水庫(kù)花崗巖殘積土三軸剪切力學(xué)特征的試驗(yàn)研究

李東旭

(深圳市鵬城水務(wù)技術(shù)有限公司,廣東 深圳 518100)

0 前 言

花崗巖殘積土是母巖經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化作用后殘留在原地的松散碎屑物，廣泛分布于中國(guó)閩粵沿海地區(qū)(湘南、贛南地區(qū)也有分布)[1]。地質(zhì)勘察表明，廈門地區(qū)的花崗巖殘積土約占行政區(qū)域的35%，具有厚度起伏大、風(fēng)化不均的特點(diǎn)，其最大厚度超過(guò)70 m；殘積土中往往含有球形風(fēng)化巖，呈現(xiàn)出各向異性和不均勻性的特征，顯著有別于一般的黏性土或者全強(qiáng)風(fēng)化巖的工程性質(zhì)[2-3]?；◢弾r的礦物成分主要以石英、鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石為主，且含有少量黑云母和角閃石。風(fēng)化過(guò)程中石英的性質(zhì)較為穩(wěn)定且不易風(fēng)化，因此作為硬質(zhì)粗粒保留在殘積土中使其具有砂性土的性質(zhì)，長(zhǎng)石和云母等則風(fēng)化為高嶺土和伊利石，這使得殘積土表現(xiàn)出黏性土性質(zhì)[4]。礦物間的不均勻風(fēng)化使得花崗巖殘積土內(nèi)部裂隙發(fā)育、各向異性、遇水軟化、遇水崩解以及顯著的結(jié)構(gòu)性等，在宏觀上呈現(xiàn)出抗剪強(qiáng)度高和壓縮性強(qiáng)度的矛盾特性影響了花崗巖殘積土的物理力學(xué)性質(zhì)[5]。

本文選取某水庫(kù)工程花崗巖殘積土為研究對(duì)象，采用室內(nèi)三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)和室內(nèi)三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，分別對(duì)原狀樣和重塑樣進(jìn)行三軸剪切力學(xué)測(cè)試，研究分析土體結(jié)構(gòu)性對(duì)花崗巖巖殘積土強(qiáng)度特征、剪脹(剪縮)特性的影響，以期為類似工程圍巖體施工提供理論指導(dǎo)。

1 工程概述

某水庫(kù)工程庫(kù)區(qū)地形相對(duì)高差100～150 m，岸坡多見懸崖陡壁；區(qū)域河流主要沿東向發(fā)育，河谷基本上屬“V”型分布。地質(zhì)勘查表明，水庫(kù)場(chǎng)區(qū)內(nèi)存在2層厚度不等的花崗巖殘積土，如圖1(a)所示，主要為1花崗巖殘積砂質(zhì)黏性土、2花崗巖殘積礫質(zhì)黏性土。場(chǎng)區(qū)花崗巖殘積土工程地質(zhì)特征如表1所示。兩層花崗巖殘積土的的基本物理參數(shù)如表2所示。經(jīng)篩分試驗(yàn)，試驗(yàn)土體的典型級(jí)配曲線如圖1(b)所示。

表1 場(chǎng)區(qū)花崗巖殘積土工程地質(zhì)特征

表2 場(chǎng)區(qū)花崗巖殘積土的基本物理參數(shù)

圖1 殘積土及篩分曲線

2 試驗(yàn)概述

2.1 試樣制備

2.1.1原狀樣取樣

試樣分為原狀樣重塑樣，試驗(yàn)前選取場(chǎng)區(qū)15個(gè)取樣鉆孔，將鉆孔鉆除至花崗巖殘積土新鮮土層，原狀樣采取雙重管靜壓方式進(jìn)行，即通過(guò)鉆探取樣管內(nèi)置PVC管。以1 cm/s的速率將試管均勻壓力花崗巖殘積土土層中，取出試樣后立即用膠帶封裝以避免水分蒸發(fā)，運(yùn)輸過(guò)程中采用減震措施。重塑樣直接從鉆探樣管擾動(dòng)樣中采取新鮮樣品，裝入密封塑膠袋?，F(xiàn)場(chǎng)取樣，如圖2(a)所示。

圖2 三軸試驗(yàn)系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)取樣

2.1.2原狀樣制備

首先，采用鋼絲鋸將封裝PVC鋸開，取出圓柱形完整原狀土樣，觀察試樣以確保試樣顏色呈均勻分布、土性均質(zhì)，無(wú)明顯裂縫或?qū)哟畏蛛x，無(wú)明顯的軟弱夾層。然后，將試樣放置于切土器上，采用削土刀對(duì)土樣修整，制作成直徑為39.10 mm、高度為80 mm的圓柱體試樣。削切過(guò)程中，如果局部由于遇礫石刮削導(dǎo)致的孔洞，可以容許采用削切下的余土填補(bǔ)。其次，測(cè)試切削下的土體中的含水量，每個(gè)試樣測(cè)試3次求取平均值以確定土樣的含水量。

2.1.3重塑樣制備

參照GB/T 50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[6]規(guī)定對(duì)試樣進(jìn)行分層擊實(shí)(分3層擊實(shí))，為保證擊實(shí)試樣的整體性，在每層土料的擊實(shí)表面進(jìn)行刮毛處理，制作的重塑試樣的目標(biāo)含水量、試驗(yàn)尺寸與原狀試樣一致。

2.2 試驗(yàn)方法

圖2(b)為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力路徑三軸試驗(yàn)系統(tǒng)STDTTS，該試驗(yàn)設(shè)備由經(jīng)典應(yīng)力路徑三軸壓力室、GDS壓力、體積控制器及采集系統(tǒng)構(gòu)成。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)壓力室底座的液壓控制錘直接激勵(lì)產(chǎn)生軸向應(yīng)力，GDS壓力、體積控制器由3個(gè)壓力控制器組成，分別控制軸向應(yīng)力(位移)、圍壓及體積。參考《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)試樣進(jìn)行組裝，測(cè)試時(shí)通過(guò)GDSLAB數(shù)據(jù)采集軟件自動(dòng)完成試樣的超孔隙水壓力、軸向壓力、軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變記錄，可同步生成應(yīng)力應(yīng)變曲線。

基于試驗(yàn)?zāi)康募皽y(cè)試內(nèi)容，試驗(yàn)主要開展三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)、三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，進(jìn)而研究不同加載等級(jí)條件下花崗巖殘積土的應(yīng)力應(yīng)變的變化過(guò)程，試驗(yàn)圍壓設(shè)置為100、200、300、400 kPa。測(cè)試原狀樣及重塑樣均分為8組，花崗巖殘積土三軸試驗(yàn)數(shù)量及加載等級(jí)見表3。

表3 花崗巖殘積土三軸試驗(yàn)數(shù)量及加載等級(jí)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 重塑樣三軸試驗(yàn)成果分析

圖3(a)為重塑樣三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)的應(yīng)力σ-應(yīng)變?chǔ)徘€，可以看出不同圍壓等級(jí)下的花崗巖殘積土的應(yīng)力σ-應(yīng)變?chǔ)徘€均表現(xiàn)出明顯的非線性，試樣受力即快速進(jìn)入塑性變形階段，并隨圍壓的增加試樣的峰值剪切應(yīng)力也不斷增大，表明加載圍壓的提高可以有效改善土體的抗剪強(qiáng)度。在加載初期，不同圍壓下的試樣均表現(xiàn)為應(yīng)力硬化，在達(dá)到峰值剪切應(yīng)力后則表現(xiàn)出微弱的應(yīng)變軟化。圍壓為100 kPa時(shí)，軟化應(yīng)變?yōu)?5.60%；圍壓為200 kPa時(shí)，軟化應(yīng)變?yōu)?0.10%；圍壓為300 kPa時(shí)，軟化應(yīng)變?yōu)?2.30%；圍壓為400 kPa時(shí)，軟化應(yīng)變?yōu)?3.60%。由此表明，隨著加載圍壓的提高，土體產(chǎn)生破壞(應(yīng)力軟化)時(shí)的應(yīng)變值越大，使得土體出現(xiàn)一定的“延性”，有利于通過(guò)控制土體變形保證土體安全，盡管圍壓增量為等增量，但是軟化應(yīng)變的增量則不相等。

圖3(b)為重塑樣三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)的體積應(yīng)變?chǔ)舦-應(yīng)變?chǔ)徘€，可以看出不同圍壓等級(jí)下花崗巖殘積土的應(yīng)變?chǔ)舦-應(yīng)變?chǔ)徘€在加載初期，應(yīng)變?chǔ)?2.5%時(shí)，均表現(xiàn)出線性相關(guān)的變化規(guī)律；應(yīng)變?chǔ)?2.5%后，均表現(xiàn)出非線性相關(guān)的變化規(guī)律。在圍壓為100 kPa時(shí)，隨著應(yīng)變的不斷增加土樣發(fā)生剪縮，應(yīng)變達(dá)到ε=14.9%后，則出現(xiàn)明顯的“相變”，即土樣發(fā)生顯著剪脹；在圍壓為200 kPa時(shí)，土樣發(fā)生剪縮至剪脹轉(zhuǎn)變的“相變點(diǎn)”為ε=21.9%，但剪脹現(xiàn)象較微弱；圍壓為300 kPa和400 kPa時(shí)，土體只發(fā)生剪縮。由此表明，在低圍壓狀態(tài)下花崗巖殘積土重塑樣容易發(fā)生剪脹現(xiàn)象，高圍壓狀態(tài)下則以剪縮現(xiàn)象為主。

圖3 重塑樣三軸固結(jié)排水剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4(a)為重塑樣三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)的應(yīng)力σ-應(yīng)變?chǔ)徘€，可以看出不同圍壓等級(jí)下的花崗巖殘積土的應(yīng)力σ-應(yīng)變?chǔ)徘€均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型，加載初期均呈現(xiàn)出明顯的線性(應(yīng)變?chǔ)?2.0%)；隨后進(jìn)入塑性變形階段并在達(dá)到應(yīng)變?chǔ)?6.0%以后，應(yīng)力隨應(yīng)變的增速放緩；隨圍壓的增加，試樣的峰值剪切應(yīng)力也不斷增大，相同圍壓等級(jí)下的峰值剪切應(yīng)力均小于三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)的峰值剪切應(yīng)力。圖4(b)為重塑樣三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)的孔隙水壓力Δu-應(yīng)變?chǔ)徘€，可以看出在應(yīng)變?chǔ)?2.0%時(shí)，不同圍壓等級(jí)下的孔隙水壓力均呈線性增加，隨后呈現(xiàn)非線性變化；應(yīng)變?chǔ)?6.0%后，呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。

圖4 重塑樣三軸固結(jié)不排水剪切應(yīng)力、孔隙水壓-應(yīng)變曲線

圖5為重塑樣三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)的應(yīng)力路徑曲線，可以看出不同圍壓等級(jí)下重塑樣的應(yīng)力路徑曲線變化規(guī)律大致相同。加載剪切過(guò)程中，應(yīng)力隨著平均有效應(yīng)力(p)的增加呈先不斷減小后出現(xiàn)拐點(diǎn)，而后逐漸增加，最后所有圍壓下應(yīng)力路徑均趨向于截距為零的直線。

圖5 重塑樣三軸固結(jié)不排水剪切應(yīng)力路徑曲線

3.2 原狀樣三軸試驗(yàn)成果分析

圖6(a)為原狀三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出不同圍壓等級(jí)下的花崗巖殘積土的應(yīng)力σ-應(yīng)變?chǔ)徘€均表現(xiàn)出明顯的非線性，為應(yīng)變軟化型。對(duì)應(yīng)的軟化點(diǎn)圍壓為100 kPa時(shí)，軟化應(yīng)變?yōu)?.4%；圍壓為200 kPa時(shí)，軟化應(yīng)變?yōu)?0.6%；圍壓為300 kPa時(shí)，軟化應(yīng)變?yōu)?3.4%；圍壓為400 kPa時(shí)，軟化應(yīng)變?yōu)?7.6%。由此表明，隨著加載圍壓的提高，土體產(chǎn)生軟化點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值也越大，盡管圍壓為線性增量，但軟化應(yīng)變的增量則逐漸減小。隨著加載圍壓的增大，花崗巖殘積土的原狀樣峰值剪切強(qiáng)度也不斷增大。

對(duì)比圖6(a)和圖3(a)可知，相同圍壓條件下，原狀樣的峰值剪切強(qiáng)度均大于重塑樣的峰值剪切強(qiáng)度，且前者均為顯著的應(yīng)變軟化型，且應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系存在較短暫的線性階段(應(yīng)變?chǔ)?1.0%)，而后者只表現(xiàn)為微弱的應(yīng)變軟化型，且應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系幾乎不存在短暫的線性階段。由此表明，原狀樣與重塑樣的力學(xué)性質(zhì)、剪脹/剪縮變化規(guī)律存在顯著不同，這是因?yàn)榛◢弾r殘積土原狀樣保留了母巖的結(jié)構(gòu)性，未受到擾動(dòng)和破壞的狀態(tài)下，受到剪切荷載作用下產(chǎn)生剪切變形，導(dǎo)致土體顆粒排列和聯(lián)結(jié)被攪動(dòng)，削弱了其結(jié)構(gòu)性和剛度。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值剪切應(yīng)力后，土體天然的結(jié)構(gòu)性被完全破壞，顆粒重新排列；重塑樣在取樣、試樣制備過(guò)程中，經(jīng)受了鉆管取樣擾動(dòng)、碾壓、擊實(shí)等各種外荷載，天然的結(jié)構(gòu)性已被破壞遺盡。因此，峰值剪切應(yīng)力不含有結(jié)構(gòu)性的作用成分，力學(xué)性質(zhì)更接近于一般黏性土。

圖6(b)為原狀樣三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)的體積應(yīng)變?chǔ)舦-應(yīng)變?chǔ)徘€。可以看出不同圍壓等級(jí)下花崗巖殘積土的應(yīng)變?chǔ)舦-應(yīng)變?chǔ)徘€均表現(xiàn)出相變的變化規(guī)律，圍壓越低，土樣的剪脹特征也越顯著。在圍巖為100 kPa時(shí)，應(yīng)變約ε=11%即達(dá)到了初始體積。圍壓從100 kPa增至400 kPa，“相變點(diǎn)”對(duì)應(yīng)點(diǎn)應(yīng)變值也由ε=3.3%增加至ε=15.2%。對(duì)比圖9中軟化點(diǎn)的應(yīng)變值和圖10中“相變點(diǎn)”的應(yīng)變值可知，原狀樣的剪切屈服和體積屈服并不同步。

圖6 原狀樣三軸固結(jié)排水剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7為原狀樣三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出與重塑樣三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)結(jié)果一致，不同圍壓等級(jí)下的花崗巖殘積土的應(yīng)力σ-應(yīng)變?chǔ)徘€均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型；隨圍壓的增加，各試樣的峰值剪切應(yīng)力也不斷增大，但相同圍壓等級(jí)下的三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，原狀樣峰值剪切應(yīng)力均大于重塑樣的峰值剪切應(yīng)力，表明原狀樣的天然結(jié)構(gòu)性對(duì)土體的剪切強(qiáng)度得到明顯提升。圖11為原狀樣三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)的孔隙水壓力(Δu)-應(yīng)變曲線。可以看出，在應(yīng)變?chǔ)?2.0%時(shí)，不同圍壓等級(jí)下的孔隙水壓力均呈線性增加，隨后呈現(xiàn)非線性變化，在應(yīng)變?chǔ)?3.0%后則迅速減小。

圖7 原狀樣三軸固結(jié)不排水剪切應(yīng)力、孔隙水壓-應(yīng)變曲線

圖8為原狀樣三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)的應(yīng)力路徑曲線，可以看出所有圍壓下原狀樣的應(yīng)力路徑均趨向于截距為零的直線，即臨界狀態(tài)線，但與重塑樣的區(qū)別在于原狀樣的平均有效應(yīng)力趨向于臨界狀態(tài)線更為迅速。

圖8 原狀樣三軸固結(jié)不排水剪切應(yīng)力路徑曲線

4 結(jié) 論

選取某水庫(kù)工程花崗巖殘積土為研究對(duì)象，采用室內(nèi)三軸固結(jié)排水、固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)分別對(duì)原狀樣和重塑樣進(jìn)行測(cè)試，分析了應(yīng)力應(yīng)變演化規(guī)律及力學(xué)參數(shù)特征，形成結(jié)論如下：

(1) 固結(jié)排水剪切試驗(yàn)表明，隨著加載圍壓的提高，重塑樣的抗剪強(qiáng)度有所提高且土體出現(xiàn)一定的延性特征，表明圍壓可有效提高改善重塑樣的抗剪強(qiáng)度，而峰值剪切應(yīng)力后出現(xiàn)微弱應(yīng)變軟化現(xiàn)象。低圍壓下重塑樣容易發(fā)生剪脹現(xiàn)象，高圍壓下以剪縮現(xiàn)象為主。

(2) 固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)表明，重塑樣的應(yīng)力-應(yīng)變表現(xiàn)為應(yīng)變硬化型，隨著加載進(jìn)行呈線性(ε<2.0%)、增速放緩(ε>6.0%)的階段性演化特征?？紫端畨毫?應(yīng)變曲線則呈線性增加(ε<2.0%)、非線性變化(2.0%<ε<6.0%)及逐漸減小(ε>6.0%)的演化特征。

(3) 試驗(yàn)表明，固結(jié)排水剪切時(shí)原狀樣應(yīng)力應(yīng)變?yōu)閼?yīng)變軟化型，重塑樣則呈前期硬化、后期軟化型，原狀樣具有剪脹現(xiàn)象而重塑樣在低圍壓下存在剪脹現(xiàn)象。固結(jié)不排水剪切時(shí)，原狀樣和重塑樣的應(yīng)力應(yīng)變均為應(yīng)變硬化型，原狀樣和重塑樣的孔隙水壓力變化規(guī)律一致，應(yīng)力路徑最終均趨于臨界狀態(tài)線。