飽和粉土變形特性三軸試驗(yàn)

宋丹青，張洪瑞，馮興波

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200030；2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

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飽和粉土變形特性三軸試驗(yàn)

宋丹青1，張洪瑞2，馮興波1

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200030；2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

對(duì)取自南京市某擬建高速公路路基的粉土，在室內(nèi)按不同的干密度和含水率進(jìn)行了試樣重塑。按不同干密度和不同初始制樣含水率進(jìn)行飽和三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，測(cè)得不同圍壓條件下的固結(jié)排水剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及有效應(yīng)力比曲線形態(tài)等工程特性。分析了粉土干密度、初始制樣含水率和圍壓對(duì)飽和粉土強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：粉土的強(qiáng)度隨干密度的增加而變大，隨圍壓增大而增加；初始制樣含水率對(duì)粉土的強(qiáng)度有不同程度的影響；粉土的應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)為弱應(yīng)變軟化型。

粉土；干密度；含水率；三軸試驗(yàn)

0　引言

《巖土工程勘察規(guī)范》[1]規(guī)定：粒徑大于0.075 mm，顆粒含量等于或小于總質(zhì)量的50%，塑性指數(shù)小于或等于10的土，稱(chēng)之為粉土。由于粉土的工程性質(zhì)較為復(fù)雜，與黏性土和砂土相比，粉土顆粒與水的相互作用具有明顯區(qū)別，主要表現(xiàn)出“粉粒”的特征，其工程性質(zhì)隨著顆粒組成的不同表現(xiàn)為轉(zhuǎn)折性變化[2]。

目前,許多學(xué)者針對(duì)粉土進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]通過(guò)不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)和固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)，對(duì)變齡期和變摻量條件下粉土及穩(wěn)定土的強(qiáng)度和變形特性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3]研究了液化程度和干密度對(duì)粉土液化后變形特性的影響，并考慮試驗(yàn)動(dòng)加載前不規(guī)則動(dòng)加載和小幅預(yù)振對(duì)粉土液化后變形特性的影響。文獻(xiàn)[4]分析了粉土細(xì)粒含量和干密度對(duì)飽和粉土抗液化強(qiáng)度的影響。文獻(xiàn)[5]分析了動(dòng)應(yīng)力比、飽和度及固結(jié)圍壓對(duì)非飽和粉土動(dòng)力液化特性、強(qiáng)度特性及孔壓特性的影響。文獻(xiàn)[6]使用吸力可測(cè)或可控的非飽和土振動(dòng)三軸試驗(yàn)儀，對(duì)飽和及非飽和粉土進(jìn)行了動(dòng)力變形試驗(yàn)，在不同初始含水率和凈圍壓應(yīng)力的條件下，得到了非飽和粉土及飽和粉土試樣的動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變骨架曲線、阻尼比和動(dòng)彈性模量。文獻(xiàn)[7-8]研究了黏粒含量對(duì)粉土的若干動(dòng)力性質(zhì)和抗液化強(qiáng)度的影響。文獻(xiàn)[9]采用多功能靜動(dòng)液壓剪切儀進(jìn)行了室內(nèi)動(dòng)力循環(huán)試驗(yàn)，分析了飽和重塑粉質(zhì)土孔壓變化規(guī)律。文獻(xiàn)[10]利用“土工靜力-動(dòng)力液壓-三軸扭轉(zhuǎn)多功能剪切儀”，研究了初始成樣含水率和初始主應(yīng)力方向?qū)Ψ弁量紫端畨毫ψ兓?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和有效應(yīng)力路徑等的影響。

但是，由于粉土原狀樣難以獲取、易擾動(dòng)、花費(fèi)大，室內(nèi)沒(méi)有如砂土和黏性土的比較成熟的制樣技術(shù)，導(dǎo)致制樣費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難度較大[11-12]，針對(duì)粉土進(jìn)行的室內(nèi)研究有待加強(qiáng)。本文采用SJ-IA.G型三軸剪力儀,對(duì)南京地區(qū)某擬建高速公路路基的粉土進(jìn)行飽和三軸固結(jié)排水試驗(yàn)，研究了干密度、圍壓和初始制樣含水率對(duì)粉土強(qiáng)度的影響。

1　試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)選用材料為粉土，土樣取自南京市某擬建高速公路的路基。粉土的物理指標(biāo)為：取土深度15 m，天然重度γ=18.5 kN·m-3，塑限wp=19.4%，壓縮模量Es=7.9 MPa。

本試驗(yàn)使用SJ-IA.G型三軸剪力儀，針對(duì)不同干密度、圍壓及初始制樣含水率下的粉土進(jìn)行了飽和固結(jié)排水試驗(yàn)。試樣制備方法如下：首先，測(cè)定均勻拌和后的粉土含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，將含水率控制為4個(gè)初始含水率10%、12%、14%和16%，按照不同的干密度(1.5 g/cm3、1.6 g/cm3和1.7 g/cm3)在試樣對(duì)開(kāi)模中分5層擊實(shí)，使每層質(zhì)量相同，每裝一層用擊錘輕壓使其接觸密實(shí)；然后，把接觸面輕微刮擦一下，使每?jī)蓪咏佑|緊密，以免造成裝樣分層現(xiàn)象，制成直徑為39.1 mm、高度為80.0 mm的試樣。試樣制備完成后將其放在室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，齡期3 d后將其從試樣模中取出，并準(zhǔn)確測(cè)量試樣的高度、直徑及質(zhì)量。

飽和粉土固結(jié)排水試驗(yàn)方法如下：將粉土試樣放入真空飽和裝置，開(kāi)啟真空泵進(jìn)行抽氣飽和。試樣充分飽和是本試驗(yàn)的關(guān)鍵。在試樣抽氣飽和12 h后，將其取出放置于三軸儀內(nèi)，設(shè)置圍壓后打開(kāi)圍壓閥，關(guān)閉反壓閥及排水閥進(jìn)行固結(jié)。待試樣固結(jié)12 h后開(kāi)始試驗(yàn)，采用TSW-5土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1干密度對(duì)粉土試樣強(qiáng)度的影響

圖1　齡期3 d、圍壓100 kPa時(shí)，不同干密度粉土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

繪制齡期3 d、圍壓100 kPa條件下，粉土干密度分別為1.5 g/cm3、1.6 g/cm3和1.7 g/cm3時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1所示。由圖1可知：隨著干密度的增加，相同齡期條件下，不同干密度粉土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基本上表現(xiàn)為弱應(yīng)變軟化型。不同干密度的粉土強(qiáng)度不同，干密度1.5 g/cm3時(shí)的主應(yīng)力差峰值約為700 kPa，干密度1.6 g/cm3時(shí)的主應(yīng)力差峰值約為950 kPa，干密度1.7 g/cm3時(shí)的主應(yīng)力差峰值約為1 100 kPa。由此可以看出：粉土的強(qiáng)度隨著干密度的增加表現(xiàn)為增大趨勢(shì)。這與顆粒間的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，由于粒徑0.25 mm內(nèi)的粉土顆粒較為單一，導(dǎo)致顆粒間的孔隙較大。隨著試樣的干密度增加，試樣變得更為密實(shí)，圍壓使孔隙體積產(chǎn)生壓縮，同時(shí)還改變了粉土顆粒的微觀結(jié)構(gòu)，使顆粒間排列更加緊密，顆粒骨架更加堅(jiān)硬，抵抗外部荷載變形的能力有較大幅度的提高，進(jìn)而導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度也隨之增大[13-14]。試樣密實(shí)(干密度1.6 g/cm3和1.7 g/cm3)條件下，達(dá)到最大軸向承載力時(shí)，粉土試樣的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，使骨架發(fā)生破壞，導(dǎo)致骨架的承載力開(kāi)始降低，宏觀表現(xiàn)為試樣的弱應(yīng)變軟化特性。

2.2圍壓對(duì)粉土試樣強(qiáng)度的影響

圖2　齡期3 d、干密度1.5 g/cm3、初始制樣含水率16%時(shí)，不同圍壓的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

以初始制樣含水率16%、干密度1.5 g/cm3、齡期3 d的粉土試樣為例，繪制不同圍壓(100 kPa、200 kPa和300 kPa)下粉土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示。由圖2可知：隨著圍壓增大，主應(yīng)力差的峰值隨之增大，主應(yīng)力差相同時(shí)相應(yīng)的應(yīng)變?cè)叫?。隨著圍壓的增大，主應(yīng)力差的峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變隨之增大。圍壓100 kPa和200 kPa時(shí)，主應(yīng)力差峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變約為2.5%；圍壓300 kPa時(shí)，主應(yīng)力差峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變約為1.5%。主要原因?yàn)椋翰牧显诩羟兄埃瑖鷫河?，壓縮量愈大，相對(duì)密實(shí)度愈大，顆粒之間的咬合能力及抗剪切變形能力愈強(qiáng)，變形模量愈大。

圍壓與粉土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變具有相關(guān)關(guān)系。圍壓100 kPa和300 kPa時(shí)，干密度1.5 g/cm3的粉土試樣表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特性，試樣破壞后強(qiáng)度表現(xiàn)為先緩慢下降，再逐漸趨于穩(wěn)定；但是，圍壓200 kPa時(shí)，粉土試樣破壞后強(qiáng)度基本逐漸趨于穩(wěn)定。相同干密度條件下，隨著圍壓的增加，主應(yīng)力差峰值越大，其強(qiáng)度也表現(xiàn)為增大趨勢(shì)。

2.3初始制樣含水率對(duì)粉土試樣強(qiáng)度的影響

初始制樣含水率與粉土的強(qiáng)度具有相關(guān)關(guān)系，以齡期3 d、圍壓100 kPa時(shí)干密度1.5 g/cm3的粉土試樣為例，繪制在不同初始制樣含水率(10%、12%、14%和16%)的主應(yīng)力差的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3所示。由圖3可知：隨著初始制樣含水率的增加，主應(yīng)力差的峰值也隨之變化。初始制樣含水率12%～16%時(shí)，主應(yīng)力差峰值較為接近，以含水率12%的強(qiáng)度最大，并且試樣破壞后的強(qiáng)度也較為接近。但是，初始制樣含水率為10%時(shí)，粉土試樣的主應(yīng)力差峰值約為730 kPa，較其他含水率的強(qiáng)度小很多。由此可知：初始制樣含水率對(duì)粉土試樣的強(qiáng)度具有一定程度的影響，其中以含水率12%～14%為宜。

初始制樣含水率10%時(shí)，試樣主應(yīng)力差的峰值應(yīng)變約為2.0%；含水率12%時(shí)，主應(yīng)力差的峰值應(yīng)變約為1.5%；含水率14%和16%時(shí)，主應(yīng)力差的峰值應(yīng)變約為2.5%。因此，圍壓相同時(shí)，不同齡期的試樣出現(xiàn)破壞時(shí)的應(yīng)變基本相同，主應(yīng)力差峰值相應(yīng)的應(yīng)變基本保持在1.5%～2.5%。同時(shí)可知：粉土試樣在不同初始制樣含水率的條件下，均表現(xiàn)為弱應(yīng)變軟化特性。

2.4有效應(yīng)力比的變化規(guī)律

以粉土為例，有效應(yīng)力比隨應(yīng)變的變化規(guī)律如圖4和圖5所示。由圖4可知：圍壓100 kPa條件下，試樣的有效應(yīng)力比均隨干密度的增大而增加。在干密度較大(1.6 g/cm3和1.7 g/cm3)條件下，有效應(yīng)力比隨應(yīng)變的增長(zhǎng)趨勢(shì)是先快速增長(zhǎng)直至達(dá)到峰值，再快速下降達(dá)到穩(wěn)定；在干密度較小(1.5 g/cm3)時(shí)，有效應(yīng)力比隨應(yīng)變的增長(zhǎng)趨勢(shì)是先快速增長(zhǎng)至穩(wěn)定值，然后趨于穩(wěn)定或者緩慢下降趨于穩(wěn)定。由圖5可知：齡期3 d、圍壓100 kPa、干密度1.5 g/cm3條件下，有效應(yīng)力比在初始含水率12%～16%時(shí)較大，在含水率10%時(shí)較小。

圖5　齡期3 d、干密度1.5 g/cm3、圍壓100 kPa時(shí)，不同初始制樣含水率的有效應(yīng)力比變化曲線

2.5主應(yīng)力差的變化規(guī)律

以齡期3 d的粉土為例，給出了不同干密度下最大主應(yīng)力差與圍壓的關(guān)系，如圖6所示。由圖6可知：圍壓相同時(shí)，隨著干密度的增加，最大主應(yīng)力差也隨之變大；相同干密度條件下，最大主應(yīng)力差隨著圍壓增大而變大。由圖1至圖3可知：粉土試樣主應(yīng)力差均在較小的軸向應(yīng)變范圍內(nèi)達(dá)到峰值，基本上在軸向應(yīng)變2.5%以內(nèi)。3種干密度的試樣的最大主應(yīng)力差與圍壓的關(guān)系基本呈線性增大，在同一圍壓條件下，干密度1.7 g/cm3粉土試樣的最大主應(yīng)力差最高，最大主應(yīng)力差隨著干密度的增加而增加。

圖6　齡期3 d、不同干密度時(shí)，最大主應(yīng)力差與圍壓的關(guān)系曲線

3　結(jié)論

(1)干密度是影響粉土變形特性的主要因素，隨著干密度的增加，粉土試樣強(qiáng)度表現(xiàn)為增大趨勢(shì)。隨著圍壓的增加，其強(qiáng)度也隨之增大。

(2)初始制樣含水率也是影響粉土變形特性的一個(gè)重要因素。初始制樣含水率為12%～14%時(shí)，粉土試樣強(qiáng)度最大；初始制樣含水率為10%時(shí)，強(qiáng)度最??；初始制樣含水率大于14%時(shí)，其強(qiáng)度有所下降。

(3) 粉土的應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)為弱應(yīng)變軟化型，粉土破壞后仍有較大的強(qiáng)度。但是，針對(duì)粒徑及加入石灰等材料對(duì)其強(qiáng)度的影響仍有待進(jìn)一步探討。

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國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401107)

宋丹青(1989-),男,河南鄭州人,博士生,主要從事巖土工程方面的研究.

2016-01-03

1672-6871(2017)01-0052-04

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.01.011

U416

A