貴州原狀及重塑紅黏土在不同應(yīng)力路徑下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析

曹文婷，高 彬，2

(1.貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測(cè)中心有限責(zé)任公司，貴州 貴陽(yáng) 550000；2.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

0 前 言

貴州省碳酸鹽巖分部廣泛，工程建設(shè)中十分常見。近年來(lái)對(duì)貴州紅黏土的力學(xué)性質(zhì)研究主要基于常規(guī)三軸試驗(yàn)，且所選的固結(jié)方式大多是基于等壓固結(jié)條件下。實(shí)際上，紅黏土土體在淺埋隧道洞口開挖、邊坡、基坑等實(shí)際工程應(yīng)用下土體并非常規(guī)三軸試驗(yàn)所體現(xiàn)出的單一加載破壞模式，而是伴隨著卸荷-加荷-卸荷加荷同時(shí)進(jìn)行等較為復(fù)雜的應(yīng)力變化狀態(tài)下。同樣，實(shí)際情況下土體的固結(jié)方式并非為各個(gè)方向固結(jié)壓力均相等的等壓固結(jié)，而是不同深度的土體在固結(jié)過(guò)程中各個(gè)方向的固結(jié)壓力均不相等，主要體現(xiàn)在豎向固結(jié)壓力大于周圍水平方向的固結(jié)壓力。另外，值得一提的是，貴州紅黏土的力學(xué)性質(zhì)具有明顯的剖面性，即不同深度對(duì)應(yīng)的不同稠度狀態(tài)下的紅黏土的力學(xué)性質(zhì)差異很大。因此，基于上述情況，本文在前期研究的基礎(chǔ)上，對(duì)不同稠度狀態(tài)(不同含水率)的原狀及重塑紅黏土在等壓和K0固結(jié)方式下進(jìn)行的不同應(yīng)力路徑下力學(xué)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 應(yīng)力路徑試驗(yàn)方案

本文所選的不同應(yīng)力路徑有三種，分別為①常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)(CTC試驗(yàn))，該種試驗(yàn)剪切過(guò)程為保持圍壓不變，軸壓逐步增大直到土體破壞；②減壓三軸壓縮試驗(yàn)(RTC試驗(yàn))，該種應(yīng)力路徑試驗(yàn)為圍壓σ3在一定的速率下逐步降低，軸壓σ1保持不變，當(dāng)圍壓降低至一定值時(shí)，試樣會(huì)發(fā)生變形破壞；③平均主應(yīng)力P為常數(shù)的三軸試驗(yàn)(TC試驗(yàn))，該種應(yīng)力路徑試驗(yàn)剪切過(guò)程為圍壓σ3以一定速率降低的同時(shí)軸向壓力σ1以一定的速率增大，在此過(guò)程中始終保持平均主應(yīng)力P為固定值。剪切方式全部采用應(yīng)力控制式，K0固結(jié)值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值選取0.7。簡(jiǎn)要試驗(yàn)方案見表1。

表1 紅黏土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)土樣的選取及制備

試驗(yàn)采用紅黏土剖面的原狀與重塑土，選自貴州省貴陽(yáng)市花溪互通高速公路基坑的施工工地，土體選取深度約為3～10 m，土體整體呈暗紅色，未見砂石顆粒，土體土質(zhì)比較均勻，作為研究對(duì)象具有一定的代表性。原狀紅黏土三軸試樣制備：為了對(duì)貴陽(yáng)紅黏土在不同稠度狀態(tài)下的力學(xué)特性進(jìn)行充分對(duì)照分析，借鑒學(xué)者們對(duì)不同含水率土體的制備方法，天然原狀樣采用自然風(fēng)干的方法，制備到含水率分別為44%(堅(jiān)硬狀態(tài))、55%(硬塑狀態(tài))、66%(可塑狀態(tài))的三種3.91 cm×8 cm原狀土樣，并為了使土體水分均勻，所有制備的原狀土樣在保濕缸密閉放置24 h以上。重塑紅黏土三軸試樣的制備：紅黏土土樣在取回實(shí)驗(yàn)室后，通過(guò)自然風(fēng)干晾曬，然后人工碾碎之后過(guò)2 mm篩，根據(jù)土工試驗(yàn)操作規(guī)程，配制66%(可塑狀態(tài))、55%(硬塑狀態(tài))、44%(堅(jiān)硬狀態(tài))三組含水率，并嚴(yán)格按照規(guī)范操作，采用擊實(shí)法制備出尺寸為3.91 cm×8 cm的三軸試樣。

表2 應(yīng)力路徑試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同條件下各應(yīng)力路徑試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析

不同條件各應(yīng)力路徑試驗(yàn)下，原狀紅黏土與重塑紅黏土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分別見表3、4。

表3 不同應(yīng)力路徑下原狀紅黏土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

表4 不同應(yīng)力路徑下重塑紅黏土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

圖1 貴州原狀紅黏土在不同應(yīng)力路徑下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)曲線

應(yīng)力路徑對(duì)紅黏土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響。通過(guò)對(duì)不同應(yīng)力路徑下的原狀及重塑紅黏土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析得知，應(yīng)力路徑對(duì)紅黏土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響明顯，不同應(yīng)力路徑下原狀及重塑紅黏土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均有明顯差異，這種差異在內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角上均有體現(xiàn)。由圖1和圖2可以明顯看出，相同條件下，內(nèi)聚力與應(yīng)力路徑的關(guān)系為：TC路徑>CTC路徑>RTC路徑，且這種差異表現(xiàn)的非常明顯，尤其是在RTC路徑下，這種差異表現(xiàn)的最為突出。這說(shuō)明在卸荷狀態(tài)下，紅黏土的力學(xué)性質(zhì)會(huì)逐步變差。因此，在淺埋隧道洞口土體開挖等實(shí)際工程過(guò)程中，土體的開挖工藝至關(guān)重要，單一的側(cè)向開挖會(huì)使得土體自身穩(wěn)定性會(huì)逐步減小甚至喪失，此時(shí)對(duì)于隧道的超前支護(hù)也應(yīng)格外重視，必要時(shí)可加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)力度。另外，不容忽略的是，盡管內(nèi)摩擦角與應(yīng)力路徑的關(guān)系表現(xiàn)出的規(guī)律不是非常明顯，但不同應(yīng)力路徑下的內(nèi)摩擦角均有較小的變化，眾所周知，在工程實(shí)際中內(nèi)摩擦角是非常重要的一項(xiàng)指標(biāo)，這種不同應(yīng)力路徑下內(nèi)摩擦角的較小應(yīng)該引起足夠重視。

圖2 貴州重塑紅黏土在不同應(yīng)力路徑下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)曲線

圖3 貴州原狀紅黏土在不同應(yīng)力路徑下的應(yīng)力包線

含水率對(duì)紅黏土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響。通過(guò)對(duì)不同含水率下的各個(gè)應(yīng)力路徑試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析得知，紅黏土的含水率與其內(nèi)聚力關(guān)系規(guī)律明顯，隨著含水率的增加，三種應(yīng)力路徑下紅黏土的內(nèi)聚力都呈下降趨勢(shì)，隨著含水率的逐步增大，紅黏土的內(nèi)聚力差異也在不斷的縮小。這說(shuō)明當(dāng)土體的含水率達(dá)到一定值時(shí)，其接近飽和狀態(tài)時(shí)，土體顆粒之間的咬合力已逐步喪失，這時(shí)候的土體力學(xué)性質(zhì)就會(huì)變的很差，土體就面臨失穩(wěn)破壞的可能，因此，在貴州淺埋隧道洞口開挖過(guò)程中，加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)以及排水引水等工作至關(guān)重要。另外，通過(guò)含水率與內(nèi)摩擦角的關(guān)系可以看出，含水率的變化會(huì)對(duì)紅黏土的內(nèi)摩擦角產(chǎn)生影響，這種影響雖然沒(méi)有呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，但從內(nèi)摩擦角值的波動(dòng)不難看出，這種內(nèi)摩擦角的變化對(duì)土體穩(wěn)定性影響很大。這說(shuō)明紅黏土相關(guān)的土建工程中，對(duì)紅黏土的稠度狀態(tài)的考慮至關(guān)重要。

圖4 不同應(yīng)力路徑下原狀紅黏土在固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)中的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水率關(guān)系曲線

圖5 不同應(yīng)力路徑下重塑紅黏土在固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)中的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水率關(guān)系曲線

不同含水率下的紅黏土掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)分析。將CTC路徑試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變值為0.8%時(shí)的試樣進(jìn)行掃描電鏡分析，通過(guò)SEM圖像可以清楚的看到，在同等條件下，土體剪切過(guò)程中含水率為44%時(shí)的原狀紅黏土和含水率為66%時(shí)的原狀紅黏土在放大10 000倍的情況下，土體微觀結(jié)構(gòu)有較大的差異。在應(yīng)變值達(dá)到0.8%時(shí)，44%含水率的土體微觀結(jié)構(gòu)基本保持穩(wěn)定，土體顆粒之間呈片狀結(jié)構(gòu)粘結(jié)較好，孔隙較少。而同等條件下，66%含水率的土體微觀結(jié)構(gòu)已發(fā)生一定的變化，土體孔隙明顯增多，顆粒之間的粘結(jié)狀態(tài)逐漸減弱。這說(shuō)明在實(shí)際工程中，當(dāng)土體含水量較大時(shí)，土體外部荷載后土體顆粒之間的粘結(jié)容易減弱，孔隙會(huì)逐步增多，從而導(dǎo)致土體更容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

通過(guò)將貴州原狀及重塑紅黏土的在不同工況不同含水率下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是結(jié)構(gòu)保持原樣未被破壞的原狀紅黏土還是結(jié)構(gòu)已經(jīng)被完全破壞又重新固結(jié)后的重塑紅黏土，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，即其力學(xué)性質(zhì)對(duì)不同的開挖方式、含水率都有很強(qiáng)的靈敏性。這反映出在實(shí)際工程中，無(wú)論是天然原狀土還是重塑紅黏土，應(yīng)力路徑及稠度狀態(tài)對(duì)其結(jié)構(gòu)性無(wú)明顯差異。因此，對(duì)于結(jié)構(gòu)未被破壞，開挖前土體完整、堅(jiān)硬的原狀紅黏土也因引起足夠的重視，開挖時(shí)因避免長(zhǎng)時(shí)間的單一側(cè)向開挖，同時(shí)在必要時(shí)加強(qiáng)超前支護(hù)。

3 結(jié) 論

(1)不同應(yīng)力路徑及含水率對(duì)原狀和重塑紅黏土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響顯著，這種影響與紅黏土的結(jié)構(gòu)性是否完好無(wú)明顯差異。

(2)單一的卸荷狀態(tài)和含水率較大土體接近飽和狀態(tài)時(shí)，土體的力學(xué)性質(zhì)會(huì)逐步變差，土體顆粒之間的摩擦力和咬合作用會(huì)逐步減弱，加強(qiáng)淺埋隧道洞口開挖等實(shí)際工程的開挖工藝、超前支護(hù)、監(jiān)控量測(cè)和排水防水措施等都至關(guān)重要。

(3)對(duì)于應(yīng)力路徑及含水率等因素影響紅黏土力學(xué)性質(zhì)的機(jī)理還需進(jìn)一步研究。