非飽和絹云母片巖殘積土三軸壓縮變形規(guī)律

支太強(qiáng) 劉 歡 王 云 白明媛

（云南省建筑工程設(shè)計(jì)院有限公司，云南昆明 650501）

0 引言

實(shí)際工程建設(shè)中遇到的非飽和土問題日益增多，如降雨或生活生產(chǎn)用水入滲及正常含水率情況下加載過程中出現(xiàn)的超孔隙水壓力等情況，均會(huì)引起土工建筑物不均勻沉降或高邊坡失穩(wěn)[1]。土體的壓縮變形在實(shí)際工程中大量存在，研究其壓縮變形特性十分重要，如地基的強(qiáng)度問題和穩(wěn)定性問題、土體沉降與時(shí)間的關(guān)系等。在實(shí)際工程中，土體的壓縮變形條件并不單一，在不同的條件下，壓縮變形有很大的區(qū)別。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)非飽和土的壓縮變形及力學(xué)特性進(jìn)行了大量研究。朱紅亮等[2]對(duì)絹云母片粗粒料進(jìn)行了干濕條件下的大型三軸壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)絹云母片巖粗粒料的濕化變形呈現(xiàn)兩個(gè)階段，且密度增大時(shí)，其濕化應(yīng)變減小。龐維福等[3]利用電子壓力表改善了壓力板儀，大幅提高了土水特征曲線的測(cè)定精度。Yoshikawa等[4]對(duì)非飽和粉土進(jìn)行三軸試驗(yàn)，并進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)將三軸試驗(yàn)視為一個(gè)初邊值問題，可以再現(xiàn)體積和吸水以及排水量之間的時(shí)間變化。Xiong等[5]對(duì)風(fēng)化花崗巖進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)，建立了考慮有限變形影響的飽和程度與吸力增量的關(guān)系。李春海等[6]通過非飽和三軸壓縮試驗(yàn)，研究了浸水濕化程度對(duì)Q2黃土力學(xué)特性的影響。試驗(yàn)表明：不同浸水濕化程度的Q2黃土，其應(yīng)力應(yīng)變曲線為弱軟化型，浸水濕化程度越高，軟化程度越小，浸水濕化至飽和狀態(tài)時(shí)可近似看作理想硬化型。Pasha等[7]研究了恒定吸力下，體積收縮對(duì)非飽和土飽和程度的影響。

本文通過非飽和三軸蠕變儀，對(duì)絹云母片巖殘積土開展非飽和三軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)其非飽和三軸壓縮特性進(jìn)行了研究，為進(jìn)一步研究絹云母片巖殘積土的非飽和特性提供一定的參考。

1 試驗(yàn)材料方案

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣取自云南大臨鐵路的絹云母片巖殘積土，呈灰色，受構(gòu)造和風(fēng)化的影響，巖石破碎嚴(yán)重，風(fēng)化程度較高，形成大量殘積土。根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果可得土樣比重Gs=2.76 ，天然含水率w =9.87%，最大干密度 ρd=2.10g/cm3， 液限 wL=20.35%，塑限wP=8.15%。

1.2 試驗(yàn)儀器

Ua=0~500 kPa，傳感器測(cè)量精度誤差為0.2% FS；孔隙水壓力uw=50~1000 kPa，測(cè)量精度誤差為0.2% FS；體積變化Δ V=0~50 cm3，精度誤差為0.2% FS；軸向變形Δ L=0~16 mm，試驗(yàn)儀器圖如圖1所示。

圖1 非飽和三軸蠕變儀結(jié)構(gòu)圖

利用非飽和三軸蠕變儀進(jìn)行控制基質(zhì)吸力和凈法向壓力的非飽和三軸壓縮試驗(yàn)。該儀器由江蘇永昌生產(chǎn)，主要由臺(tái)件、加荷部件、試樣壓力室、壓力室控制柜以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成?？紫稓鈮毫?/p>

1.3 試驗(yàn)方案

為研究絹云母片巖殘積土三軸狀態(tài)下的非飽和變形性能，利用非飽和三軸蠕變儀，研究其在不同應(yīng)力路徑下的壓縮變形規(guī)律，試驗(yàn)方案見表1。

表1 三軸壓縮試驗(yàn)方案

試驗(yàn)制備含水率為10%的土樣，將土樣密封保存24 h?？刂聘擅芏确謩e為1.95 g/cm3和2.10 g/cm3，稱取相對(duì)應(yīng)質(zhì)量的土體，放入配套的制樣模具內(nèi)，利用擊實(shí)法將土樣壓實(shí)成型，制成直徑為6.18 cm、高為12.5 cm的土樣。將土樣裝入非飽和三軸蠕變儀，見圖2。根據(jù)試驗(yàn)方案設(shè)置的條件開展不同狀態(tài)下的非飽和三軸壓縮試驗(yàn)，待其變形穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。試驗(yàn)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為試驗(yàn)的體積變化量及排水量均小于0.012 cm3/(2 h)。

圖2 試驗(yàn)過程圖

試驗(yàn)前，要對(duì)儀器進(jìn)行飽和。具體飽和步驟為：先施加一個(gè)水壓力，讓水通過排水管道及閥門，把儀器水管中的空氣排完，此時(shí)施加的水壓力不大于30 kPa；其次排出陶土板上的空氣，施加一個(gè)不大于50 kPa的水壓力，陶土板上充滿水即可；最后，將壓力室充滿水，施加圍壓，打開孔隙排水閥門，對(duì)陶土板進(jìn)行飽和。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

土的體積-質(zhì)量特性也可以用來表示非飽和土的本構(gòu)方程。通常用孔隙比的變化作為飽和土的變形狀態(tài)變量，其本構(gòu)方程見式（1）：

對(duì)于非飽和土來說，在三維加荷條件下，其孔隙比變化d e可按式（2）計(jì)算：

式中：σ為總法向應(yīng)力，kPa；uw為 孔隙水壓力，kPa；ua為孔隙氣壓力，kPa；σmean為 平均總法向應(yīng)力，kPa；av為壓縮系數(shù)；at為 受凈法向應(yīng)力影響的壓縮系數(shù)；am為受基質(zhì)吸力影響的壓縮系數(shù)。

2.1 控制基質(zhì)吸力的飽和三軸壓縮試驗(yàn)

試樣進(jìn)行壓縮前，首先要進(jìn)行吸力平衡，試樣基質(zhì)吸力達(dá)到平衡后，保持基質(zhì)吸力值的大小不改變，對(duì)土樣分級(jí)施加豎向壓力，進(jìn)行非飽和三軸壓縮試驗(yàn)，其中在0 kPa基質(zhì)吸力條件下的壓縮試驗(yàn)就是飽和土在各向等壓條件下的固結(jié)試驗(yàn)。本文采用比容v=1+e來描述試樣總體積變化，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 s一定的三軸壓縮曲線

圖3中的v-logp曲線表明，試樣的壓縮性指數(shù)和屈服應(yīng)力都與基質(zhì)吸力密切相關(guān)，吸力的增大使得試樣的剛度提高。對(duì)比無側(cè)限壓縮曲線和各向等壓壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩種情況下曲線的變化規(guī)律及趨勢(shì)是相似的，在基質(zhì)吸力相同時(shí)，均呈現(xiàn)出明顯的兩階段變化，第一階段變化較為平緩，當(dāng)凈平均應(yīng)力達(dá)到一定值時(shí)，變形量開始急劇增加。對(duì)比分析不同基質(zhì)吸力下的壓縮曲線，發(fā)現(xiàn)凈豎向壓力相同時(shí)，孔隙比的變化與基質(zhì)吸力的變化呈現(xiàn)反比關(guān)系，主要是基質(zhì)吸力增大，其土體內(nèi)部的水分含量就變小，土體密實(shí)度大，抗壓縮能力增強(qiáng)，所以土體不容易發(fā)生壓縮變形。由于土體本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的存在，含水率較低時(shí)，其結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)，當(dāng)一開始?jí)嚎s時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間的平緩變化階段，當(dāng)隨著凈豎向壓力的增加，平緩段的變化時(shí)間逐漸減短。主要是當(dāng)凈豎向應(yīng)力大于土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷，顆粒及骨架被破壞，不僅土體內(nèi)部顆粒發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，土體結(jié)構(gòu)也被破壞，因此造成較大的壓縮變形。含水率也會(huì)對(duì)其造成影響，隨著含水率的逐漸增大，吸力降低，土體容易發(fā)生壓縮變形，此階段變形量陡增。

由圖3可以看出，絹云母片巖的壓縮曲線可以分為兩階段，平緩階段和陡降階段，兩階段的交點(diǎn)為屈服點(diǎn)，用ks和 λs斜率分別表示土體屈服前和屈服后的變形速率，從表2可以看出土樣屈服前的斜率ks隨著基質(zhì)吸力的增大出現(xiàn)略微減低，而λs隨著基質(zhì)吸力的增大而減小。當(dāng)處于變形的平緩階段時(shí)，說明土樣的屈服應(yīng)力大于施加的凈豎向應(yīng)力，土體結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，土體發(fā)生較小的變形，此階段吸力對(duì)其的影響非常小。當(dāng)土體進(jìn)入變形迅速增加的階段時(shí)，意味著此時(shí)的凈豎向應(yīng)力大于或者等于土體屈服應(yīng)力，土體結(jié)構(gòu)開始破壞，壓縮變形增大，這一階段基質(zhì)吸力對(duì)其影響較大。

表2 不同基質(zhì)吸力的各向等壓壓縮試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

2.2 控制凈平均應(yīng)力的三軸壓縮試驗(yàn)

控制凈平均應(yīng)力的三軸壓縮試驗(yàn)的v-logs關(guān)系圖如圖4所示，分別用kp和 λp代表了土體屈服前和屈服后的變形速率，發(fā)現(xiàn)隨著基質(zhì)吸力的增加，比容v逐漸減小，試樣發(fā)生收縮，基質(zhì)吸力達(dá)到200 kPa時(shí)，v變化趨于穩(wěn)定，收縮達(dá)到穩(wěn)定，且其密度越大，變化越小。從圖中可以看出，不同凈平均應(yīng)力下的v-logs曲線也可以看成由兩條直線段組成，兩直線的交點(diǎn)為屈服吸力，分別表示屈服前后的斜率，不同凈平均應(yīng)力下的參數(shù)如表3所示，發(fā)現(xiàn)隨著平均應(yīng)力的增大而略微增大，隨著凈荷載的增加而增加，說明達(dá)到屈服吸力之后，荷載的施加是其壓縮變形的主要原因。

表3 不同凈平均應(yīng)力的三軸壓縮參數(shù)

圖4 p一定的三軸壓縮曲線

3 結(jié)論

對(duì)非飽和狀態(tài)下的絹云母片巖殘積土，利用非飽和三軸蠕變儀，進(jìn)行了不同應(yīng)力路徑下的非飽和三軸壓縮試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

（1）控制基質(zhì)吸力的三軸壓縮變形曲線大致可以分為兩個(gè)階段：凈平均應(yīng)力小于屈服應(yīng)力階段，壓縮變形較??；凈平均應(yīng)力大于屈服應(yīng)力階段，變形急劇增加。且發(fā)現(xiàn)屈服應(yīng)力隨干密度增大而增大，說明提高絹云母片巖殘積土壓實(shí)度能夠增強(qiáng)其抗壓性。

（2）在控制凈平均應(yīng)力的三軸壓縮試驗(yàn)中，土體變形隨著基質(zhì)吸力的增大而逐漸減小，但總體變化比逐級(jí)施加凈豎向壓力時(shí)的變形小，得到其在不同凈平均應(yīng)力下的屈服吸力，發(fā)現(xiàn)隨著凈平均應(yīng)力的增大，其屈服吸力開始減小。