摻合料土體凍融循環(huán)試驗下三軸剪切強度特性分析研究

張 磊

(塔里木河流域干流管理局， 新疆 庫爾勒 841000)

土體材料是水利工程建設施工的基礎，探討土體材料的力學特性，對水利工程設計、施工均具有較大幫助[1-3]。設計三軸剪切試驗開展土體材料室內(nèi)試驗，可為認識土體材料的應力變形提供重要基礎，而基于室內(nèi)剪切試驗所獲得的抗剪特征參數(shù)是水利工程設計中尤為關注的內(nèi)容。目前，國內(nèi)外諸多學者利用土工試驗系統(tǒng)，開展了不同土體材料的剪切破壞試驗，探討土體材料本構(gòu)特性，為工程應用提供重要試驗依據(jù)[4-6]。凍融循環(huán)試驗可模擬高寒地區(qū)土體力學影響特性，一些水利工程師基于室內(nèi)土體凍融循環(huán)試驗，研究了土體受凍融循環(huán)物理損傷作用下其力學特征或滲透特性影響規(guī)律，極大豐富了土體凍融循環(huán)特性研究[7-9]。本文基于凍融循環(huán)試驗與室內(nèi)三軸剪切試驗，設計不同因素影響下?lián)胶狭贤馏w研究方案[10-12]，為河道整治等水利工程設計施工提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗儀器

某河道工程設計需新拓寬3 m，為此需對原河道開展整治開挖，原河床斷面為半圓形，河底部高程為58.5 m，需整治河道長度約為1.5 km，起止樁號為1+252～2+752，現(xiàn)河道工程中所遇一岸坡，該岸坡水土流失較嚴重，河道整治開挖岸坡一定程度會削弱其安全穩(wěn)定性。設計部門考慮結(jié)合凍融循環(huán)試驗開展岸坡土體三軸破壞力學試驗研究，為河道岸坡開挖設計提供試驗依據(jù)。

試驗采用GS-RA型三軸剪切儀，該試驗系統(tǒng)包括有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與加載系統(tǒng)，其中加載系統(tǒng)分為側(cè)向圍壓與豎向荷載兩部分加載子系統(tǒng)，最大豎向荷載可達200 kN，圍壓最大可加載至50 MPa，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實時查看數(shù)據(jù)，采集間隔為0.5 s，力傳感器以及位移傳感器試驗前均已標定，凍融循環(huán)試驗利用高低溫試驗箱在目標循環(huán)次數(shù)下完成，其中每次凍、融持續(xù)時長均控制在24 h，凍、融溫度分別為-20 ℃、20 ℃[13-14]。

1.2 試驗方案

由現(xiàn)場鉆孔獲得試驗土樣，為粉質(zhì)壤土，圖1為現(xiàn)場擊實試驗所獲得的最佳含水量為18%，根據(jù)室內(nèi)初步物理參數(shù)測試得知，該土樣天然含水量約為8.5%，土顆粒中以0.005～0.075 mm為主，占比超過80%。為研究重塑土體摻加糯米漿后力學性質(zhì)差異，本文采用的糯米漿密度為1.02 g/cm3、1.04 g/cm3、1.06 g/cm3；以土糯比(糯米漿質(zhì)量占比)參數(shù)作為制備摻糯米漿土體材料的指標，配置重塑制備出摻合料土體，糯米漿摻量設定分別為0%、5%、10%、15%；另凍融循環(huán)試驗按照0次、5次、10次、15次設計；各方案均需完成圍壓50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa下試驗；表1為各試驗方案具體組合表。試樣制備利用固定尺寸的制備容器，分5層，逐層壓實，保證試樣內(nèi)部晶體顆粒受力均勻，制作出滿足試驗要求的試樣，養(yǎng)護24 h。

圖1 擊實曲線

表1 各試驗方案具體組合表

2 土體三軸力學特征影響分析

2.1 糯米漿摻量

本文以圍壓100 kPa下各糯米漿(密度為1.04 g/cm3)摻量影響下應力應變曲線開展分析，如圖2所示。從圖中可看出，凍融循環(huán)次數(shù)與三軸偏應力為負相關特征，在糯米漿摻量為15%時，凍融循環(huán)15次下試樣峰值偏應力為203.75 kPa，而凍融循環(huán)5次、10次下峰值偏應力相比前者分別增大了31.7%、9.7%。從糯米漿摻量影響三軸應力特征來看，糯米漿摻量5%下峰值偏應力最高，凍融循環(huán)0次下可達377.7 kPa，而在相同凍融循環(huán)次數(shù)下糯米漿摻量10%、15%相比純土體分別降低了11.5%、18.8%；但摻入糯米漿的土體峰值偏應力均高于純土體；分析表明，糯米漿摻量愈多，則峰值偏應力愈低，但相比純土體，摻合料土體應力水平均高于前者。筆者認為糯米漿自身的黏結(jié)性可促使細小土顆粒填充在顆粒骨架的孔隙內(nèi)，從而保證顆粒骨架整體穩(wěn)固性，進而產(chǎn)生摻合料土體三軸應力水平總高于純土體；但當糯米漿摻量增多時，由于糯米漿自身還具有潤滑特性，會削弱土顆粒相互間、土顆粒與糯米漿之間的摩擦力，增大土顆?；瑒幽芰?，產(chǎn)生糯米漿摻量過高時抑制摻合料土體應力水平增長效應。從摻合料土體在凍融循環(huán)試驗后三軸剪切變形特征來看，土體變形破壞趨于應變硬化特征，特別是在低凍融循環(huán)次數(shù)下，試樣峰值偏應力后期延塑性變形顯著，從彈性壓密臨界點來看，同一糯米漿摻量下各凍融循環(huán)次數(shù)試樣的彈性壓密拐點所對應的應變均為一致，糯米漿摻量在0%、5%、10%、15%分別對應的彈性壓密應變?yōu)?.2%、2.6%、2.1%、1.8%，摻合料土體彈性壓密應變高于純土體。

圖2 糯米漿摻量影響下應力應變曲線

圖3為糯米漿(密度為1.04 g/cm3)摻量下試樣峰值偏應力與凍融循環(huán)次數(shù)變化關系，從圖中可知，凍融循環(huán)次數(shù)、糯米漿摻量分別與三軸峰值偏應力為負相關關系，在圍壓50 kPa、凍融循環(huán)次數(shù)10次下糯米漿摻量5%的峰值偏應力為180.8 kPa，其相比含量10%、15%下分別高了16.5%、36.6%，相同條件下圍壓400 kPa下差距幅度分別為8.5%、11.1%，即圍壓增大，可抑制糯米漿摻量對土體峰值偏應力削弱效應。

圖3 試樣峰值偏應力與凍融循環(huán)次數(shù)關系

2.2 糯米漿密度

圖4為圍壓100 kPa下不同密度摻合料土體三軸應力應變曲線。從圖4可看出，三軸加載過程中應力水平以密度1.04 g/cm3最高。圖5為圍壓100 kPa、400 kPa下各糯米漿密度試樣峰值強度特征。從圖4、圖5可看出，峰值偏應力隨糯米漿密度為先增后減變化，在圍壓100 kPa下凍融循環(huán)5次時密度1.04 g/cm3的試樣峰值偏應力為326.2 kPa，而相同條件下密度為1.02 g/cm3、1.06 g/cm3分別僅為前者的77.2%、87.2%。另一方面，圍壓對試樣峰值偏應力有促進作用，圍壓增大，則試樣加載過程中裂紋擴展難度增大，同為凍融循環(huán)5次、糯米漿密度1.06 g/cm3下試樣在圍壓400 kPa的峰值偏應力為845.2 kPa，而圍壓100 kPa下相比前者降低了66.3%。另對比不同圍壓下凍融特性對試樣峰值偏應力抑制作用可知，圍壓100 kPa下相同糯米漿密度試樣在凍融循環(huán)0次峰值偏應力相比循環(huán)5次、10次、15次分別增長了12.8%、26.9%、42.5%，而在圍壓400 kPa下同等對比情況下的增長幅度分別為3.5%、5.5%、8.6%，即高圍壓下各凍融循環(huán)試樣峰值偏應力差異逐漸縮小，分析表明，圍壓增大了，可彌補由于凍融循環(huán)效應對土體試樣物理損傷作用，縮小峰值強度差距。從圖5加載過程中變形特征來看，各凍融循環(huán)次數(shù)下試樣均接近于應變硬化特征，且各凍融循環(huán)次數(shù)之間應力應變差異主要出現(xiàn)在塑性變形階段，各試樣在彈性壓密應變點前應力應變基本一致，同一糯米漿密度相對應的彈性壓密應變亦是一致。

圖4 不同密度摻合料土體三軸應力應變曲線(圍壓100 kPa,糯米漿摻量為10%)

圖5 試樣峰值偏應力與糯米漿密度關系(糯米漿摻量為10%)

3 土體抗剪強度參數(shù)影響分析

圖6、圖7為各凍融循環(huán)次數(shù)、糯米漿摻量與密度影響下抗剪特征參數(shù)變化曲線。從圖中可看出，黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)遞減，而各糯米漿摻量試樣中黏聚力最高為含量5%，在糯米漿摻量10%時，凍融循環(huán)5次的黏聚力為42 kPa，而循環(huán)10次、15次相比前者分別降低了14.3%、23.8%；相同凍融循環(huán)5次下，糯米漿摻量5%試樣的黏聚力為49 kPa，其相比摻量10%、15%試樣分別高了16.7%、36.1%，有摻合料土體黏聚力均高于純土體。各糯米漿密度試樣的黏聚力最大均為密度1.04 g/cm3試樣，凍融循環(huán)15次時黏聚力為41 kPa，而密度1.02 g/cm3、1.06 g/cm3分別僅為前者的85%、78%。分析認為，糯米漿成分的存在，可提升土體黏結(jié)性，增強試樣承載能力，此亦印證了前文摻合糯米漿土體承載應力高于純土體。

圖6 黏聚力特征參數(shù)影響特征變化曲線(圍壓200 kPa)

從圖7特征曲線可知，內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)并無顯著關聯(lián)，各糯米漿摻量中10%含量試樣內(nèi)摩擦角最大，純土體的內(nèi)摩擦角總低于摻合料土體，在凍融循環(huán)10次時，純土體的內(nèi)摩擦角為21°，而摻合糯米漿摻量5%、10%、15%分別比前者增大了16.7%、34%、22%。糯米漿密度對試樣內(nèi)摩擦角影響較小，各糯米漿密度試樣內(nèi)摩擦角均穩(wěn)定在23°～26°，且同一糯米漿密度試樣內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)變化為無序狀態(tài)，即凍融循環(huán)次數(shù)對其影響較弱。

圖7 內(nèi)摩擦角特征參數(shù)影響特征變化曲線(圍壓200 kPa)

4 結(jié) 論

針對河道工程中土體三軸力學特征開展分析研究，研究了不同外因素對土體應力應變影響特性，主要有如下結(jié)論：

(1)獲得了糯米漿摻量對土體力學特征影響特性，凍融循環(huán)次數(shù)、糯米漿摻量分別與土體峰值偏應力為負相關，摻和糯米漿土體峰值偏應力均高于純土體，圍壓增大，可抑制糯米漿摻量對土體應力削弱效應；低凍融循環(huán)次數(shù)下，土體延塑性變形顯著，且相同糯米漿摻量的試樣彈性壓密點應變?yōu)橐恢?，其中糯米漿摻量5%下最大，達2.6%。

(2)研究了峰值應力隨糯米漿密度為先增后減變化，相同條件下密度1.02 g/cm3、1.06 g/cm3分別僅為密度1.04 g/cm3的77.2%、87.2%；圍壓可促進偏應力增長，圍壓100 kPa下峰值偏應力相比圍壓400 kPa降低了66.3%；高圍壓作用可彌補凍融循環(huán)效應對土體物理損傷效應；同一糯米漿密度下彈性壓密應變一致。

(3)分析了土體三軸抗剪強度特征參數(shù)受凍融循環(huán)次數(shù)、糯米漿摻量與密度影響特性，黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)遞減，摻合料土體抗剪特征參數(shù)均高于純土體，糯米漿密度1.04 g/cm3試樣的黏聚力最大，循環(huán)10次、15次相比循環(huán)5次分別降低了14.3%、23.8%；糯米漿密度、凍融循環(huán)次數(shù)對試樣內(nèi)摩擦角影響均較小。