考慮內(nèi)部侵蝕作用的砂土應(yīng)力應(yīng)變特性

劉偉平，崔運(yùn)帷

(南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

大壩和富水砂土層基坑中經(jīng)常發(fā)生內(nèi)部侵蝕現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致巖土工程災(zāi)害發(fā)生[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，土壩約有三分之一的失效歸因于內(nèi)部侵蝕，內(nèi)部侵蝕可由集中滲漏侵蝕、反向侵蝕、土壤接觸侵蝕或淹沒引起[2-3]。在侵蝕過程中，土壤結(jié)構(gòu)中細(xì)顆粒的損失將導(dǎo)致顆粒重新排列和接觸，導(dǎo)致滲透性的增加、產(chǎn)生顯著的沉降以及失穩(wěn)，提高結(jié)構(gòu)破壞的概率[4]。

許多學(xué)者對于內(nèi)部侵蝕的發(fā)展過程開展了一系列的研究，在施工過程中，由于土體顆粒離析，土體可能會(huì)出現(xiàn)間斷級配[5]。張冬梅等[6]針對間斷級配砂土中管線破損引起周圍土體的滲流侵蝕等問題，分析了地下空洞產(chǎn)生的原因及顆粒流失的發(fā)展規(guī)律。此外，一些學(xué)者通過控制水力梯度來研究內(nèi)部侵蝕的發(fā)展過程及遭受內(nèi)部侵蝕后的力學(xué)行為。如丁留謙等[7]研究了3層堤壩內(nèi)部侵蝕作用下管涌的發(fā)生、發(fā)展，并導(dǎo)致潰堤的機(jī)制，但在這種方法中，侵蝕量較難控制。梁莉等[8]研究了強(qiáng)降雨入滲條件下寬級配粗粒土中細(xì)顆粒在孔隙流體的作用下發(fā)生內(nèi)部侵蝕的過程，并提出一種基于試驗(yàn)的內(nèi)部穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)，但是對于內(nèi)部侵蝕后的土體應(yīng)力應(yīng)變行為研究未涉及到。為了進(jìn)一步研究內(nèi)部侵蝕土體的力學(xué)特性規(guī)律，部分學(xué)者采用鹽顆粒代替一些土壤顆粒來達(dá)到指定的侵蝕程度，從而研究內(nèi)部侵蝕過程中的一維土壤變形[9]。Chen等[10]研究了兩種間斷級配土壤在內(nèi)部侵蝕過程中的變形和內(nèi)部侵蝕導(dǎo)致細(xì)顆粒流失的土壤的應(yīng)力-應(yīng)變行為，但是沒涉及到摩擦角的變化。羅玉龍等[11]將基座底板改造為網(wǎng)篩結(jié)構(gòu)，使得細(xì)顆?？梢酝ㄟ^基座底板脫離出原試樣，從而得出土壤內(nèi)部侵蝕的應(yīng)力應(yīng)變行為規(guī)律。

近年來，在砂土試樣中加入可溶性物質(zhì)，通過溶解作用模擬復(fù)雜土體內(nèi)部侵蝕現(xiàn)象的發(fā)生，這一試驗(yàn)方法被更加廣泛的使用。Yang等[12]在砂土中加入葡萄糖塊，成功在試驗(yàn)中再現(xiàn)了地下空洞的形成。楊陽等[12]利用葡萄糖粉末制作特定尺寸的侵蝕柱體，將其置于試樣中部，利用其溶解還原管涌過程中侵蝕通路的形成及拓展過程，并研究圍壓密實(shí)度等因素對內(nèi)部侵蝕過程及侵蝕后土體力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。郭鴻等[13]配制不同級配砂土試樣，在室內(nèi)直剪試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行離散元數(shù)值模擬分析，得到了不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc對摩擦角的綜合影響曲線，得出砂土試樣的破壞是與顆粒級配有關(guān)的漸進(jìn)破壞過程。但是對于不同間斷級配砂土的應(yīng)力-應(yīng)變特性研究很少有學(xué)者開展相關(guān)工作。

本文研究間斷級配砂土在侵蝕過程中損失一定量細(xì)顆粒后的應(yīng)力-應(yīng)變行為，通過在間斷級配砂土中加入不同含量鹽顆粒，利用其溶解實(shí)現(xiàn)內(nèi)部侵蝕后的土體條件，并對侵蝕后試樣進(jìn)行固結(jié)排水剪切(CD)試驗(yàn)，研究不同間斷級配、不同圍壓等影響因素對內(nèi)部侵蝕作用下的土體力學(xué)特性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料及方案

本次試驗(yàn)材料取自南昌市某地鐵站臺(tái)下富水砂層內(nèi)砂土，采用3組不同細(xì)顆粒含量的間斷級配砂土，細(xì)粒粒徑范圍為0.3～0.6 mm，粗粒粒徑范圍為1.18～5 mm，顆粒級配曲線見圖1。間斷級配1、間斷級配2和間斷級配3對應(yīng)的最大干密度分別為1.58、1.61和1.66 g·cm-3。

將砂土細(xì)粒和粗粒完全干燥，對一定質(zhì)量的粗粒和細(xì)粒進(jìn)行稱重，除間斷級配砂土試樣外，另準(zhǔn)備顆粒均勻的精制細(xì)鹽，制備試樣時(shí)將不同含量的鹽顆粒代替砂土細(xì)顆粒損失量摻入砂土中進(jìn)行充分拌合。細(xì)顆粒損失量(鹽量與細(xì)顆粒含量比值)分別取0、10%、20%和30%，試驗(yàn)過程中細(xì)鹽顆粒的溶解即為土體內(nèi)部侵蝕細(xì)顆粒流失后的土體狀態(tài)。砂土試樣相對密實(shí)度為80%。本次研究試驗(yàn)共計(jì)36組，不同工況按照控制變量的設(shè)計(jì)原則，只改變某一影響參數(shù)，探究不同細(xì)顆粒損失量、圍壓和級配等3種因素的影響，具體試驗(yàn)方案見表1。

顆粒直徑/mm圖1 間斷級配砂土顆粒級配曲線Fig.1 Gradation curve of discontinuous graded sand

1.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)采用SLB-1型應(yīng)力應(yīng)變?nèi)S試驗(yàn)儀，試驗(yàn)步驟以下。

1) 試樣制備：將計(jì)算所需的砂土及鹽充分拌合均勻后進(jìn)行制樣，試樣直徑為39.1 mm，高度為80 mm。將試驗(yàn)砂土分為5層裝置在橡皮乳膠膜內(nèi)，并對安裝的試樣進(jìn)行擊實(shí)，達(dá)到試驗(yàn)需要的壓實(shí)度。試樣制備完畢密封好橡皮乳膠膜后，打開反壓閥門，試樣施加5 kPa反壓以便拆除對開模時(shí)保證其穩(wěn)定性。靜置30 s后將對開模進(jìn)行拆除，測量試樣高度保證尺寸的準(zhǔn)確性無誤后即完成制備。

2) 試樣飽和：土樣制備完成后施加圍壓10 kPa，打開上部和底部的閥門，通過水頭壓力差使蒸餾水從砂土試樣的底部流向頂部進(jìn)行飽和，當(dāng)排空試樣內(nèi)的孔隙內(nèi)空氣時(shí)，可認(rèn)為孔隙內(nèi)充滿了蒸餾水達(dá)到飽和狀態(tài)，并關(guān)閉儀器各處閥門。

3) 試樣固結(jié)：按試驗(yàn)需求壓力設(shè)置圍壓，將砂土試樣頂部及底部排水閥門連通到三軸試驗(yàn)儀器的體積及孔隙水壓力的測量系統(tǒng)中，固結(jié)時(shí)，當(dāng)砂土試樣排出水的體積不再變化，孔隙水壓力值維持在0 kPa左右1 h以上，即完成試樣固結(jié)。

4) 試樣剪切：固結(jié)完成后，對試樣進(jìn)行排水剪切，如圖2所示，試驗(yàn)全程保持等應(yīng)變剪切。通過儀器排水閥控制排水，儀器加載板加載速率為0.02 mm·min-1，設(shè)定的最大剪切量為16 mm，即最大應(yīng)變量達(dá)到20%時(shí)剪切結(jié)束。

圖2 試樣剪切Fig.2 Shear of sand sample

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 細(xì)顆粒損失量對三軸試驗(yàn)結(jié)果影響

砂土試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)在侵蝕前后發(fā)生了變化，在3種不同圍壓作用下，間斷級配1型砂土(粗：細(xì)=2：8)、間斷級配2(粗：細(xì)=4：6)與間斷級配3(粗：細(xì)=6：4)型砂土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖3～圖5所示。

軸向應(yīng)變?chǔ)?%(a) 圍壓50 kPa

軸向應(yīng)變?chǔ)?%(b) 圍壓100 kPa

軸向應(yīng)變?chǔ)?%(c) 圍壓200 kPa圖3 細(xì)顆粒損失量對間斷級配1型砂土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線影響Fig.3 Influence of fine particle loss on stress-strain relationship curve of discontinuous graded NO.1

軸向應(yīng)變?chǔ)?%(a) 圍壓50 kPa

軸向應(yīng)變?chǔ)?%(b) 圍壓100 kPa

軸向應(yīng)變?chǔ)?%(c) 圍壓200 kPa圖4 細(xì)顆粒損失量對間斷級配2型砂土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線影響Fig.4 Influence of fine particle loss on stress-strain relationship curve of discontinuous NO.2

軸向應(yīng)變?chǔ)?%(a) 圍壓50 kPa

軸向應(yīng)變?chǔ)?%(b) 圍壓100 kPa

軸向應(yīng)變?chǔ)?%(c) 圍壓200 kPa圖5 細(xì)顆粒損失量對間斷級配3型砂土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線影響Fig.5 Influence of fine particle loss on stress-strain relationship curve of discontinuous graded NO.3

砂土內(nèi)部侵蝕會(huì)造成細(xì)顆粒的流失，導(dǎo)致細(xì)顆粒的數(shù)量減少，粗顆粒的質(zhì)量比增加，從試驗(yàn)結(jié)果可以得出，在3種圍壓作用下，峰值強(qiáng)度均出現(xiàn)在軸向應(yīng)變?yōu)?%～10%之間，同種級配砂土，隨著砂土細(xì)顆粒流失量的增加，砂土試樣的峰值破壞強(qiáng)度呈逐步降低趨勢。砂土試樣骨架由粗顆粒和細(xì)顆粒組成，隨著細(xì)顆粒損失的增加，土壤顆粒之間的接觸減少，強(qiáng)力鏈可能會(huì)坍塌，產(chǎn)生變形，特別是徑向變形出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象，因此，在失去一定量的細(xì)顆粒后，砂土微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，導(dǎo)致峰值強(qiáng)度逐步降低。隨著砂土內(nèi)鹽分溶解量的增多，砂土質(zhì)量和體積均減小，砂土隨著細(xì)顆粒的流失而變得較為松散，這與Wood等[14]的數(shù)值分析結(jié)論一致，去除細(xì)顆粒將通過減少固體體積和增加孔隙體積來增加孔隙比，并形成更松散的結(jié)構(gòu)，在外部應(yīng)力下壓縮更多。

2.2 不同間斷級配對三軸試驗(yàn)結(jié)果影響

不同圍壓作用下，砂土試樣峰值破壞強(qiáng)度與不同細(xì)顆粒流失量和不同間斷級配砂土的關(guān)系如圖6所示。根據(jù)3種不同間斷級配砂土試驗(yàn)結(jié)果可以得出，在細(xì)顆粒流失量相同時(shí)，相同圍壓下砂土試樣破壞強(qiáng)度峰值隨著細(xì)顆粒含量占比的減少呈遞增趨勢。隨著圍壓的增加，峰值破壞強(qiáng)度數(shù)值明顯增加。粗顆粒和細(xì)顆粒組成了砂土試樣骨架，粗顆粒間的孔隙可以被細(xì)顆粒填充，使粗顆粒和細(xì)顆粒之間咬合作用增強(qiáng)，因此，砂土細(xì)顆粒含量占比的減少，會(huì)導(dǎo)致咬合作用減弱。隨著圍壓的增加，粗顆粒間接觸更為緊密，抵抗變形的能力變強(qiáng)，導(dǎo)致峰值破壞強(qiáng)度更高。粗顆粒在砂土中作為基本骨架，而砂土中的細(xì)顆粒可以充填到砂土中各粒組間孔隙，粗、細(xì)顆粒共同構(gòu)成砂土級配，因此砂土細(xì)顆粒含量的變化直接引起砂土顆粒級配的差異，進(jìn)一步影響到砂土的剪切性能。

(a) 圍壓50 kPa

(b) 圍壓100 kPa

(c) 圍壓200 kPa圖6 砂土試樣峰值破壞強(qiáng)度與間斷級配砂土關(guān)系圖Fig.6 Relationship between peak failure strength of sand sample and discontinuous graded sand

2.3 細(xì)顆粒損失量對內(nèi)摩擦角φ的影響

依據(jù)三軸試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出3種間斷級配砂土在不同顆粒損失(0%、10%、20%、30%)情況下摩擦角φ值，如圖7所示。對比3組間斷級配砂土的摩擦角φ隨細(xì)顆粒損失量的變化曲線，隨著細(xì)顆粒損失量的增加，摩擦角φ逐步減小，大致呈線性規(guī)律。間斷級配1型砂土摩擦角φ由41.3°下降到38.9°，下降了5.8%；間斷級配2型砂土的摩擦角φ從43.7°下降到41.8°，下降了4.3%；間斷級配3型砂土的摩擦角φ從46.3°下降到44.2°，下降了4.5%。此外，粗顆粒含量對砂土摩擦角φ也有一定的影響，由圖7可以看出間斷級配3型砂土粗顆粒含量最多，細(xì)顆粒含量最少，試驗(yàn)得出的摩擦角φ最大，間斷級配1型砂土粗顆粒含量最少，細(xì)顆粒含量最多，試驗(yàn)得出的摩擦角φ最小。因此，可以得出砂土的粗顆粒含量越大，摩擦角φ越大的規(guī)律。這一結(jié)論與Yang等[15]研究者發(fā)現(xiàn)的混合土臨界狀態(tài)摩擦角隨細(xì)粒含量的增加而減小的規(guī)律類似。

細(xì)顆粒損失量/%圖7 摩擦角φ隨細(xì)顆粒損失量變化圖Fig.7 Variation of peak friction angle φ with fine particle loss

3 結(jié)論

1) 內(nèi)部侵蝕導(dǎo)致的砂土細(xì)顆粒流失量會(huì)對砂土的破壞強(qiáng)度產(chǎn)生影響，隨著砂土細(xì)顆粒流失量的增加，砂土試樣的破壞強(qiáng)度峰值呈逐步降低趨勢。

2) 粗、細(xì)顆粒共同構(gòu)成了砂土的級配，不同級配砂土對應(yīng)著不同粗、細(xì)顆粒含量。隨著砂土試樣細(xì)顆粒含量占比的增加，相同圍壓下試樣破壞強(qiáng)度峰值隨著細(xì)顆粒含量的增加呈遞減趨勢，且圍壓越大，破壞強(qiáng)度峰值增加越明顯。

3) 砂土的摩擦角φ隨著細(xì)顆粒損失量的增加而逐步減小，大致呈線性規(guī)律,間斷級配1、2和3型砂土摩擦角φ分別下降了5.8%、4.3%和4.5%。粗顆粒含量對砂土摩擦角也有一定的影響，砂土的粗顆粒含量越大，摩擦角φ越大。