非飽和黃土吸力與抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

員康鋒，宿鐘鳴，孫志杰

(山西省交通科學(xué)研究院黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030006)

非飽和土的分布非常廣泛，房屋地基、路基填土基本上都處于非飽和狀態(tài)。山西晉南地處黃土高原中東部，屬于干旱半干旱氣候條件，工程中所用的黃土常常位于地下水位以上，處于非飽和狀態(tài)。非飽和土的研究必須考慮基質(zhì)吸力作用帶來(lái)的影響，側(cè)重于基質(zhì)吸力對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)［1-5］。在基坑工程中，地基非飽和土的基質(zhì)吸力所產(chǎn)生的抗剪強(qiáng)度對(duì)于基坑的穩(wěn)定有很大的貢獻(xiàn)，一旦由于降雨或管道漏水等因素使土中含水率增加，造成吸力消減，便可能會(huì)引發(fā)基坑倒塌事故［5-8］。同樣，許多天然邊坡的失穩(wěn)常是由于降雨使土的基質(zhì)吸力喪失所造成的。

為了模擬真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)工程環(huán)境，使試驗(yàn)更加具有說(shuō)服力，選取了山西晉南地區(qū)原狀非飽和黃土進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，并揭示出非飽和黃土基質(zhì)吸力對(duì)黃土強(qiáng)度的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上擬合出吸附強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力變化的函數(shù)表達(dá)式，并求出極值。

1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)用土取自山西晉南地區(qū)禹門口提水東擴(kuò)工程輸水管道基坑，取土深度為地表以下2 m處，土呈褐黃色，粉質(zhì)粘土，土質(zhì)均勻，有少量蟲(chóng)孔。土樣在現(xiàn)場(chǎng)削成邊長(zhǎng)為20～30 cm的立方體，標(biāo)明上下方向，并用塑料紙和膠帶包好，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室(運(yùn)輸過(guò)程中盡量不擾動(dòng)土樣)。由于土層不均勻性，所制備試樣的天然干密度在1.34～1.36 g/cm3之間變化。

對(duì)每個(gè)干密度下的試樣，調(diào)整成8%的含水量。由于該含水量小于天然含水量，采用風(fēng)干法，讓水分蒸發(fā)至8%的含水量，由常規(guī)三軸試驗(yàn)結(jié)果可得飽和土的有效黏聚力 c'=12 kPa，φ'=32.69°，土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 晉南黃土物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical parameters of Jinnan loess

2 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器采用江蘇溧陽(yáng)市某實(shí)驗(yàn)儀器廠生產(chǎn)的FSY10-2型應(yīng)力應(yīng)變控制非飽和土三軸儀，它由應(yīng)力應(yīng)變控制式壓力試驗(yàn)機(jī)、壓力體變柜、非飽和土三軸壓力室和土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。應(yīng)力應(yīng)變控制式壓力試驗(yàn)機(jī)由變速箱、低速同步電機(jī)、立柱、橫梁和油缸等組成。壓力室底座上裝有進(jìn)口陶土板(進(jìn)氣值為500 kPa)，陶土板下加工有特殊的沖水排氣槽，可滿足非飽和土試驗(yàn)的特殊需要。

2.2 試驗(yàn)方法

采用專用的削土器削樣，共制備16個(gè)原狀三軸試樣(直徑為3.91 cm，高度為8 cm)。采用等吸力剪切試驗(yàn)，凈圍壓分別為 50，100，200，400 kPa，試樣安裝在三軸壓力室后，孔隙水壓力傳感器讀數(shù)變?yōu)樨?fù)值，同時(shí)對(duì)試樣施加圍壓和氣壓，并保證圍壓始終大于氣壓值，氣壓應(yīng)能使量測(cè)的孔隙水壓力＞0或負(fù)壓≤70 kPa(但應(yīng)注意施加的氣壓力不超過(guò)陶土板的進(jìn)氣值500 kPa)，圍壓應(yīng)在氣壓力的基礎(chǔ)上加上試驗(yàn)所要求的凈圍壓值，等到孔隙水壓力傳感器的讀數(shù)基本穩(wěn)定后，土樣的吸力 =ua－uw，ua是所施加的氣壓值，uw是孔隙水壓力傳感器量測(cè)到的孔隙水壓力的代數(shù)值。固結(jié)和剪切過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整所加氣壓，始終保持作用在試樣上的吸力分別為 50，100，150，200 kPa，直到試樣剪切破壞，試樣剪切速度為0.008 mm/min。

試驗(yàn)中需要注意幾個(gè)問(wèn)題：①裝樣過(guò)程中一定要注意將與陶土板接觸的土樣面削平，否則試樣與陶土板不能很好的接觸，從而影響到基質(zhì)吸力的量測(cè);②沖洗陶土板下積聚的氣泡，打開(kāi)沖水閥門，讓無(wú)氣水流過(guò)陶土板下面的螺旋槽，沖洗30 min，關(guān)閉沖水閥門;③由于孔隙水壓力＜－70 kPa時(shí)，排水管路中會(huì)出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，會(huì)極大地影響到傳感器對(duì)吸力的準(zhǔn)確量測(cè)，因此需要施加氣壓力以保證孔隙水壓力數(shù)值＞－70 kPa。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 等吸力試驗(yàn)條件下圍壓對(duì)黃土應(yīng)力應(yīng)變特性的影響

黃土的強(qiáng)度隨著圍壓的增大而增大，且黃土應(yīng)力應(yīng)變曲線多為硬化型曲線。應(yīng)力應(yīng)變曲線詳見(jiàn)圖1。

圖1 不同控制吸力下的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves with different control suction

3.2 等吸力試驗(yàn)條件下吸力對(duì)黃土的應(yīng)力應(yīng)變特性的影響

通過(guò)在非飽和三軸剪切試驗(yàn)的固結(jié)與剪切階段均控制吸力為 50，100，150，200 kPa，研究?jī)魢鷫悍謩e為50，100，200，400 kPa的條件下，吸力對(duì)原狀黃土強(qiáng)度的影響規(guī)律，詳見(jiàn)圖2。

圖2 不同凈圍壓下的吸力對(duì)黃土應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響規(guī)律Fig.2 The law of stress-strain curves change with suction for different net confining pressure

由圖2可見(jiàn)，黃土的強(qiáng)度隨著吸力的增大而增大，且黃土應(yīng)力應(yīng)變曲線多為硬化型曲線。在圍壓一定時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨吸力的增大而增大。

3.3 等吸力試驗(yàn)條件下固結(jié)體變

等吸力三軸試驗(yàn)固結(jié)體變數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 黃土的固結(jié)體變數(shù)據(jù)Table 2 Consolidation volume of loess /cm

由表2可見(jiàn)，等吸力試驗(yàn)條件下固結(jié)體變隨著吸力的增大而減小，隨著固結(jié)圍壓的增大也增大。點(diǎn)繪其變化曲線如圖3。

圖3 固結(jié)體變的變化規(guī)律曲線Fig.3 Curve of rule for εν

3.4 非飽和黃土吸附強(qiáng)度的研究

非飽和土強(qiáng)度理論中目前被廣泛接受的兩類抗剪強(qiáng)度公式分別為Bishop強(qiáng)度公式和Fredlund雙變量強(qiáng)度公式。

Bishop強(qiáng)度公式為：

Fredlund的強(qiáng)度公式為：

式(1)、式(2)都表明非飽和土抗剪強(qiáng)度不僅與c'，φ'及法向應(yīng)力有關(guān)，還與吸力有關(guān)，吸力所引起的這部分強(qiáng)度，即吸附強(qiáng)度［9］記為 τus，則式(1)、式(2)可重寫(xiě)為：

由上所述，吸附強(qiáng)度可以看做是非飽和土總凝聚力的一部分，即：

1) 當(dāng)爬坡高度不變時(shí)，爬坡管段的局部阻力損失系數(shù)均隨狄恩數(shù)增加而減??；當(dāng)泥漿成分和輸送速度不變時(shí)，爬坡管段的局部阻力損失系數(shù)隨爬坡高度近似為線性增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)速率隨混合物流速或泥漿體積分?jǐn)?shù)的減小而增加。

故吸附強(qiáng)度 τus=ctotal－c'。其中：ctotal為非飽和土的有效凝聚力;c'為飽和土的有效凝聚力，由常規(guī)三軸試驗(yàn)結(jié)果可得飽和土的有效黏聚力c'為12 kPa。

基于公式τf=ctotal+(σn－ua)tanφ'的非飽和土有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度包線見(jiàn)圖4。

圖4 不同吸力下的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度包線Fig.4 Effective strength lines with different suction

將圖4得到的c，φ值匯總，如表3。

表3 不同吸力下黃土的強(qiáng)度指標(biāo)c，φTable 3 Strength index c，φ with different suction

強(qiáng)度指標(biāo)c隨吸力的變化曲線如圖5。

圖5 強(qiáng)度參數(shù)c隨吸力的變化曲線Fig.5 Curve of strength parameter c change with suction

由表3及圖5可知，在試驗(yàn)所做的吸力范圍內(nèi)，在吸力較低的情況下，有效應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)c隨吸力增大變化明顯，隨著吸力的增大，有效強(qiáng)度參數(shù)c增大的趨勢(shì)逐漸緩和，而有效應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)φ隨吸力增大基本保持不變，故可認(rèn)為在等吸力試驗(yàn)條件下，φ值不隨吸力增大而變化。

表4 非飽和土吸附強(qiáng)度數(shù)據(jù)Table 4 Data of suction strength for the unsaturated soil

據(jù)表4得吸附強(qiáng)度隨吸力的變化曲線，并擬合成二次函數(shù)(相關(guān)系數(shù)較好)，如圖6。

圖6 吸附強(qiáng)度與吸力的關(guān)系曲線Fig.6 Curve of the relationship between suction strength and suction

由圖6可知吸附強(qiáng)度τus與吸力的關(guān)系式可以表述為：

當(dāng)us→0時(shí)，τus→0，這與實(shí)際情況相符。對(duì)該公式進(jìn)行求導(dǎo)，可以算出當(dāng)us=188.6 kPa時(shí)，τus有最大值，為21.6 kPa，說(shuō)明吸附強(qiáng)度并不會(huì)隨著吸力的增大而成無(wú)限增大，而是存在一個(gè)臨界值，同樣與實(shí)際情況相吻合，由此可見(jiàn)，上述公式具有一定的合理性。

4 結(jié)論

筆者采用非飽和土三軸試驗(yàn)儀，測(cè)試了非飽和土在控制吸力條件下的固結(jié)性狀和剪切性狀，概括了強(qiáng)度隨吸力及圍壓的變化關(guān)系，并總結(jié)了吸力和抗剪強(qiáng)度參數(shù)的相互關(guān)系，主要結(jié)論如下：

1)在等吸力三軸試驗(yàn)條件下，非飽和原狀黃土的應(yīng)力應(yīng)變曲線多為硬化型曲線，曲線位置隨圍壓增大和吸力的增大而不斷抬升，表明土體強(qiáng)度隨圍壓增大和吸力增大而逐漸增強(qiáng)。土體的固結(jié)體變隨圍壓的增大而增加，隨吸力的增大而減小。

2)在試驗(yàn)所做的吸力范圍內(nèi)，有效應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)c隨吸力增大而增大，在吸力較低的情況下增大速度較大，在吸力較高的情況下隨吸力增大的速度逐漸放緩，并存在極值，而有效應(yīng)力強(qiáng)度參數(shù)φ均隨吸力的增大基本上不變。

3)通過(guò)曲線擬合的方法得到吸附強(qiáng)度與吸力的函數(shù)關(guān)系式，表明吸附強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力的增大而增大，但存在極值。通過(guò)函數(shù)關(guān)系式可以預(yù)測(cè)控制吸力試驗(yàn)條件下，不同吸力下的原狀黃土的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度。

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