預(yù)壓縮對非飽和土強(qiáng)度的影響試驗(yàn)研究

董紅艷　代啟亮　王寶龍　高貴全　雷騰云　宋永正

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明　650201；　2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)教務(wù)處，云南 昆明　650201)

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預(yù)壓縮對非飽和土強(qiáng)度的影響試驗(yàn)研究

董紅艷1代啟亮1王寶龍1高貴全2雷騰云1宋永正1

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南 昆明650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)教務(wù)處，云南 昆明650201)

摘要：通過三軸剪切試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)，分析了預(yù)壓縮和排氣狀態(tài)對非飽和土強(qiáng)度的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明：對試樣預(yù)先進(jìn)行壓縮和排氣不排水的試驗(yàn)條件，均能提高土體的抗剪強(qiáng)度，且排氣狀態(tài)對粘土強(qiáng)度的影響較粉土的明顯。

關(guān)鍵詞：非飽和土，預(yù)壓縮，排氣狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度

0引言

非飽和土是由固相、液相和氣相共同組成的一種多孔介質(zhì)材料，孔隙氣的存在使得其物理力學(xué)性質(zhì)極為復(fù)雜。對非飽和土的強(qiáng)度和變形等進(jìn)行研究時(shí)，控制吸力的三軸試驗(yàn)[1，2]或控制吸力的直剪試驗(yàn)[3，4]能夠較準(zhǔn)確的描述出非飽和土的力學(xué)特性。但孔隙氣和孔隙水的共同作用，決定了吸力測量的繁復(fù)和困難性[5，6]。致使控制吸力測量非飽和土強(qiáng)度的現(xiàn)場試驗(yàn)少有，積累的實(shí)測資料相對匱乏[7]。研究非飽和土的強(qiáng)度時(shí)，有學(xué)者將土—水特性曲線引入其中，并取得了較好的試驗(yàn)成果[8，9]，但土—水特性曲線量測需時(shí)較長，且存在明顯的滯回效應(yīng)。為避免吸力的測量，一些學(xué)者將含水率(飽和度)引入非飽和土強(qiáng)度試驗(yàn)[10，11]中并在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用。但由含水率和飽和度的計(jì)算原理可知，二者體現(xiàn)的是不同的變量關(guān)系。在土樣受剪過程中，含水率保持不變，但飽和度發(fā)生變化，致使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，吸力值隨之變化，因此使二者作為一個(gè)變量反映非飽和土強(qiáng)度存在不可忽略的誤差[12]。也有學(xué)者從實(shí)用的角度出發(fā)，在常規(guī)直剪儀和改進(jìn)的常規(guī)三軸儀上對非飽和土進(jìn)行試驗(yàn)[13-15]，得出的結(jié)論為實(shí)際工程提供了經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。

非飽和土中三相介質(zhì)的分布狀態(tài)決定了其強(qiáng)度、變形等力學(xué)性質(zhì)。預(yù)壓縮和排氣狀態(tài)對固相、液相和氣相的分布情況存在重要影響，從而影響其工程性質(zhì)。故本文將進(jìn)行以飽和度為常數(shù)，預(yù)壓縮和排氣狀態(tài)為控制變量，對粘土和粉土在常規(guī)三軸儀和直剪儀上進(jìn)行剪切試驗(yàn)。通過試驗(yàn)結(jié)果的對比，探討粘土和粉土的強(qiáng)度隨預(yù)壓縮和排氣狀態(tài)的變化情況，并進(jìn)行分析、總結(jié)。

1試驗(yàn)步驟與方法

試驗(yàn)用土采自呼倫貝爾市海拉爾區(qū)謝爾塔拉工業(yè)園區(qū)，粘土為紫褐色，粉土為灰黃色。將采回的粘土和粉土的原狀土樣碾散、曬干并過2 mm篩，試驗(yàn)用土取其細(xì)粒部分。試驗(yàn)粘土、粉土的基本物理參數(shù)指標(biāo)見表1。

直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)，均分別進(jìn)行試驗(yàn)前預(yù)壓縮和未預(yù)壓縮兩組對比分析，三軸試驗(yàn)的控制條件還存在排氣不排水和不排氣不排水兩組。由《土工試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，直接剪切試驗(yàn)的試樣剪切速率為0.06 mm/min,施加的豎向壓力分別為100 kPa,200 kPa,300 kPa和400 kPa四個(gè)等級(jí)；三軸剪切試驗(yàn)試樣的剪切速率為0.036 mm/min，施加的圍壓分別為100 kPa,200 kPa,300 kPa和400 kPa四個(gè)等級(jí)。

制備的試驗(yàn)試樣的干密度和含水率(初始飽和度)均相同，其中干密度ρd=1.4 g/cm3，(初始)飽和度Sr=60%。共制備粘土直剪試樣8個(gè)，粘土和粉土三軸試樣各16個(gè)。在制備試樣前根據(jù)干密度和飽和度等已知條件，配制符合條件的散狀土樣。將配制好的散狀土樣放到保濕器中12 h，以便散狀土中的水分分布均勻。直剪試驗(yàn)的試樣分兩層夯實(shí)，采用環(huán)刀取樣，試樣尺寸為高2 cm，直徑為6.18 cm的圓柱體；三軸試樣分5層夯實(shí)，試樣尺寸為高8 cm，直徑為3.91 cm的圓柱體。在粉土試樣的制備過程中，由于粉土的物理特性使得Sr=60%的試樣制作非常困難。所以制備Sr=75%的試樣，然后將試樣置于恒溫恒濕的條件下進(jìn)行風(fēng)干脫水，實(shí)時(shí)稱重，直至Sr=60%，達(dá)到目標(biāo)含水率的試樣置于保濕器中12 h以上，使試樣中水分分布均勻。試樣制備完畢以后，要對直剪試樣、三軸試樣各一組進(jìn)行24 h的預(yù)壓縮，在預(yù)壓縮的過程中要將試樣用橡皮膜包裹起來，以保證試樣的含水率(初始飽和度)保持不變。

2結(jié)果與分析

2.1預(yù)壓縮對非飽和土強(qiáng)度的影響

在對飽和土體進(jìn)行研究時(shí)，固結(jié)可以增大飽和土的有效應(yīng)力，提高其強(qiáng)度[16]。非飽和土在進(jìn)行直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)前，若對試樣進(jìn)行預(yù)壓縮，由圖1～圖3的試驗(yàn)結(jié)果表明：預(yù)壓縮可以小幅度提高非飽和土的強(qiáng)度。

非飽和土體的孔隙中不僅存在水，同時(shí)存在氣體。在對非飽和土體進(jìn)行預(yù)壓縮的過程中，由于橡皮膜的包裹作用使得孔隙水和孔隙氣均未排出土體。但孔隙比減小，所以預(yù)壓縮的實(shí)質(zhì)是孔隙中的孔隙水和孔隙氣重新分配的過程。含水率不變，所以主要的變化為孔隙中孔隙氣的變化。施壓使得孔隙氣部分溶于孔隙水中，孔隙體積減小。土顆粒間的間距減小互相靠攏，土骨架更加緊密，作用面積增大。對非飽和土而言有效應(yīng)力即為其土骨架的應(yīng)力，因此更加緊密的土骨架的結(jié)構(gòu)性更強(qiáng)，有效應(yīng)力增大，土體抗剪強(qiáng)度增大。

2.2排氣狀態(tài)對非飽和土強(qiáng)度的影響

為研究排氣狀態(tài)對非飽和土強(qiáng)度的影響，對粘土和粉土進(jìn)行控制條件分別為排氣不排水和不排氣不排水的三軸試驗(yàn)，由圖4和圖5的試驗(yàn)結(jié)果可知：排氣較不排氣狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果的強(qiáng)度大，這是由于在排氣的條件下，孔隙氣壓力等于大氣壓力，對非飽和土體的力學(xué)特性起關(guān)鍵控制作用的基質(zhì)吸力ua-uw=-uw(其中，ua為孔隙氣壓力；uw為孔隙水壓力)，即產(chǎn)生負(fù)的孔隙水壓力。在不排氣狀態(tài)下，ua>0,基質(zhì)吸力小于排氣狀態(tài)的基質(zhì)吸力。排氣使得土體的有效應(yīng)力增大，所以強(qiáng)度較不排氣狀態(tài)有所增大。對粉土而言，排氣狀態(tài)對強(qiáng)度的影響沒有粘土的效果顯著，這是由于粉土的結(jié)構(gòu)較為松散，氣體的排放速度相對較快，故孔隙氣對其影響程度較小。而粘土的結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，其強(qiáng)度受排氣狀態(tài)的影響更為顯著。

3結(jié)語

1)對粘土和粉土進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)可知，預(yù)壓縮使得土體孔隙減小，土骨架更加緊密，作用面積增大，從而有效應(yīng)力增大，土體抗剪強(qiáng)度增加。

2)通過控制排氣狀態(tài)的三軸試驗(yàn)結(jié)果對比分析，充分證實(shí)了在排氣的試驗(yàn)條件下粘土和粉土的有效應(yīng)力增大，土體抗剪強(qiáng)度增加。

3)從粘土與粉土的三軸試驗(yàn)結(jié)果對比分析可知，由土體結(jié)構(gòu)不同的密實(shí)程度的作用，使得結(jié)構(gòu)相對密實(shí)的土體受排氣狀態(tài)的影響更為顯著。

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Experimental study on the effect of precompression on the strength of unsaturated soil

Dong Hongyan1Dai Qiliang1Wang Baolong1Gao Guiquan2Lei Tengyun1Song Yongzheng1

(1.YunnanAgriculturalUniversity，CollegeofWaterConservancy，Kunming650201，China；2.YunnanAgriculturalUniversity，TeachingAdministrationOffice，Kunming650201，China)

Key words:unsaturated soil, precompression, exhaust condition, shear strength

Abstract:Through the triaxial shear test and direct shear test, to research the precompression and exhaust condition the influence of the strength of unsaturated soil. Experimental results show that the sample in advance for the experiment of compression and exhaust undrained condition, all can improve the shear strength of soil mass, and exhaust condition effect on the strength of clay is more obviously.

文章編號(hào)：1009-6825(2016)14-0060-02

收稿日期：2016-03-06

作者簡介：董紅艷(1990- )，女，在讀碩士；代啟亮(1983- )，男，碩士，講師；王寶龍(1990- )，男，在讀碩士；

中圖分類號(hào)：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

高貴全(1968- )，男，教授；雷騰云(1986- )，男，碩士，講師；宋永正(1990- )，男，在讀碩士