芝加哥黏土三轴试验结果及影响分析

为研究芝加哥软土的小应变特性，对结果的影响，本书首先对芝加哥软土在三轴实验中的小应变特性进行分析。美国西北大学从Block 37工程现场采用薄壁取土器(Tube)和手工切土方法(Block)分别采取了不同土层的土样。实验设备包括气压加载系统、小型水下轴向和径向LVDT和弯曲元。LVDT是用来测量土体小应变特性，而弯曲元是用来测量在土体在非常小的应变状态下的特性。

本实验采用的三轴系统可以用来测量土体残余有效应力、饱和试样、重固结以及剪切加载。土样首先加载至残余应力来减少土样膨胀的影响以及由此而引起的其他影响。在预加载应力路径改变的时候，试验中加了排水蠕变过程来减少取样对土体的扰动。

1.土样

2004年，美国西北大学采用薄壁取土器从现场埋深5～6.5 m、8.4～9.3 m和15.2～15.8 m处取了三个土样。2007年10月和2008年4月，又从现场9 m深度和15.5 m处分别手工切取3个块体试样。图4-11是采样点的平面分布图。图4-12所示为A-A截面的土层分布。

采集块体土样时，首先在采集点周围挖一道土沟，然后在每个采集点深度切取6块边长0.3 m的土块。每个土块都包装上塑料薄膜然后蜡封，以减少在运送过程中水分流失。柱状土样在采取后同样蜡封，以保持水分。土样在运达西北大学后保存于4℃的温室中。

2.实验设备

A.三轴测试仪器

本实验采用CKC循环加载系统来给试样加载。该自动控制系统由Soil Engineering Equipment公司的C.K.Chan和香港科技大学的李相菘教授设计。Chung(1991)详细介绍了该设备的构成、标定和操作。Holman(2005)和Cho(2007)对实验设备进行了改进，用来测量土体在小应变和极小应变状态下的土体特性。图5-13为CKC加载系统的组成图。他们用循环空气加载系统代替了原有油压加载系统，并扩大了压力室的尺寸以放置LVDT和弯曲元。CKC加载系统由外部测量设备控制，具体的有轴向LVDT、加载室和三个压力转换器。这些压力转换器可以测量有效压力、反压力和体积变化。

图4-11　土样平面分布图　

图4-12　A-A截面土样分布

图4-13　CKC系统

B.小应变测量系统

该系统中，小应变测量设备包括三个高精度的线性位移传感器。三个传感器装于试样的侧面用于直接测量试样的轴向和径向变形。轴向荷载由一个高精度的内部荷载传感器测量。

内部测量系统专门用来测量小应变特性，相比CKC三轴实验系统精度有明显提高。将试样沿竖向三等分，中间一段处测量的值可以减少复杂边界条件的影响，从而得到比较好的精确值。遗憾的是，此套内部测量系统无法与CKC系统完全耦合来控制整个实验过程，CKC的数据采集系统和电脑控制系统不支持内部测量系统。

试样上安装了2个LVDT来测量轴向变形和一个LVDT来测量径向变形。LVDT的量程为±2.5 mm。LVDT测量器由轻质氧化铝制成，由梢钉或者胶水安装于试样上。径向测量器根据Bishop和Henkel(1957)提出的模型制造，测量值为实际径向变形值的2倍。轴向LVDT量尺原始长度为46 mm，径向LVDT的量尺长度由试样的直径决定。图4-14为实验中用到的LVDT的图片。

图4-14　LVDT设备

C.实验设备的精度

实验设备的精度对于测量芝加哥软土的非线性非常重要，因此有必要先了解一下各个设备的精度。

CKC三轴测试系统包括五个传感器：轴向压力传感器、轴向LVDT、压力室、有效应力传感器和体积变形传感器。GDS系统包括3个LVDT和1个内部压力传感器。表4-4所列为传感器的量程、精度和分辨率。

表4-4　传感器的量程、精度和分辨率

　　D.弯曲元

弯曲元是由电压陶瓷晶片组成的电-力转换器。可以用于记录扰动波在土体中的传播速度。一些学者详细介绍了弯曲元的设计和制造过程(比如Dyvik和Madshus，1985)。因此，类似于Lings和Greening(2001)所描述的弯曲元，GDS原件可以在三轴土样中制造S波和P波。

每个原件包上防水环氧树脂之后约为1 mm厚、11 mm宽、13 mm长。将弯曲元固定在铁片或者钛合金上的时候，约5 mm为固定部分，剩余8 mm为非固定部分，如图4-15所示。非固定部分中约7 mm为密封硅胶包括，1 mm则外露可以插入土体试样。这种构造可以防止能量损耗以在元件尖端达到最大曲率。

图4-15　弯曲元原件

发射元件由电压激发沿与压力板垂直的方向震动，从而产生扰动波，该扰动波为剪切波。扰动波沿着试样传播，并由接收元件接收。由波的传播时间可以得出波在土样中的传播速度。按照均质线弹性理论，土样的剪切模量可以由下式计算：

其中ρ是土体密度。

因为剪切模量是剪切波传播速度的方程，因此，准确估计剪切波传播距离和传播时间尤为重要。三种不同的方法可以用来确定传播时间：波峰法、交叉校正法和频率域方法。轴向采用2 k Hz的波，水平向采用10 k Hz的波。

3.土样的制备以及设备安装

试验中使用的土样为从块状土样或薄壁取土器中的土样中切取的高152 mm、直径72 mm的圆形柱状试样。软土层中往往包含页岩、石灰岩碎片和圆形砾石，在试样制备过程中，浅层块状土样中的砾石尺寸分布为1～40 mm，深层块状土样中的砾石尺寸分布为1～80 mm。在浅层块状土样中，砾石体积含量少于3%，而在深层块状土样中，砾石体积含量少于5%。土样切削时，应尽量避开砾石，在试样表面有砾石的情况下，应小心地移开砾石，然后用黏土仔细填补，而在弯曲元固定的位置，则应完全避免砾石的存在。土样切削完之后，即刻在侧面包裹上滤纸和橡胶薄膜，上、下表面垫上滤纸和透水石。然后在上、下表面施加少量压力，确保试样垂直，上、下弯曲元埋入试样中且对齐。上、下表面弯曲元埋设好之后，即套上O型圈。水平向弯曲元通过一个小直径过滤器埋置到试样侧面。埋置水平向弯曲元时，首先得非常小心地在侧面橡胶膜上刻两对小孔，既要保证足够大使弯曲元和土体充分接触，又不能太大而在加压过程中使孔洞继续扩大。埋设完毕之后，用防水胶密封。

图4-16为安装了小应变测试设备的土样示意图。在试样安装于底座上之后，开始安装轴向和径向LVDT夹具。每个夹具安装完毕之后，均施加250 mm汞柱真空压来消除安装产生的孔隙。LVDT安装的位置应该使轴向LVDT测量有效范围为试样的中间三分之一段，径向LVDT位于试样的中部。轴向LVDT夹具用强化钢钉和硅胶固定布置于试样径向相对位置。安装过程至少要3个小时，试样的切削安装都必须在同一天完成，并经过一夜的黏胶固结，第二天方开始实验过程。

图4-16　安装小应变测试仪后土样示意图(www.xing528.com)

4.实验过程

A.残余有效应力的测量

残余有效应力是在试样切削、安装完毕之后试样的初始有效应力(Hight，2001；Ladd和Lambe，1964；Skempton和Sowa，1963)。Ladd和Lambe(1964)提出了，理想化试样制备就是在试样制备过程中，除了应力卸载外，不受其他干扰。理想化试样的初始应力和实际试样的初始应力只差可以用来量化试样的受扰程度(Baldi和Hight，1988；Ladd和Lamb，1964)。

残余有效应力可以通过不排水条件下等向加载时引起的超空隙水压力来计算。通过施加不同围压，超空隙水压力和围压有如图4-17所示关系。拟合直线与超空隙水压力轴的交叉值的负值即为残余应力值。

B.饱和

图4-17　超孔压和围压关系图

在测得残余应力后，每个试样都由反压饱和。饱和压力为残余应力值，此时，试样在饱和过程中的体积应变可以忽略(Cho等，2007)。若是在饱和过程中出现较大的应变，则说明土体原状结构受到了干扰。保持土体的原状结构对研究小应变特性尤为重要，因此，实验中饱和时的轴向和径向应变也都被记录下来以检测固结前土样未被扰动。当围压增加时，土中有效应力由反压保持不变。饱和时间一般为24小时，以达到95%以上饱和度。

C.固结

所有试样均根据原状土所在深度经K 0固结至原状土状态，为了减少固结过程中超孔隙水压力对轴向应变的影响，固结时轴向压力的增量为1.25 k Pa每小时。平均正应力和偏应力如下式：

其中为轴向有效应力为径向有效应力。

固结过程中，LVDT测得的径向应变平均值为0.02%，这比CKC系统的测量精度更小。当竖向荷载达到目标值时，则开始恒压下的蠕变过程，以消除应力历史对小应变特性的影响。这个过程一直持续到应变速率小于0.001%/h时结束。这个过程往往需要36～48小时。而剪切时应变速率往往是这个阶段结束时应变速率的30倍以上。一般，蠕变过程中，往往需要调整围压使径向应变保持为0，而本书为了消除应力路径改变对小应变特性产生影响，使用保持有效应力不变让径向自由应变的方法。

D.剪切

在固结之后，分别对土样进行了排水和不排水剪切实验。由于土样数量的限制，本书对块状土样进行了CKUTC、CKURTE、CKDCMS、CKDCMSE、CKDCQU和CKDCQL剪切实验，而对薄壁取土器取得的土样仅进行了CKUTC和CKURTE实验，各试验符号注释见表4-5。应力路径如图5-18所示。所有剪切均由CKC系统进行应力控制加载，直到试样破坏。对于排水剪切实验，荷载加载速率为±1.2 k Pa/h，以减少孔压的影响，而对于不排水剪切实验，加载速率为±30 k Pa/h。

CKC和GDS同时记录实验过程中的应力和应变，其中，CKC系统每隔30～150秒记录1次轴向应变、体积应变、径向应力、总空隙水压和轴向应力，而GDS系统则每隔10秒记录1次轴向、径向变形和内部轴向压力。对于排水剪切实验弯曲元，每3～12小时记录1次波速，对于不排水实验，则每20分钟记录一次波速。

表4-5　三轴实验路径

　　5.实验数据处理方法

A.应力和应变的定义

应力状态由式(4-29)和式(4-30)所定义的应力来描述，对应的应变如下式：

其中，εa为轴向应变，εr为径向应变。

对于排水剪切实验，土体响应可以由体积应变和剪切应变表示如下：

图4-18　应力路径示意图

其中，K、G、J v和J s分别为体积、剪切和交叉耦合模量，各模量由下式计算：

对于不排水剪切实验，因为没有体积应变，仅可根据式(4-34)计算G sec。

B.内部应力应变数据

由于内部测量系统具有较高精度，且外部测量系统会低估土体的刚度，所以，内部测量系统测得的数据更适合用来做小应变分析(Cho，2007)。

内部测量系统的2个轴向LVDT、1个径向LVDT和内部荷载盒可以记录试样的局部变形和轴向荷载。轴向应变为平均轴向变形除以规尺的长度，径向应变为直径的变化除以试样直径。偏应力为内部荷载盒测得的荷载值除以直径改变后的界面面积。径向LVDT由弹簧和活结组成，因此，在读数时，会有卡住-滑动的现象，读数的时候会出现跳跃现象，特别是在测试的初始阶段。因此，采用多项式或者指数函数来拟合实验结果能取得较好的结果。

C.弯曲元测试分析

在弯曲元测试中，计算波在发射器和接收器之间的距离可以通过试样的轴向变形得知，因此，决定传播时间是计算剪切波传播速度的决定性因素。三种不同的方法可以用来确定传播时间：波峰法、交叉校正法和频率域方法(Kim，2011)。

6.试验结果

图4-19所示为室内三轴试验结果。图中同时画出了排水和不排水三轴试验的结果，也同时显示了采用Tube和Block土样的试验结果。从结果上可见Block土样的刚度要比Tube土样刚度大。