飽和度對(duì)礫質(zhì)土性質(zhì)影響三軸試驗(yàn)研究

錢彬，朱俊高

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098;2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇南京210098)

礫質(zhì)土在高土石壩工程中得到廣泛應(yīng)用［1］。礫質(zhì)土作為心墻防滲料，經(jīng)常處于非飽和狀態(tài)，對(duì)于非飽和土來(lái)說(shuō)，它的強(qiáng)度不僅受應(yīng)力影響，而且與其飽和度有關(guān)。前人大都是研究了飽和度對(duì)于粘土等強(qiáng)度的影響，很少對(duì)礫質(zhì)土進(jìn)行試驗(yàn)研究［2－6］。在對(duì)礫質(zhì)土工程特性研究上，國(guó)內(nèi)學(xué)者有從顆粒組成、形狀、性質(zhì)及密度等影響因數(shù)對(duì)礫質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究［7－10］，卻很少有研究飽和度的變化對(duì)礫質(zhì)土強(qiáng)度的影響。

本文通過(guò)對(duì)某非飽和礫質(zhì)土進(jìn)行了不同含水率即不同飽和度的常規(guī)三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)，對(duì)礫質(zhì)土的應(yīng)力應(yīng)變及強(qiáng)度特性進(jìn)行分析，研究含水率的變化對(duì)非飽和礫質(zhì)土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響，對(duì)實(shí)際施工過(guò)程中具有一定的意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)儀器

本文試驗(yàn)采用了高壓中型應(yīng)變控制式三軸儀，三軸試樣尺寸為，直徑D=101 mm，高度H=200 mm。由于試樣是非飽和的，試驗(yàn)中試樣排出的水量不能用來(lái)計(jì)算體積應(yīng)變，所以采用雙層壓力室，來(lái)量測(cè)體積變化，如圖1所示。由于內(nèi)壓力室和外壓力室是相通的，可以保證施加同一壓力時(shí)，內(nèi)壓力筒壁不會(huì)發(fā)生膨脹，即內(nèi)壓力室容積不變，就可以通過(guò)內(nèi)壓力室排出水量來(lái)確定體積變化，即用內(nèi)玻璃管中水柱的升降可讀出試樣的體積變化值，這樣就可以得出體積變化值。

1.2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所采用的礫質(zhì)土是取自糯扎渡料場(chǎng)可采厚度范圍的土料。礫質(zhì)土顆粒級(jí)配見(jiàn)表1，礫質(zhì)土料中細(xì)粒土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)為:土粒比重Gs=2.75，液限ωL=29.1%，塑限ωp=20.2%，塑性指數(shù)Ip=9，屬低液限粉土。

表1 試樣顆粒級(jí)配Tab.1 Grain composition of specimen

表2 試樣含水率和飽和度Tab.2 Water content and degree of saturation of specimen

為了研究飽和度對(duì)礫質(zhì)土變形及強(qiáng)度性質(zhì)的影響，本文分別對(duì)糯扎渡心墻料礫質(zhì)土進(jìn)行了4種含水率試樣的試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)含水率分別為14%、16%、20%和22%，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)編號(hào)為A、B、C和D，見(jiàn)表2。對(duì)試樣A、B、C和D分別進(jìn)行4組不同圍壓下的三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)，圍壓分別為200、500、1 000和1 500 kPa，來(lái)研究含水率的變化對(duì)非飽和礫質(zhì)土強(qiáng)度的影響。制樣采用分層擊實(shí)法，試驗(yàn)采用應(yīng)變控制方式，剪切過(guò)程中，剪切速率為0.731 7 mm/min，直到軸向應(yīng)變?yōu)?5%結(jié)束。具體試驗(yàn)過(guò)程按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求操作［11］。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變特性曲線分析

試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，從圖中可以看出，偏應(yīng)力(σ1－σ3)與軸向應(yīng)變?chǔ)臿關(guān)系曲線變形趨勢(shì)相似，在很短的階段內(nèi)，即開(kāi)始為彈性階段，應(yīng)力應(yīng)變呈線性變化;隨著應(yīng)變的不斷增加，應(yīng)力應(yīng)變呈非線性關(guān)系［12－13］;同一含水率下，峰值(σ1－σ3)max隨著圍壓σ3的增加而增加;在同一級(jí)圍壓下，(σ1－σ3)max隨著含水率的增大而逐漸降低。在低含水率情況下，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象，在高含水率下則表現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象;在高含水率20%的試驗(yàn)，在四個(gè)圍壓作用下，應(yīng)力－應(yīng)變均表現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象。

一般情況下，土工結(jié)構(gòu)或地基的變形在1%以內(nèi)。為了進(jìn)一步研究飽和度對(duì)礫質(zhì)土變形性質(zhì)的影響，作者整理出應(yīng)變1%范圍內(nèi)的變形模量(以E1表示)，并分析其隨圍壓的變化規(guī)律。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得到不同飽和度試樣的E1與σ3的關(guān)系，如圖3所示。

從圖3可以看出，在同一飽和度條件下，隨著圍壓增大，試樣的變形模量也增大;而在同一圍壓下，變形模量隨著飽和度的增大而逐漸減小。隨著圍壓的增大，試驗(yàn)的變形性狀也發(fā)生明顯的改變，即變形曲線逐漸由軟化型過(guò)渡到硬化型，說(shuō)明破壞類型逐漸由脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐?。飽和度越大、圍壓越高，土體塑性變形越明顯。

作者將圖3中直線延伸，得到截距數(shù)據(jù)，取名為初始模量(E2)，為試樣在無(wú)圍壓狀態(tài)下的變形模量。整理出E2與飽和度的關(guān)系，并用冪函數(shù)進(jìn)行擬合，如圖4所示。圖中可以看出，隨著飽和度的增大，E2逐漸減小。試樣A和試樣B，飽和度下降約為12%，E2具有較大幅度的降低，而在飽和度較高的時(shí)候，如試樣C、D，隨著飽和度的增大，E2降低幅度相對(duì)平緩。低飽和度的時(shí)候，E2值較大，土中水的含量較少，土體受力發(fā)生變形主要由土骨架來(lái)出承擔(dān)，不易被壓縮變形，強(qiáng)度較大;而在高飽和度的時(shí)候，土中水含量較大，孔隙水被壓縮，變形較大，強(qiáng)度較小。在飽和度60%之前，每降低10%，E2的降低幅度明顯大于60%。在實(shí)際工程中，對(duì)于礫質(zhì)土飽和度的控制，對(duì)填筑施工具有一定的實(shí)際意義。

2.2 強(qiáng)度分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出試樣在不同含水率下的強(qiáng)度摩爾圓，并得到抗剪強(qiáng)度參數(shù)，整理數(shù)據(jù)如表3。表中得出試樣的強(qiáng)度隨著含水率的增大而逐漸減小，抗剪強(qiáng)度受含水率的變化影響非常明顯，UU狀態(tài)下三軸剪切試驗(yàn)得到的結(jié)果，具有良好的規(guī)律性，且UU的摩擦角最小，小于CD試驗(yàn)的結(jié)果，與文獻(xiàn)［14］中相符合。

表3 含水率與粘聚力及內(nèi)摩擦角的關(guān)系Tab.3 Water content relationships with cohesion and friction angle

為了分析非飽和礫質(zhì)土的抗剪強(qiáng)度與含水率的關(guān)系，對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)與含水率、飽和度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到結(jié)果如圖5、圖6所示。從圖中我們可以看出:在試驗(yàn)的不同含水率條件下，抗剪強(qiáng)度隨著含水率的增大而減小，但減小的幅度不一樣;粘聚力的變化幅度較大，內(nèi)摩擦角的變化幅度較小;當(dāng)試樣的含水率較高時(shí)，試樣的飽和度較高，在高壓下，由于氣體體積壓縮有限從而造成孔隙水壓力的產(chǎn)生，導(dǎo)致圍壓下峰值強(qiáng)度相近，從而強(qiáng)度減小。所以在大壩心墻實(shí)際填筑過(guò)程中，如果含水率過(guò)高，心墻的強(qiáng)度會(huì)將降低，并且由于心墻料透水性較差，里面的水不易排出，使心墻料很難被壓實(shí)，將會(huì)降低大壩的穩(wěn)定性，所以控制心墻的含水率非常重要。

3 結(jié)論

1)在不同含水率條件下，礫質(zhì)土的應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)為非線性關(guān)系。在低含水率下，低圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線的形態(tài)表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，在高含水率，高圍壓下則表現(xiàn)出硬化特征。

2)在同一含水率條件下，礫質(zhì)土的變形模量隨著圍壓的增大逐漸增大，而在同一圍壓下，隨著含水率的增大，礫質(zhì)土的變形模量逐漸減小。

3)非飽和礫質(zhì)土的粘聚力和內(nèi)摩擦角均隨著含水率的增加而線性減小，且粘聚力比內(nèi)摩擦角的減小幅度較明顯。

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