图5。系统的详细介绍可参考文献[16]。上海软土压缩性较大，固结过程中两对刚性板容易发生相互顶托。为此，本次试验采用预切较大尺寸试样方法（通过多次尝试可知，得到8.5cm×8.5cm×5.3cm对于上海④号软土较为合适），保证土样固结完成后刚性板没有相互接触，且固结完成后尺寸基本为8.0cm×8.0cm×5.0cm，将边角效应降到最低。

土样获取与仪器组装

本次研究所用上海④号软土从上海龙华地区某地铁车站基坑开挖现场取得，埋深为8.0m，是灰色饱和粉质黏土。采用分块抽样法取土，在切成立方体的土样外包裹保鲜膜、铝箔、纱布并蜡封，能够较大程度地保存土体在自然条件下的特性。包裹后的土样见图6。试样制备与仪器安装流程如下：（1）采用对土样扰动较小的钢丝锯将土样切成预定大小（8.5cm×8.5cm×5.3cm）（见图7），在6个面上贴上滤纸。（2）在两对加压不锈钢板上涂抹用硅脂，并贴上特氟龙薄膜，以减小不锈钢加压板与土样之间的摩擦。（3）在加压钢板之间拉好乳胶膜，将试样放置在橡皮膜内，向试样与橡皮膜间加水以排出空气。（4）组装压力室，并向内注水，接好仪表和各类管线。（5）在控制软件中设定土样固结压力，剪切应力路径、固结、剪切时间和自动测量时间间隔等参数，开始进行试验。

试验方法与结果分析

1试验方法

先进行等向固结，然后进行不同洛德角排水剪切试验，研究上海软黏土在三向应力状态下的强度特性。土样的基本物理特性见表1。固结压力都取为100kPa（大于8m埋深土体初始固结应力，为正常固结），固结时间为5d，用根号t法确定固结是否结束；剪切时在如图8所示π面内1区中取5个洛德角（0°、15°、30°、45°和60°）。剪切过程中采用应力控制的方法控制3个主应力沿设定的洛德角应力路径变化。为保证排水剪切过程中土样内孔压完全消散，剪应力增加速率控制在0.33kPa/h，每个试样剪切时间设置约为10d左右。

2试验结果分析

由图中可以看出，上海原状软土的抗剪强度随着洛德角的增大，有不断降低的趋势，60°拉伸强度比0°压缩强度低大约27%左右；土体强度在破坏前随应变一直增加，没有出现结构性较强黏土在较低围压下应变软化现象，这可能与试验采用应力控制加载有关。各个洛德角试验曲线屈服点与破坏点位置见图10。图10中，破坏点取的是最先达到极限应力的点，屈服点位置按照双线性方法得到。采用双线性方法确定弹性界限（屈服点）位置的方法由Tavenas提出[19]，Prashant将其应用于高岭土真三轴试验中应用[20]。该方法假设屈服点前后应力-应变关系为斜率不同的线性关系，斜率突变点就是屈服点所在位置。如图所示，洛德角为45°时试样初始弹性部分刚度相对最小，60°时最大，而其余角度初始刚度大小相近；土体屈服和破坏点对应的d值随着洛德角的增大有下降趋势。如图11所示，体积变化量与洛德角间基本有着先增大后减小的趋势；在30°时体变达到峰值。初始阶段体变速度随着洛德角的增大而增大。上海原状软土π面上破坏面见图12。图12中，各个洛德角下极限强度采用归一化强度参数s/p。可以看出，上海原状软土在三向应力状态下破坏面与实际工程数值模拟中常用的剑桥模型、Drucker-Prager模型所用的vonMises破坏准则有明显的不同。与Mohr-Columb准则和Lade-Duncan准则相比，试验数据与Nakai和Matsuoka提出的空间滑移面（SMP）破坏准则[4]较为接近，但还是有一定出入。这可能与上海原状软土的初始沉积各向异性有关，作者拟对此进行进一步研究。