非飽和壓實(shí)高液限紅粘土抗剪強(qiáng)度與含水量的關(guān)系*

林麗萍， 賀建清， 羅 婉

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

非飽和壓實(shí)高液限紅粘土抗剪強(qiáng)度與含水量的關(guān)系*

林麗萍， 賀建清*， 羅 婉

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

為研究非飽和壓實(shí)高液限紅粘土的強(qiáng)度特性，通過控制基質(zhì)吸力的非飽和三軸試驗(yàn)研究了基質(zhì)吸力變化對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度的影響.研究發(fā)現(xiàn)：Fredlund非飽和土強(qiáng)度公式適用于非飽和高液限紅粘土，其總粘聚力隨基質(zhì)吸力的增加而增大，基質(zhì)吸力對(duì)其內(nèi)摩擦角影響甚微.基于一定應(yīng)力狀態(tài)下的土水特征試驗(yàn)，得到了非飽和壓實(shí)高液限紅粘土的土水特征曲線.研究結(jié)果表明：高液限紅粘土具有較好的持水性能；在低基質(zhì)吸力范圍內(nèi)，重力含水率與基質(zhì)吸力呈指數(shù)關(guān)系，其關(guān)系表達(dá)式為：w=aebs.由重力含水率與基質(zhì)吸力的關(guān)系式，推導(dǎo)出引入含水量的非飽和土抗剪強(qiáng)度公式，該公式由土層含水量確定強(qiáng)度，簡單實(shí)用.

高液限紅粘土；非飽和三軸試驗(yàn)；土水特征曲線；基質(zhì)吸力；含水率

高液限紅粘土作為路基填料難以壓實(shí)，在高溫暴曬下干縮，極易產(chǎn)生開裂，遇到水等自然因素作用，容易引發(fā)路堤邊坡失穩(wěn)、路面開裂、翻漿等多種工程病害，存在嚴(yán)重的工程隱患[1].在干旱半干旱及地下水深埋條件下，壓實(shí)高液限紅粘土常常處于非飽和狀態(tài)，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)強(qiáng)烈地依賴于含水量[2].因此，研究非飽和高液限紅粘土抗剪強(qiáng)度與含水量的關(guān)系及變形性狀，有利于指導(dǎo)高液限紅粘土路基的設(shè)計(jì)與施工，預(yù)防和控制路基病害的發(fā)生.

現(xiàn)階段主要的非飽和土強(qiáng)度公式，如Bishop有效應(yīng)力強(qiáng)度公式[3]和Fredlund雙應(yīng)力變量強(qiáng)度公式[4]，均含有吸力項(xiàng)，它反映了吸力對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn).工程實(shí)際中，吸力的確定很不容易，控制吸力的非飽和土三軸試驗(yàn)費(fèi)資耗時(shí)，現(xiàn)場測定土體基質(zhì)吸力尤為困難，理論分析和數(shù)值計(jì)算涉及到現(xiàn)階段仍不成熟而且比較復(fù)雜的非飽和土固結(jié)模型[5～7].由于吸力獲取困難，將吸力作為變量的非飽和土強(qiáng)度公式未能得到廣泛的實(shí)際運(yùn)用.

實(shí)際工程中，土的含水量(或飽和度)非常容易確定.近年來有學(xué)者提出了通過土水特征曲線確定非飽和土的強(qiáng)度的實(shí)用方法[8].但這種方法沒考慮土水特征曲線的諸多影響因素，特別是土體的應(yīng)力狀態(tài)[9～11].本文擬采用控制基質(zhì)吸力的非飽和三軸固結(jié)排水試驗(yàn)研究非飽和高液限紅粘土的強(qiáng)度特性，并結(jié)合一定應(yīng)力狀態(tài)下非飽和高液限紅粘土的土水特征曲線，基于Fredlund非飽和強(qiáng)度理論推導(dǎo)出引入含水量的非飽和土強(qiáng)度公式.

1 非飽和土抗剪強(qiáng)度理論及土水特征曲線

1.1 非飽和抗剪強(qiáng)度理論

國內(nèi)外有許多學(xué)者提出過不同的非飽和土抗剪強(qiáng)度理論.目前得到巖土工程界廣泛認(rèn)可的有兩類.

一類是Bishop非飽和強(qiáng)度理論為代表的單應(yīng)力狀態(tài)變量強(qiáng)度理論.Bishop將有效應(yīng)力原理引入到非飽和土力學(xué)中，提出了非飽和土有效應(yīng)力強(qiáng)度公式：

τf=c′+(σn-ua)tanφ′+χ(ua-uw)tanφ′,

(1)

式中：c′、φ′分別為有效粘聚力和有效內(nèi)摩擦角；(σn-ua)為凈法向應(yīng)力；(ua-uw)為基質(zhì)吸力；χ為與土的飽和度有關(guān)的參數(shù).

另一類是Fredlund的雙變量公式：

τf=c′+(σn-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb,

(2)

式中：φb為吸力內(nèi)摩擦角.

Fredlund非飽和土強(qiáng)度公式是飽和土抗剪強(qiáng)度公式的引申.與飽和土公式相比，該公式引入了凈總應(yīng)力差和基質(zhì)吸力兩個(gè)應(yīng)力狀態(tài)變量，并把φb吸力摩擦角作為強(qiáng)度指標(biāo).

1.2 土水特征曲線

土水特征曲線可用于計(jì)算描述非飽和土特性的不同參數(shù)，解決非飽和土的諸多問題，如土的抗剪強(qiáng)度、滲透系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)等[12].土水特征曲線方程反映土中含水量與吸力的關(guān)系，體現(xiàn)了土的持水性能，具有實(shí)際的使用價(jià)值.方程中土中水的變化通常用含水量(重力含水量w、體積含水量θ或飽和度Sr來表示；土中吸力是基質(zhì)吸力(也稱為毛細(xì)壓力(ua-uw))，也可以是總吸力.Fredlund典型土水特征曲線見圖1[13].

2 控制基質(zhì)吸力的非飽和三軸固結(jié)排水試驗(yàn)

2.1 試樣制備

試驗(yàn)土樣取于郴寧高速公路K206+924附近，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1.顆粒級(jí)配曲線見圖2.

按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[14]進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得高液限紅粘土的最大干密度ρdmax=1.60 g/cm3，最佳含水率wop=20.6%.

表1 原土物理力學(xué)指標(biāo)

模擬現(xiàn)場施工工藝，按文獻(xiàn)[15]要求，土風(fēng)干后搗碎，過2.5 mm篩，加蒸餾水拌制成一定含水率的土料，悶料24 h后，測定其含水率，按0.9的壓實(shí)度控制干密度，利用三瓣飽和器分5層擊實(shí)制成高H=8 cm，直徑D=3.91 cm的試樣.為了克服層與層之間的分層現(xiàn)象，各層接觸面上均經(jīng)過刮毛處理.擊完最后一層，取出試樣稱量.每個(gè)試樣密度的平行誤差都小于0.02 g/cm3.對(duì)制備好的試樣測量其直徑和高度.擊實(shí)成形的試樣裝入飽和器后，將飽和器裝入真空抽氣設(shè)備內(nèi)進(jìn)行抽氣，使其接近一個(gè)大氣壓后再抽氣2 h，然后徐徐地注入蒸餾水，抽氣飽和后靜置6晝夜以上.

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TFB-1型非飽和土應(yīng)力應(yīng)變式三軸儀.該儀器采用軸平移技術(shù)，能對(duì)基質(zhì)吸力進(jìn)行量測，或?qū)⒒|(zhì)吸力維持于目標(biāo)值.軸平移技術(shù)是非飽和三軸儀控制基質(zhì)吸力的關(guān)鍵性技術(shù)，它有效地解決了基質(zhì)吸力控制難和測量不精確的問題.為實(shí)現(xiàn)軸平移技術(shù)，在土樣底部設(shè)置了高進(jìn)氣值陶土板.高進(jìn)氣值陶土板的特點(diǎn)是隔絕空氣，允許液體通過.在陶土板下設(shè)置孔隙水壓量測、控制系統(tǒng)，在土樣頂部設(shè)置孔隙氣壓量測、控制系統(tǒng)就能分別對(duì)孔隙水壓和孔隙氣壓進(jìn)行控制和測量.

為確定高液限紅粘土的非飽和強(qiáng)度參數(shù)，采用TFB-1非飽和三軸儀進(jìn)行控制基質(zhì)吸力的非飽和三軸固結(jié)排水試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中控制基質(zhì)吸力、圍壓與凈圍壓，試驗(yàn)采用等應(yīng)變剪切，剪切速率為0.008 mm/min.具體試驗(yàn)方案見表2.

表2 非飽和三軸試驗(yàn)方案

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 按試驗(yàn)方案，此次非飽和三軸固結(jié)排水試驗(yàn)歷時(shí)120 d，取得了一系列試驗(yàn)數(shù)據(jù).圖3為同一基質(zhì)吸力不同凈圍壓下的主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線，圖4為同一凈圍壓不同基質(zhì)吸力下的主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線.

由圖3可知，同一基質(zhì)吸力下，圍壓對(duì)土的抗剪強(qiáng)度具有增強(qiáng)作用，高液限紅粘土具有壓硬性.當(dāng)主應(yīng)力差相同時(shí)，凈圍壓越大，軸向應(yīng)變?cè)叫?，圍壓限制了試樣的軸向變形.由圖4發(fā)現(xiàn)，同一凈圍壓下，軸向應(yīng)變相同時(shí)，基質(zhì)吸力越高，主應(yīng)力差越大.

2.3.2 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析 基于土樣主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線，取曲線峰值或者軸向應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)對(duì)應(yīng)的主應(yīng)力差為破壞應(yīng)力差，畫摩爾圓，并對(duì)不同圍壓的三個(gè)摩爾應(yīng)力圓兩兩繪切線，找出6個(gè)切點(diǎn).利用origin使用最小二乘法對(duì)6個(gè)切點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得出圖5所示非飽和高液限紅粘土在不同基質(zhì)吸力下的抗剪強(qiáng)度包線.

根據(jù)Fredlund非飽和土強(qiáng)度公式，總粘聚力即破壞包線在剪應(yīng)力τ軸上的截距可設(shè)為c1，則

(3)

由式(3)可得其強(qiáng)度指標(biāo)，見表3.

表3 不同基質(zhì)吸力下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

由試驗(yàn)結(jié)果可知，高液限紅粘土的強(qiáng)度可由Fredlund非飽和土強(qiáng)度公式確定：c′=19.55kPa，φ′=27.17°，φb=18.89°.

3 一定應(yīng)力狀態(tài)下的土水特征試驗(yàn)

按2.1節(jié)方法，制備、飽和試樣.利用FTB-1型非飽和三軸儀在一定凈圍壓下對(duì)飽和試樣進(jìn)行基質(zhì)吸力控制，使其在相應(yīng)基質(zhì)吸力下脫濕，最終達(dá)到水土平衡，平衡條件參照文獻(xiàn)[16]標(biāo)準(zhǔn)：試樣排水量在2 h內(nèi)小于0.012 cm3.通過烘干法測得試驗(yàn)后試樣含水量，得基質(zhì)吸力與含水量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即土水特征曲線.具體試驗(yàn)方案見表4.

表4 非飽和三軸試驗(yàn)方案

通過試驗(yàn)，可得高液限紅粘土在20 kPa凈圍壓下低基質(zhì)吸力范圍內(nèi)的土水特征曲線，其試驗(yàn)結(jié)果見表5，土水特征曲線見圖7.由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，土的基質(zhì)吸力的大小取決于土的含水量，基質(zhì)吸力影響了土的持水能力.高液限紅粘土在低基質(zhì)吸力下具有較高的含水量，證明高液限紅粘土具有很好的持水性能，這使得高液限紅粘土天然含水量較高.壓實(shí)較好的高液限紅粘土天然含水量可達(dá)34%以上.

表5 土水特征試驗(yàn)結(jié)果

受試驗(yàn)儀器精度的限制，本試驗(yàn)無法測得高液限紅粘土的進(jìn)氣值，同時(shí)因高進(jìn)氣值陶土板的進(jìn)氣值為500 kPa，試驗(yàn)無法施加高于500 kPa的基質(zhì)吸力，亦無法測得該土的殘余含水量.因此，本試驗(yàn)無法得到完整的土水特征曲線.參照Fredlund[13]的典型土水特征曲線(圖1)，重力含水率與基質(zhì)吸力的關(guān)系見圖7.

對(duì)圖7中土的重力含水率與基質(zhì)吸力的關(guān)系進(jìn)行擬合，可得以下關(guān)系表達(dá)式：

w=aebs,

(4)

式中，s為基質(zhì)吸力，s=ua-uw；a、b為常數(shù)：a=34.111，b=-0.000 6；擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.958 1.由式(4)可知，重力含水率與基質(zhì)吸力呈指數(shù)關(guān)系.

4 非飽和高液限紅粘土抗剪強(qiáng)度的實(shí)用表達(dá)式

由于高液限紅粘土具有很好的持水性能，郴寧高速公路沿線現(xiàn)場實(shí)際測定的天然含水率一般高于塑限，在26.1%～45.4%之間[17].因此，式(4)基本適用于現(xiàn)場工況.

由高液限紅粘土重力含水率與基質(zhì)吸力的關(guān)系式(4)及總粘聚力表達(dá)式(3)，可得到非飽和高液限紅粘土實(shí)用化的總粘聚力表達(dá)式：

(5)

由式(5)、式(2)可得非飽和高液限紅粘土抗剪強(qiáng)度實(shí)用化公式：

(6)

在實(shí)際操作中測量非飽和土的基質(zhì)吸力并非易事，多數(shù)實(shí)驗(yàn)室無測量基質(zhì)吸力設(shè)備，工程現(xiàn)場測定土體基質(zhì)吸力尤為困難.但含水量的測定非常容易，鉆孔取樣后通過簡單的烘干試驗(yàn)便可得到.因此，用式(6)確定非飽和高液限紅粘土抗剪強(qiáng)度非常簡單實(shí)用.

但是，影響非飽和土強(qiáng)度的因素很多，如土的種類、壓實(shí)程度、溫度、應(yīng)力狀態(tài)等，且受試驗(yàn)儀器的精度、試驗(yàn)方法的限制.建議在以后類似工程中，仿照本文方法，盡量模擬現(xiàn)場工況進(jìn)行非飽和土三軸試驗(yàn)及土水特征試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果建立非飽和土抗剪強(qiáng)度與含水量的關(guān)系式，以指導(dǎo)工程實(shí)踐.

5 結(jié) 論

通過對(duì)非飽和高液限紅粘土的強(qiáng)度特性及土水特征曲線的試驗(yàn)研究，可以得出如下結(jié)論：

(2) 在低基質(zhì)吸力范圍內(nèi)，重力含水率與基質(zhì)吸力呈指數(shù)關(guān)系，其關(guān)系表達(dá)式為：w=aebs.

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責(zé)任編輯：羅 聯(lián)

Relationship between Shear Strength and Water Content for Unsaturated Compacted High Limit Laterite

LINLi-ping，HEJian-qing*，LUOWan

(School of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201 China)

In order to analyze the strength characteristics of unsaturated high liquid limit laterite, the effect of matrix suction on its strength was studied by unsaturated triaxial tests through controlling matrix suction. Studies show that Fredlund shear strength formula of unsaturated soil is suitable for unsaturated high liquid limit laterite, and the total cohesive force of high liquid limit laterite is bigger along with the increase of matrix suction, but matrix suction has trifling impact on its internal friction angle. The unsaturated triaxial apparatus was used for soil-water characteristic tests, and the soil-water characteristic curves under low confining pressure were obtained. The results of soil-water characteristic tests indicate that high liquid limit laterite has better water holding capacity, and the relation between water content and matrix suction can be expressed as follows:w=aebs.Basedontherelationbetweenwatercontentandmatrixsuction,thetotalstressstrengthformulaofunsaturatedsoilwasestablished.Thestrengthcanbeeasilydeterminedbytheaboveformulathroughmeasuringwatercontentofsoils,whichmakesthepresentedformulaconvenientandpractical.

high liquid limit laterite；unsaturated triaxial test；SWCC；matrix suction；water content

2015-03-20

2014年湖南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(S140009)

賀建清(1964— )，男，湖南 湘鄉(xiāng)人，博士，教授.E-mail:hjqing2000@163.com

TU

A

1000-5900(2015)02-0061-08