吹填土联合预压过程中抗剪强度特性试验研究

王帅，张洁，徐颖，孙立强，夏开文，杨进良

（1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.天津大学岩土工程研究所，天津 300072）

吹填土联合预压过程中抗剪强度特性试验研究

王帅1，2，张洁1，2，徐颖1，2，孙立强1，2，夏开文1，2，杨进良2

（1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.天津大学岩土工程研究所，天津 300072）

为了研究天津滨海地区吹填土地基在加固过程中的抗剪强度特性，通过GDS三轴试验系统对吹填重塑土进行不同固结度下的室内不排水剪切试验。试验结果表明，内摩擦角随固结度增加呈非线性增长规律，黏聚力则无明显增长。以国内外重塑土的三轴试验数据为依据，对内摩擦角进行归一化处理得出了固结后期内摩擦角增长预测公式。此外，对固结体应变与土体抗剪强度的关系进行分析得出合适的堆载施加方式。最后，将规范法预测的抗剪强度增长值与计算值进行对比，指出本文内摩擦角预测公式的合理性。

吹填土；GDS三轴试验系统；固结度；抗剪强度；联合预压

0 引言

近年来，随着工程技术手段的不断提高，地基处理技术由单一加固逐渐向复合加固发展，真空-堆载联合预压技术就是其中之一[1-2]。真空预压加固过程中，土体受到等向球应力作用不会发生剪切破坏，随着固结度的增加其抗剪强度会逐渐增加。在堆载预压加固过程中，竖向堆载使土体产生偏应力，若单级堆载过大，土体会剪切破坏。

关于固结度对土体抗剪强度的影响问题，国内外的学者做了相关研究。在理论方面，国内常用的计算土体抗剪强度增长的方法主要为有效应力法[3-4]，该法假设内摩擦角不随固结度变化而变化，没有考虑其随固结度变化情况，与土体实际状态不符。在试验研究方面，许多学者做了很多有益的研究。何群、李佐良等学者[5-10]则通过一系列室内试验对不同地区黏性土抗剪强度特性与固结度的关系进行了研究。但已有的试验研究对抗剪强度指标增长规律均采用定性分析，没有定量地进行探究。天津滨海地区新近淤泥质吹填土具有沉积时间短、结构性弱等特点，其性质与重塑土相似。现有对于黏性土抗剪强度增长研究大多针对原状土，而关于吹填重塑土在加固过程中的抗剪强度特性增长规律还鲜有研究。

综上所述，本文采用GDS三轴实验系统对天津滨海地区新近淤泥质吹填重塑土在加固过程中抗剪强度特性增长规律进行研究，研究成果可为真空-堆载联合预压施工过程中合理选择堆载施加时间及大小提供指导。

1 试验方法与步骤

1.1 试验土样和试验仪器

1.1.1 重塑土样的制备与物理参数测定

按照土工试验相关标准和规范的要求，取天津滨海地区淤泥质吹填土，经过晾晒、烘干、磨碎、过筛后制备重塑饱和土样，直径50 mm、高度100 mm，土样基本物理参数如表1。

表1 重塑土基本物理参数Table1 Basic param eters of remolded soil

1.1.2 GDS应力路径三轴试验系统（GDSTTS）

本次试验采用英国GDS公司生产的应力路径三轴试验系统（GDSTTS），该系统包括软件、Bishop&Wesley型液压应力路径三轴压力室、标准型压力控制器（STDTTS）和高级型压力控制器（ADVTTS）。如图1所示。

图1 GDS应力路径三轴试验系统Fig.1 GDS stress path triaxial testing system

关于试验固结度控制方面，目前常常采用分次施加围压法[5]和固结时间控制法[6]，其控制方法很难做到精确控制且与真实情况存在差异。利用GDS三轴试验系统，通过孔压传感器的实时数据，可以精确监测土体在固结过程中固结度的变化情况，使试验条件更加精确，能够更真实地还原土体的真实状态。

1.2 试验方案及过程

为了探究固结过程中不同固结度下饱和重塑土的各项指标，设置不同的对照组。固结压力σ3分别为30 kPa、50 kPa、70 kPa、90 kPa、110 kPa；固结度分别为0%、10%、20%、30%、40%、50%、70%、100%。利用GDS三轴试验系统进行不同固结度下的不排水剪切试验。固结过程中反压设置为0；试样剪切时采用应变控制，速率为0.075%/min，当轴向应变达到20%后停止试验。试验前后土样如图2所示。

图2 试验前后土样Fig.2 Soilsam ples before and after the test

2 试验结果分析

2.1 抗剪强度指标与固结度的关系

将试验结果进行处理，抗剪强度指标与固结度的关系见图3。

由图3可以看出，重塑土内摩擦角φ随着固结度U的增加而呈非线性增加，并可按照其增长速率分为两个阶段：当固结度U<30%时，φ值增长速率较大；U>30%时，φ值继续增长，但其增长速率要小于第一阶段。黏聚力c受固结度U影响较小，其值略有增长。

2.1.1 固结度对内摩擦角φ的影响

为了进一步探究内摩擦角与固结度的关系，对相关文献[7，11]的三轴不排水剪试验结果进行了汇总和整理，结果如图4所示。

图3 抗剪强度指标与固结度关系Fig.3 Relationship between shear strength parameters and consolidation degree

图4 三轴不排水剪内摩擦角与固结度关系Fig.4 Relationship between the internal friction angle and consolidation degree of triaxialundrained shear test

图4中选取了3种不同重塑黏土内摩擦角φ进行汇总，可以看出：随着固结度的增加内摩擦角呈非线性增长规律，且其变化过程按照增长速率快慢可分为2个阶段，即固结度增长初期和后期。在固结度增长初期，同种土体的内摩擦角增长速率大于后期，且由图4可知，不同的土内摩擦角初期增长速率不相同，但在固结度增长后期，各条曲线趋于平行，由此可以得出不同黏土的内摩擦角增长速率相差不大。

为了进一步对内摩擦角增长规律进行研究，引入土样固结度为100%时（即标准CU试验）的内摩擦角φt作为归一化因子，对不同土体的内摩擦角φ值进行归一化处理，所得φ/φt与固结度U之间的关系如图5所示。

图5 φ/φt与固结度的关系Fig.5 Relationship betweenφ/φtand consolidation degree

由图5可以看出，数据经过归一化处理后，在固结度增长前期和后期，φ/φt的增长速率仍表现为“前快后慢”。在固结前期，不同黏土的φ/φt值增长速度与规律呈现明显差异性。但随着固结度的增加，该差异性逐渐减弱。固结后期，不同黏性土的φ/φt与U关系呈现出了较好的线性规律，集中分布于一条直线上，直线可拟合为：

φ/φt=0.005 37U+0.468 92 （1）

由此可知，在固结初期，不同黏土的φ/φt值先会显著增加（不同黏土的增长规律之间存在差异），待其增长曲线与趋势线相交后，φ/φt值会沿着趋势线增长，此阶段内摩擦角可根据式（1）进行计算。

根据土力学的相关定义，内摩擦角反映的是土体内部颗粒之间的摩擦特性。土体在固结初期，其体应变较大，颗粒间的嵌入和联锁作用明显，故φ值增长迅速。

2.1.2 固结度对黏聚力c的影响

将前述文献的黏聚力进行搜集整理，黏聚力与固结度的关系由图6所示。随着固结度的增长重塑土的黏聚力变化不明显，其原因为：土体在重塑过程中其结构性被破坏，加之试验所用重塑土样的固结时间短，结构强度基本未形成[12]。

图6 黏聚力与固结度的关系Fig.6 Relationship between cohesion and consolidation degree

2.2 抗剪强度与固结度的关系

将图3中抗剪强度指标c、φ值代入摩尔-库仑抗剪强度准则τ=σ·tanφ+c中，可以得到不同固结度下的抗剪强度，见图7。另外，土体在不同固结应力作用下的体应变如图8所示。

图7 抗剪强度与固结度关系Fig.7 Relationship between shear strength and consolidation degree

图8 体应变与固结度与关系Fig.8 Relationship between volume strain and consolidation degree

由图7可以看出土体的抗剪强度随着固结度增加呈增长的趋势。当固结度U<30%时，抗剪强度增长较快；U>30%时，抗剪强度增长变缓。抗剪强度随固结度增长趋势与内摩擦角增长趋势相同，由此可知，内摩擦角的增长对于吹填重塑土抗剪强度的影响起主导作用。由图8可以得出，土体在固结过程体应变会增加，其体应变增长速率随着固结度增加而逐渐减小。从微观上来说，随着固结度的增加，土体的孔隙逐渐减小，有些颗粒被挤入原来的孔隙中，颗粒错动使土体结构更加密实，导致其抗剪强度增加。

为了进一步研究抗剪强度增长规律与固结体应变的关系，将不同固结度下的二者平均累计增长频率绘于图9。

图9 抗剪强度、固结体应变平均增长累计频率与固结度关系Fig.9 The average cum ulative frequency of shear strength and volume strain during consolidation

由图9可知，随着固结度的增加，体应变与抗剪强度的增长趋势基本保持一致。并且当固结度达到50%时，体应变与抗剪强度增长幅度均达到70%以上，土颗粒间空隙减少，其抗剪能力显著增强。当U>50%，内摩擦角值可用式（1）进行计算。在真空-堆载联合预压施工过程中，可以此为依据并根据工程需要，在土体真空预压不完全固结时施加合适的堆载进行联合预压，以达到加快施工进度的目的。

另外，根据《建筑地基处理技术规范》规定，饱和正常固结黏性土在加固过程中某一固结度下抗剪强度增量可按照Δτ=Δσz·Ut·tanφcu计算，取重塑土经过荷载30 kPa完全固结时的抗剪强度为起始抗剪强度，Δσz可取80 kPa模拟真空荷载。其计算结果与摩尔-库仑准则结果如表2所示。

由表2，对于吹填重塑土来说，利用规范计算的土体抗剪强度增量值比摩尔-库仑准则计算值小，且二者误差随固结度的增加而减小。造成此差异的原因在于：通过式Δτ=Δσz·Ut·tanφcu进行计算时，假设固结过程中内摩擦角不变。而在实际工程中，土体在固结过程中其内摩擦角逐渐增大。故在实际计算时，可按照式（2）计算不同固结度下的内摩擦角，以准确计算抗剪强度。

表2 不同方法计算抗剪强度增量Tab le 2 Calculation of shear strength incrementby different methods

3 结语

本文对天津滨海吹填重塑土进行不排水剪切试验，进行数据整理与分析后可得到以下结论：

1）随着固结度的增加，重塑土的内摩擦角首先快速增长，而后（固结度>30%）其增长速率降低且趋于定值，此阶段内摩擦角可用式φ/φt= 0.005 37U+0.468 92计算；黏聚力增长不明显。因此，内摩擦角与吹填重塑土抗剪强度增长趋势基本一致。

2）以不同地区的重塑黏性土的三轴试验数据为依据并利用归一化方法建立φ/φt与U的关系，发现在固结初期不同黏土内摩擦角增长速率各不相同；在固结后期，内摩擦角增长速率趋于定值且相差不大，可用一条趋势线描述其增长规律。

3）分析加固过程中体应变与抗剪强度的增长频率，可得出吹填土在固结过程中的增长规律。将规范预测值与摩尔-库仑计算值对比，说明了预测公式的可靠性。试验成果可为真空-堆载联合预压施工过程中合理选择堆载施加方式提供指导，加快施工进度。

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Experimental research on shear behavior of dredger fills in vacuum-surcharge preloading process

WANG Shuai1,2,ZHANG Jie1,2,XU Ying1,2,SUN Li-qiang1,2,XIA Kai-wen1,2,YANG Jin-liang2
（1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.Institute of GeotechnicalEngineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China）

To study the characteristic of shear strength during consolidation,the undrained test of remolded soil that made of dredger fill from Tianjin coastalarea had been done by using GDS stress path triaxial testing system.The test result shows that the growth rates of internal friction angles not a constant.The growth of cohesion is notsignificant.According to the triaxial test data of remoulded soil from domestic and overseas,we normalized the value of internal friction angle,and summarized the internal friction angle growth formula.In addition,the relationship between shear strength and consolidation volume strain was also studied to obtain the appropriate application method of surcharge.The predicted shear strength of the standard method is compared with the calculated value,and the rationality of the friction angle prediction formula is pointed out.

dredger fill;GDS stress path triaxial testing system;consolidation degree;shear strength;vacuum-surcharge preloading

U655.544.4；TU432

A

2095-7874（2016）11-0030-05

10.7640/zggw js201611007

2016-07-28

2016-08-29

国家自然科学基金项目（51479131）；天津市自然科学基金重点项目（13JCYBJC40600）

王帅（1991— ），男，天津市人，硕士研究生，主要从事软土地基加固方面的研究。E-mail：WangShuai01_TJU@163.com