胡 华,吴 轩

(1.厦门大学建筑与土木工程学院，福建 厦门 361005;2.厦门大学深圳研究院，广东 深圳 518057 )

我国花岗岩分布广泛，且集中分布于福建、广东、桂东南、湘南和赣南等地，其中以燕山期花岗岩出露最多.在闽、粤两省花岗岩出露面积占总面积的30%～40%.我国东南沿海经济开放区主要分布在花岗岩风化壳上，该区域残积土厚度较大.花岗岩风化程度因气候环境条件不同差异很大，温度和降水量越高，风化程度越强[1-4].我国东南部气温高，降雨量充沛，湿度大，风化剥蚀作用强烈，山地、丘陵和剥蚀准平原上都广泛分布着残积土，是大部分工程建设的地基基础和地质环境重要介质[5-9]，成为发生岩土地质灾害的主体.因此研究渗流条件下花岗岩残积抗剪强变化规律具有重要的理论与现实意义.

林鸿州等[10]通过直剪试验研究了饱和度与抗剪强度参数间的关系，结果表明饱和度越高内摩擦角越小，而黏聚力随着饱和度的增加先增加后减小.吕海波等[11]通过对不同含水率和不同干湿循环次数的土做直剪试验，探究了两个变量与抗剪强度参数间的关系，结果表明干湿循环次数越多抗剪强度越低，而土的含水率则影响抗剪强度最终的稳定值.黄琨等[12]通过对不同含水率的土做直剪试验，探究了含水率与抗剪强度参数间的关系，结果表明含水率越高黏聚力越小，而内摩擦角几乎不受含水率的影响.李静荣等[13]通过控制土样采取方法、采样器规格和试验加载级数等条件，开展了花岗岩残积土直剪试验和原位直剪试验，同时还通过不同加载级数，研究了花岗岩残积土原位直剪试验以及室内直剪试验中抗剪强度指标取值的影响.方宁等[14]通过室内试验与标准贯入试验，对比浸水前后的地基承载力，分析含水率对地基承载力的影响机制.祝方才等[15]采用美国GCTS公司的USTX-2000非饱和土/饱和土动静三轴试验系统进行了非饱和动三轴试验，分析了吸力、净围压等对非饱和花岗岩残积土的变形特性的影响.胡屏等[16]利用大型直剪仪，对福州地区花岗岩残积土进行不同粗颗粒含量下的大型直剪试验，并且在每次试验前后进行颗粒分析试验，研究剪切过程颗粒破碎的影响.本课题组也对残积土的多种性质进行了试验研究[17-21].本文主要研究渗流对花岗岩残积土抗剪强度衰减的影响规律，使用SLB型号三轴剪切渗透试验仪，分别进行K0固结排水剪切试验、恒水头渗流剪切试验和恒流量渗流剪切试验，研究了3种试验方案下围压和渗透压对试样应力-应变关系、峰值强度和抗剪强度参数的影响规律.

1 试验方案

试验样品采用厦门地区花岗岩残积土重塑试样，试样尺寸规格为Ø 39.1 mm×80 mm，孔隙比为1.0.使用SLB型号三轴剪切渗透试验仪进行试验测试，剪切速率为0.05 mm/min，剪切方式为固结排水剪切试验(consolidated-drained sheartest,CD)，待试样竖向应变量达到12%以上停止试验.

1)K0固结排水剪切试验.共制作4组孔隙比均为1.0的花岗岩残积土重塑试样，围压分别为35，70，140和210 kPa，分别进行不同围压下K0固结，固结完成后直接进行排水剪切试验.

2) 恒水头渗流剪切试验.共制作4组16个花岗岩残积土重塑试样，4组试样的渗透压分别为30，50，70和90 kPa，每组4个试样的围压分别为35，70，140和210 kPa，试样先进行K0固结，随后进行恒水头渗流作用下的排水剪切试验测试.

3) 恒流量渗流剪切试验.共制作4组花岗岩残积土重塑试样，试验中流量为0.02 mL/min，围压分别为35，70，140和210 kPa，试样先进行K0固结，之后进行恒流量渗流作用，最后排水剪切.

2 试验结果及分析

2.1 K0固结排水剪切试验中围压对抗剪强度的影响

图1为不同围压条件下K0固结排水剪切试验的应力-应变曲线.可以发现：所有的破坏均为应变硬化破坏，没有应变软化现象，也没有剪胀现象发生；随着轴向应变的增加直至破坏，主应力差随之增加，但增加的趋势减缓，这是典型的硬化破坏；且轴向应变小于2%时，应力-应变几乎是线性关系，可以认为此阶段是弹性应变；而轴向应变大于2%时，应力-应变是非线性的，此时为弹塑性应变；在相同的轴向应变下，随着围压增加，主应力差增大,表明抗剪强度在逐步增大.

图1 不同围压条件下K0固结剪切试验的应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of K0 consolidation shear test under different confining pressures

峰值强度就是试样破坏情况下的主应力差，本试验中将轴向应变达到12%作为破坏标准，在K0固结剪切试验中，围压为35，70，140和210 kPa时，峰值强度分别为122.9，173.4，225.0和327.8 kPa.可以看出峰值强度随着围压的增加而增大.

土体的剪切变形是由土中大小颗粒相互作用移动引起的，随着竖向应力的增加，颗粒间相互挤压凝聚，排除颗粒间细小的孔隙，土的颗粒骨架结构重新排列变得更加密实.围压在剪切过程中起着重要的作用，试样的变形是竖向的高度在降低，以其为应变标准，但是横向同样产生了一定的变形，颗粒受到竖向应力被集中挤压到周边的横向区域中，而围压限制了土体的横向变形且对颗粒的横向移动提供了约束.因此试样的主应力差随着轴向应变的增加而增加，且增加的趋势随之减缓.

2.2 恒水头渗流条件下围压和渗透压对抗剪强度的影响

在恒水头渗流剪切试验中，围压对应力-应变曲线的影响与K0固结排水剪切试验一致，其峰值强度如表1所示.4种渗透压条件下恒水头渗流剪切的应力-应变关系曲线，如图2所示.

表1 恒水头渗流剪切试验峰值强度表Tab.1 Peak strength of constant head seepage shear test

图2 4种围压下恒水头渗流剪切试验的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of constant head seepage shear test under 4 kinds confining pressure

从图2中可以发现，在同等围压条件下，随着渗透压的增加，主应力差逐步减小，峰值强度逐步降低.轴向应变较小时不同渗透压条件下的主应力差十分接近，随着轴向应变的增大，主应力差在数值上拉开一定差距.在各个围压条件下，渗透压从30 kPa到90 kPa，渗流是在固结后、剪切前进行的，因此渗流改变的是土体内部颗粒骨架结构，促进内部大小颗粒黏聚并有序排列，提高了孔隙通道间的连通性，土体的渗透性能增加了，这也就意味着土体的结构性发生了变化，对土的力学特性产生一定的影响.

总的来说，在相同的渗透压条件下，随着围压的增加，峰值强度在增加，增加的幅度较大；而在相同的围压条件下，随着渗透压的增加，峰值强度在减小，且减小的趋势在变缓，峰值强度的减幅较小.

2.3 恒流量渗流条件下围压对抗剪强度的影响

恒流量(0.02 mL/min)渗流剪切试验的应力-应变曲线如图3所示.可以看出，恒流量渗流剪切破坏为应变硬化破坏，随着轴向应变的增加，主应力差随之增大，增加趋势在减小.在相同的渗透压条件下，随着围压增加，主应力差和峰值强度均增大，土的抗剪强度增大.当围压为35，70，140和210 kPa时，恒流量渗流剪切试验的峰值强度分别为79.2，117.9，174.7和252.6 kPa.

图3 流量为0.02 mL/min时恒流量渗流剪切试验的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curve of constant flow seepage shear test at flow rate of 0.02 mL/min

与恒水头渗流剪切试验相比，其峰值强度较小，说明恒流量渗流过程对土体内部颗粒骨架结构的影响更大，对土体的抗剪强度特性影响更大.

2.4 渗流对土抗剪强度参数的影响特性分析

抗剪强度参数包括黏聚力c和内摩擦角φ.经过渗流作用会改变土体内部颗粒骨架结构，促进颗粒重新排列，在一定程度上影响了土的抗剪强度参数c和φ，进而影响土的抗剪强度τf.在一定应力范围内，由莫尔-库仑强度理论(Mohr-Coulomb strength theory,MC)可知：

τf=c+σtanφ,

(1)

其中：c为土的黏聚力；σ为土单元的主应力；φ为土的内摩擦角.

从式(1)可见土的强度由两部分构成，即黏聚强度c和摩擦强度σtanφ，实际上土的强度机理和影响因素十分复杂，其表现特征和实际机理常常具有不一致性，故而在研究土体物理力学性能时不能将黏聚强度和摩擦强度截然分开.MC理论阐明了材料的抗剪强度和作用于该平面的正应力相关，导致材料破坏的不是最大剪应力，而是在某个平面上τ-σ的最危险组合.

根据K0固结排水剪切试验、恒水头渗流剪切试验和恒流量渗流剪切试验所得的应力-应变关系和峰值强度等数据，在相同条件下绘制不同围压情况下的莫尔应力圆，利用三轴试验强度包络线数学模型求得包络线函数最优解，确定抗剪强度参数数据.因为固结试样是在排水下条件完成的，渗流完成后卸掉上下两端的反压力，又因剪切试验同样是在排水状态下完成的，故而可以认为求得的黏聚力c即为有效黏聚力c′，内摩擦角φ即为有效内摩擦角φ′.3种剪切方式下所求得的抗剪强度参数如表2所示.

表2 不同剪切试验求得的抗剪强度参数Tab.2 Shear strength parameters obtainedby different shear test methods

从表2可知，有效内摩擦角φ′几乎不随着剪切方式的变化而改变，在恒水头渗流剪切试验中φ′随着渗透压的变化不明显.有效黏聚力c′在不同剪切方式中各不相同，没有渗流的试样的有效黏聚力明显比渗流的试样大，而恒水头渗流试验的有效黏聚力比恒流量渗流试验的大，这说明恒流量渗流试验对土体内部结构的影响更大.在恒水头渗流剪切试验中，随着渗透压增加，有效黏聚力逐渐下降.

3 结 论

1) 在K0固结排水剪切试验、恒水头渗流剪切试验和恒流量渗流剪切试验中，围压对土体的应力-应变变化影响特性基本相同，应力-应变关系曲线均为应变硬化曲线；试样的主应力差随着轴向应变的增加而增加，且增加的趋势随之减小；试样在相同的应变下，土体试样围压越大，主应力差值越大.

2) 恒水头渗流剪切试验中，轴向应变越大，渗透压对应力-应变曲线影响越明显，且主应力差随着渗透压的增大而减小.

3) 在K0固结排水剪切试验、恒水头渗流剪切试验和恒流量渗流剪切试验中，围压对土体的峰值强度影响规律基本相同：峰值强度随着围压的增加而增大，随着渗透压的增加而减小.

4) 有效内摩擦角既不随剪切方式的变化而改变，也不随着渗透压的变化而改变；渗流剪切试样的有效黏聚力小于直接剪切的有效黏聚力；随着渗透压增加，有效黏聚力逐渐下降.