三門峽地區(qū)黃土狀粉土靜力學(xué)特性試驗(yàn)研究

宋日英，陳 宇

(華北水利水電大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450045)

黃土狀土在我國(guó)西北區(qū)域分布廣泛，且作為施工材料已大量應(yīng)用于當(dāng)?shù)氐耐翂巍⒌虊?、路基等工程?－2］.由于自然環(huán)境的改變，土體基本狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生變化，如由非飽和土向飽和土轉(zhuǎn)變、由飽和土向非飽和土轉(zhuǎn)變以及土體密實(shí)狀態(tài)發(fā)生改變.有研究表明，非飽和黃土的密度及水分狀態(tài)是影響其抗剪強(qiáng)度的重要因素［3－5］.為研究這種影響因素的變化規(guī)律，需要進(jìn)行室內(nèi)非飽和三軸試驗(yàn).碾壓土體的最大干密度和最優(yōu)含水率是影響工程質(zhì)量的重要指標(biāo).因此，研究黃土狀土的基質(zhì)吸力對(duì)土體破壞強(qiáng)度的影響，非飽和土體在不同干密度及最大干密度ρdmax、不同含水率及最優(yōu)含水率wop下的力學(xué)性質(zhì)及其變化規(guī)律，對(duì)黃土狀土的工程應(yīng)用具有重要意義.筆者以三門峽地區(qū)黃土狀粉土為研究對(duì)象，對(duì)其靜力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究.

1 試樣制備及試驗(yàn)原理與方法

1.1 土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

試驗(yàn)用土來自三門峽地區(qū)黃土狀土分布區(qū)域，原狀土呈淺黃色，天然干密度為1.60～1.72 g/cm3，土樣比重為2.70，液限為23.7%，塑限為15.1%，塑性指數(shù)為8.6，試驗(yàn)土質(zhì)為黃土狀粉土.土料的擊實(shí)試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實(shí)法［5］，擊實(shí)結(jié)果:最大干密度ρdmax為1.78 g/cm3，最優(yōu)含水率wop為12.9% .

1.2 三軸試樣制備

采用壓實(shí)法制備重塑三軸試樣［6］.為了研究不同密度及水分狀態(tài)下黃土的力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，將含水率為2%，7%，10%，13%，16%的已備土料，分別按干密度1.40，1.62，1.70，1.78，1.98 g/cm3，在三軸重塑土樣壓實(shí)儀上制成高12 cm，直徑6 cm的圓柱形試樣.此外為研究重塑土體在最大干密度及飽和狀態(tài)下的力學(xué)性質(zhì)，三軸試樣需在最大干密度及最優(yōu)含水率下進(jìn)行制樣，且所制成的試樣在試驗(yàn)前需進(jìn)行真空飽和.

1.3 試驗(yàn)原理與方法

非飽和三軸試驗(yàn)采用不排水試驗(yàn)方法［7－8］，即試樣不進(jìn)行固結(jié)，在施加周圍壓力和主應(yīng)力差兩個(gè)階段，孔隙空氣和孔隙水不允許外排.雖然周圍壓力引起的超孔隙壓力不允許消散，但由于孔隙空氣的壓縮，試樣的體積仍可能發(fā)生變化.由于剪切過程中的孔隙壓力是不進(jìn)行量測(cè)的，因此通常將不排水試驗(yàn)的成果與總應(yīng)力結(jié)合起來解決工程問題.

非飽和三軸試驗(yàn)采用多樣剪，試驗(yàn)圍壓設(shè)置為3 個(gè)等級(jí)，即σ3=100，200，300 kPa.在試驗(yàn)中，首先按要求對(duì)試樣施加周圍壓力，同時(shí)打開基質(zhì)吸力采集系統(tǒng).待基質(zhì)吸力穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)儀器變速箱，以慢剪的速率(0.012 mm/s)施加軸向應(yīng)力，同時(shí)采集試驗(yàn)過程中試樣應(yīng)力、變形及基質(zhì)吸力3 方面的數(shù)據(jù).剪切過程中的不排水加荷使孔隙氣壓力和孔隙水壓力進(jìn)一步發(fā)展，導(dǎo)致凈周圍壓力(σ3－ua)不斷減小及基質(zhì)吸力S 不斷增大.

2 非飽和性質(zhì)對(duì)破壞應(yīng)力的影響

2.1 土體變形特征及破壞應(yīng)力選取

應(yīng)力－應(yīng)變曲線通常有兩種形態(tài).不同的破壞形態(tài)確定土體破壞偏應(yīng)力(σ1－σ3)f的標(biāo)準(zhǔn)也不同.對(duì)于應(yīng)力硬化型應(yīng)力–應(yīng)變曲線，應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增加，沒有峰值點(diǎn).這種土體破壞偏應(yīng)力的確定需要按應(yīng)變控制，通常選取軸向應(yīng)變?chǔ)?15%為破壞應(yīng)變，與此應(yīng)變對(duì)應(yīng)的(σ1－σ3)f作為破壞強(qiáng)度值.

2.2 基質(zhì)吸力對(duì)破壞偏應(yīng)力的影響

非飽和土的基質(zhì)吸力對(duì)土體強(qiáng)度有著重要影響［9－12］.試樣在干密度ρd=1.78 g/cm3時(shí)，基質(zhì)吸力S 與破壞強(qiáng)度(σ1－ σ3)f的關(guān)系曲線如圖1所示.

圖1 基質(zhì)吸力與破壞強(qiáng)度的關(guān)系曲線

由圖1 可以看出，試樣在同一干密度、不同圍壓下，基質(zhì)吸力與土體破壞偏應(yīng)力關(guān)系曲線呈現(xiàn)出兩種現(xiàn)象:一是黃土狀粉土的破壞強(qiáng)度均隨基質(zhì)吸力的增大而呈非線性增大趨勢(shì)且曲線形態(tài)相似;二是曲線相對(duì)位置隨圍壓的增大而升高.出現(xiàn)第一種現(xiàn)象，是由于土體的強(qiáng)度與由土體水分狀態(tài)所引起的微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)有著密切的關(guān)系［13］.在相同干密度下，試樣的基質(zhì)吸力受到水分狀態(tài)的影響［14］，因此對(duì)于基質(zhì)吸力小的試樣，其土體顆粒間水分較多，水分在顆粒間起著潤(rùn)滑作用，從而導(dǎo)致顆粒連接力較弱，故在宏觀上表現(xiàn)為土體抵抗外力破壞的能力弱.隨著顆粒間水分的減少，基質(zhì)吸力逐漸增大，顆粒間連接力增大，土體的力學(xué)性質(zhì)也隨之增強(qiáng).出現(xiàn)第二種現(xiàn)象，是由于試樣內(nèi)土顆粒所形成的結(jié)構(gòu)體在較大圍壓作用下，結(jié)構(gòu)體抵抗變形的能力較強(qiáng)，圍壓是影響試樣破壞偏應(yīng)力的重要因素［6］，因此導(dǎo)致在相同基質(zhì)吸力下，破壞偏應(yīng)力隨圍壓的升高而增大.

3 三軸試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定

選取破壞偏應(yīng)力，依據(jù)摩爾－庫(kù)侖定律，以不同圍壓下的(σ1－σ3)f/2 為半徑，(σ1+σ3)f/2 為圓心繪制摩爾應(yīng)力圓，摩爾應(yīng)力圓的公切線即為土的強(qiáng)度包線，強(qiáng)度包線與橫坐標(biāo)的夾角為土的內(nèi)摩擦角φ，強(qiáng)度包線在縱坐標(biāo)軸上的截矩為黏聚力c［13］.由于應(yīng)力軟化型應(yīng)力－應(yīng)變曲線有明顯的峰值點(diǎn)，因此各圍壓下均采用峰值點(diǎn)作為破壞強(qiáng)度值來繪制摩爾應(yīng)力圓，求出抗剪指標(biāo)c 與φ.

3.2 水分狀態(tài)對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

試樣在最大干密度ρdmax=1.78 g/cm3下，黏聚力c 與含水率w 的關(guān)系曲線、內(nèi)摩擦角φ 與含水率w 的關(guān)系曲線分別如圖2 和圖3 所示.

由圖2 可以看出:土的黏聚力c 隨著含水率w的增大而減小;曲線的形態(tài)特點(diǎn)是，在含水率小于7%的區(qū)域，曲線較陡峭，黏聚力隨含水率的增加下降較快;含水率在7%～10%區(qū)間上曲線下降趨緩，而在10%～16%區(qū)間上曲線較為平緩，含水率對(duì)黏聚力的影響趨于穩(wěn)定;隨著含水率的繼續(xù)增大，試樣逐漸趨于飽和，黏聚力下降幅度突增，因此含水率大于16%的曲線段較陡.從組成土顆粒的單元體結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行分析，土單元體由土顆粒、孔隙水及孔隙氣3 部分組成，隨著含水率的增加，孔隙水也相應(yīng)增多，由于顆粒間水的作用，導(dǎo)致土顆粒之間的粘合力減小.由于各區(qū)間水分對(duì)試樣基質(zhì)吸力影響大小不同，而基質(zhì)吸力的大小是影響土體抗剪強(qiáng)度的重要因素［12］，因此導(dǎo)致了不同含水率段，黏聚力下降幅度不一樣.

由圖3 可以看出:曲線上有一特征含水量w=7%，在該特征含水量附近，φ 取得最大峰值.自該特征含水量開始，φ 隨含水率的增加而非單調(diào)減少，在最優(yōu)含水率wop=12.9%附近φ 取得次峰值，此后隨著含水率的增加，內(nèi)摩擦角不斷減小且減小幅度逐漸增大，試樣達(dá)到飽和含水率時(shí)，內(nèi)摩擦角接近零值，因此最優(yōu)含水率后的曲線段呈現(xiàn)出較陡的形態(tài).水分對(duì)內(nèi)摩擦角φ 產(chǎn)生影響的原因也是由于孔隙水的作用，孔隙水在試樣的剪切過程中起到潤(rùn)滑作用.當(dāng)孔隙完全充滿水時(shí)，試樣達(dá)到飽和狀態(tài)，顆粒間內(nèi)摩擦力降為零.在φ－w 關(guān)系曲線上，在低含水率(w＜10%)出現(xiàn)最大峰值點(diǎn)而在最優(yōu)含水率附近出現(xiàn)次峰值點(diǎn)，這說明土樣在低含水率時(shí)的強(qiáng)度大于最優(yōu)含水率時(shí)的強(qiáng)度.對(duì)于在工程土料碾壓施工中選擇合適含水率的問題，筆者認(rèn)為不應(yīng)該單純考慮含水率對(duì)強(qiáng)度的影響，還應(yīng)該考慮在不同含水率下土體的變形特征.文獻(xiàn)［6］中關(guān)于含水率對(duì)應(yīng)力－應(yīng)變曲線形態(tài)影響的分析表明:試樣含水率小于10%時(shí)，三軸試驗(yàn)中發(fā)生應(yīng)力軟化現(xiàn)象，變形特征不好;試樣含水率接近最優(yōu)含水率時(shí)，則出現(xiàn)應(yīng)力硬化現(xiàn)象，變形特征較好.因此在工程施工中選擇在土樣最優(yōu)含水率下進(jìn)行碾壓和夯實(shí)比較適宜.

3.3 密度狀態(tài)對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

圖5 內(nèi)摩擦角與干密度的關(guān)系曲線

試樣在最優(yōu)含水率wop下，黏聚力c 與干密度ρd的關(guān)系曲線和內(nèi)摩擦角φ 與干密度ρd的關(guān)系曲線分別如圖4 和圖5 所示.

圖4 黏聚力與干密度擬合曲線

由圖4 可以看出:土的黏聚力c 隨著干密度ρd的增大逐漸增大，曲線形態(tài)由緩變陡呈現(xiàn)出非線性的變化規(guī)律.通過數(shù)值分析，這種非線性變化規(guī)律符合雙曲線模型，擬合公式為

由圖4 可知，模型擬合曲線與原型曲線符合性較好，模型曲線得到了驗(yàn)證.以上規(guī)律究其原因是，由于土體強(qiáng)度與土顆粒之間的空隙大小有關(guān)系，在相同含水率下，土樣孔隙比e0隨著干密度ρd的增大而減小，孔隙比的減小致使顆粒之間的膠結(jié)力增強(qiáng)，因此在宏觀上表現(xiàn)為圖4 所呈現(xiàn)出的規(guī)律.

由圖5 可以看出:土的內(nèi)摩擦角φ 同樣隨干密度ρd的增大而增加，φ－ρd關(guān)系曲線呈現(xiàn)出非線性的變化規(guī)律，且曲線上有明顯特征值，該特征值為干密度ρd=1.7 g/cm3，在特征值前曲線變化幅度較大，但在特征值后曲線變緩并逐漸接近穩(wěn)定.由此可以看出，干密度對(duì)內(nèi)摩擦角的影響程度在不同干密度段是有較大區(qū)別的.出現(xiàn)這樣的變化規(guī)律，是由于土樣孔隙比e0隨干密度ρd增大而減小，導(dǎo)致單位土體土顆粒的數(shù)量增多，土顆粒之間摩擦力變大，宏觀上表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角的快速增大，但隨著干密度增大到一定程度并達(dá)到其特征值后，顆粒間的摩擦力增加也逐漸趨于穩(wěn)定，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角變化也隨之趨于穩(wěn)定.

4 結(jié)語

1)非飽和黃土狀粉土的基質(zhì)吸力對(duì)土體破壞偏應(yīng)力有著重要影響.在相同圍壓下，破壞偏應(yīng)力隨著基質(zhì)吸力的升高而增大，但在相同基質(zhì)吸力下，破壞偏應(yīng)力隨圍壓的升高而增大.

2)試樣在最大干密度時(shí)，土的黏聚力c 隨著含水率w 的增大而減小，在不同含水率段黏聚力的減小幅度有著較大差別;在φ－w 關(guān)系曲線上，出現(xiàn)雙峰值點(diǎn)，在含水率7%出現(xiàn)最大峰值點(diǎn)而在最優(yōu)含水率附近出現(xiàn)次峰值點(diǎn).這意味著相同干密度下的試樣在低含水率區(qū)間的強(qiáng)度大于最優(yōu)含水率下的強(qiáng)度，但在低含水率區(qū)間土體容易出現(xiàn)脆性破壞，不利于工程安全.

3)抗剪強(qiáng)度參數(shù)與密度狀態(tài)變量呈線性關(guān)系，土的黏聚力c 隨著干密度ρd的增大而增大且符合雙曲線模型;土的內(nèi)摩擦角φ 同樣隨干密度ρd的增大而增加，二者呈非線性關(guān)系，且在干密度達(dá)到1.7 g/cm3后曲線變緩并逐漸趨于穩(wěn)定.

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