張慶建 徐立洲 張富臣 于磊

長期運行階段下黏質筑壩材料抗剪強度指標常通過直接剪切慢剪試驗獲取，試驗過程中要保證孔隙水壓力充分消散，剪切速率比快剪試驗要慢得多，而筑壩材料不如細粒土均質，不同材料物理、力學性質差異較大，水利和水電試驗規(guī)程中并無統(tǒng)一、固定的剪切速率。

SL 237—1999《土工試驗規(guī)程》[1]和DL/T 5356—2006《水電水利工程粗粒土試驗規(guī)程》[2]粗顆粒土直剪試驗中均采用應力控制式直剪儀，水平剪切荷載分級施加，1 min內剪切變形不超過0.01 mm即可施加下一級荷載。隨著大型粗顆粒土試驗設備的技術創(chuàng)新發(fā)展，近幾年，應變控制式大型直剪儀技術已經(jīng)比較成熟，隨之GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[3]粗顆粒土直剪試驗推薦使用應變控制施加水平荷載，而對于水平加荷速率并沒有固定數(shù)值參考，僅規(guī)定剪切破壞歷時可根據(jù)固結度達50%所用時間t50的50 倍或固結度達90%所用時間t90的12 倍進行估算，然后根據(jù)剪損時剪切變形計算剪切速率。根據(jù)一維滲流固結理論，剪切速率與固結特性有直接關系。

目前，對于細粒土固結特性研究成果較多。吳雪婷[4]進行了淤泥固結系數(shù)與固結應力關系研究，認為固結系數(shù)隨著固結應力的增加先減小后增大。桂躍等[5]對泥炭土原狀樣和重塑樣分別進行分級加載固結試驗，研究表明，2 種狀態(tài)試樣固結系數(shù)均隨固結壓力增加先迅速減小，然后逐漸趨于穩(wěn)定。

對于粗顆粒土固結特性的相關研究較少，本文通過對泥巖和黃土混合料進行大型壓縮試驗，采用改進的時間平方根法對不同固結壓力下t90參數(shù)及固結系數(shù)變化特性進行研究，進一步明確相應固結壓力下的剪切速率，并研究剪切速率與固結系數(shù)間的關系，為黏質粗顆粒土慢剪試驗提供參考。

1 大型壓縮試驗方案

試驗通過大型壓縮儀進行，試驗用料采用白龍江引水工程泥巖和黃土混合料，比例為2∶8，泥巖和黃土均取自地表擾動料。首先對混合料進行擊實試驗，以最大干密度和最優(yōu)含水率為制樣指標，試樣直徑為505 mm，高度為300 mm，相關物理性質指標見表1。

表1 泥巖、黃土混合料物理性質指標

制樣完成后采用抽氣和水頭的方式飽和，然后按照固結壓力p為100、200、400、800、1600、3000 kPa 的順序分級施加，1 h 內垂直變形不超過0.01 mm即施加下一級荷載。不同固結壓力下變形—時間疊加曲線如圖1所示。

圖1 變形—時間疊加曲線

2 固結特性

2.1 固結系數(shù)特征

固結系數(shù)計算方法主要有時間平方根法、時間對數(shù)法及三點法，其中時間平方根法主要優(yōu)點是可以在較短的固結時間內確定固結系數(shù)，因此常作為研究人員的首選方法。相比于細粒土，粗顆粒土均勻性差，主固結過程中難免伴隨有顆粒破碎情況；同時粗顆粒土試樣尺寸較大，所施加的荷載也較大，設備加荷過程并不是理論上的瞬時完成，考慮到黏性粗顆粒土的變形滯后性，在變形s—時間曲線中取開始直線段進行固結系數(shù)計算與實際差異較大，圖2 給出了固結壓力3000 kPa 下s—曲線。

圖2 s—關系曲線

由一維滲流固結理論可知，時間因數(shù)Tv與固結系數(shù)Cv滿足式（1），并當固結度Ut≤0.6 時，Ut與Tv滿足式（2）。

式中H——排水距離；

t——固結歷時，當t=t90時，Tv=0.848。

式（2）關系表明，在s—曲線中，變形量在穩(wěn)定變形量的60%以內，試驗點理論上呈線性關系。對于細粒土，試樣厚度小，滲流固結路徑短，固結時間也相應地縮短，初始壓縮影響較小，可取開始直線段進行固結系數(shù)計算。綜上分析，對于粗顆粒土，直線段建議取穩(wěn)定變形量40%～60%試驗段，如圖2中線②所示；線③橫坐標為線②對應試驗點的1.15 倍，兩線相交于ds點，o-ds即為該級固結壓力下總的初始壓縮量；線③延伸交線①于m點，即對應于固結時間t90，根據(jù)式（1）即可得到不同固結壓力下的固結系數(shù)，如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著固結壓力增加，泥巖和黃土混合料固結系數(shù)先迅速降低，逐漸趨于穩(wěn)定后略有增加。當時間因數(shù)與排水距離一定，t90與固結系數(shù)成反比，固結系數(shù)越大，試樣完成固結所需要的時間越短。試樣泥巖和黃土均為地表擾動樣，固結系數(shù)變化拐點所對應的固結壓力σp'與制樣指標有關，是代表試驗室試樣的一種先期固結壓力；當p<σp'時，試樣處于超固結狀態(tài)，當p=σp'時，可認為試樣處于正常固結狀態(tài)。當外力達到臨界應力附近時，試樣的物理、力學性質或會發(fā)生明顯變化。

2.2 壓縮系數(shù)和滲透系數(shù)特征

針對上述固結系數(shù)的變化特性，從微觀定義角度對固結系數(shù)進行分析，如式（3）所示，不同固結壓力下壓縮系數(shù)及計算滲透系數(shù)如圖4所示。

圖4 壓縮系數(shù)、滲透系數(shù)與固結壓力關系曲線

式中k——試樣滲透系數(shù)；

e0——固結前試樣孔隙比；

a——試樣壓縮系數(shù)；

γw——水的容重。

由式（3）和圖4 可知，固結系數(shù)Cv大小與滲透系數(shù)和壓縮系數(shù)比值k/a相關，在固結過程中，試樣持續(xù)壓縮，k、a數(shù)值均呈遞減趨勢。具體的，當p<σp'時，滲透系數(shù)k值隨固結壓力增加迅速降低，如固結壓力1600 kPa 時，滲透系數(shù)k為200 kPa 時的1/15，而壓縮系數(shù)a僅為200 kPa 時的1/2 左右，說明有效應力的增加導致的孔隙減小遠不如由于孔隙減小而導致的滲透系數(shù)降低幅度大，因此固結系數(shù)在此壓力階段迅速降低。當p>σp'時，滲透系數(shù)k值已基本趨于穩(wěn)定，受固結壓力影響較小，而壓縮系數(shù)a隨固結壓力增加仍有明顯降低趨勢，此時有效應力的增加對壓縮系數(shù)影響仍較大，因此固結系數(shù)反而有小幅增加的趨勢。

3 慢剪速率確定

參考GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》粗顆粒土直剪試驗，剪切破壞歷時可根據(jù)固結90%所需時間t90的12倍進行估算；為保證孔隙水壓力充分消散，以最小剪切位移50 mm 進行計算剪切速率，剪切速率隨固結壓力及固結系數(shù)變化關系如圖5所示。

圖5 剪切速率與固結壓力、固結系數(shù)關系曲線

由式（1）、圖5可知，剪切速率Vt與固結系數(shù)Cv呈正比例關系，通過試驗數(shù)據(jù)擬合分析，滿足式（4）：

固結壓力在1000 kPa 以內對固結系數(shù)影響較大，剪切速率也隨之變化；因此，當法向應力在此范圍內進行慢剪試驗時，剪切速率應按固結系數(shù)進行分級調整以保證孔隙水壓力充分消散，此時剪切速率在0.035～0.17 mm/min之間，剪切時間在5～24 h范圍內。當固結壓力超過1000 kPa時，即圖5中的虛線區(qū)域，固結系數(shù)變化較小，相應的剪切速率也差異不大，可取試驗中剪切速率平均值0.03 mm/min 作為統(tǒng)一的慢剪速率，此時剪切時間約27.5 h。作為同類黏質土料，規(guī)范中細粒土慢剪速率一般選用0.02 mm/min，相比而言，粗顆粒土滲透系數(shù)和壓縮模量一般較細顆粒土大，固結系數(shù)偏大，上述慢剪速率可滿足孔壓消散。根據(jù)試驗具體級配，可在滿足試驗規(guī)程的同時盡可能減小試樣高度，這在一定程度上減小了試樣滲流固結路徑，從而減少固結時間，剪切速率也可以適當提高。對于同類黏質粗顆粒土或制樣指標類似的試樣，慢剪試驗剪切速率可參考式（4）進行估算。

4 結語

通過對粗顆粒土進行大型壓縮試驗，研究了黏質粗顆粒土的固結特性及慢剪速率確定方法，得到以下結論：

（1）試樣固結系數(shù)與所承受的固結壓力有關，隨固結壓力增加先急劇減小后略有增加，固結壓力拐點與擾動試樣制樣指標有關。

（2）固結壓力小于1000 kPa時，慢剪剪切速率應根據(jù)固結系數(shù)調整；固結壓力超過1000 kPa時，慢剪試驗可按0.03 mm/min剪切速度施加剪應力。

（3）通過對黏質粗顆粒土固結系數(shù)計算和固結特性分析可以較為準確地確定慢剪剪切速率，對進一步研究黏質粗顆粒土固結和剪切特性提供參考。