含水率波動狀態(tài)下公明公路路基土劣化微觀機理與本構模型

李立宇,陳遠中,徐思遠

(1.深圳市公明供水調蓄工程管理處,廣東 深圳 518107;2.南京水利科學研究院巖土工程研究所,江蘇 南京 210024; 3.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

通常情況下道路工程中的土體會在其最優(yōu)含水率附近進行壓實,并保證相對壓實度不低于95%。但研究表明,路基土服役期間其含水率會逐漸上升至最優(yōu)含水率濕側,且隨著氣候的變化其含水率在最優(yōu)含水率濕側某一區(qū)間內波動[1-2]。含水率變化和波動往往會對路基土的物理力學性質造成影響,進而影響道路的正常使用。

國內外學者開展了大量試驗研究含水率變化對土體力學特性的影響。研究表明,隨著初始含水率的升高,土體黏聚力和內摩擦角均會急劇減小[3-4],但有些學者得出黏聚力在最優(yōu)含水率附近存在峰值,內摩擦角在最優(yōu)含水率干側隨著含水率的增大而減小,在最優(yōu)含水率濕側變化不明顯,說明含水率對土體強度參數的影響與土體自身的物理性質有關[5];在應力-應變關系方面,隨著含水率的增加,土體的應力-應變曲線由應變軟化型向應變硬化型轉變,試樣的破壞形式逐漸由脆性破壞轉為塑性破壞[6]。含水率波動對土體力學特性影響的研究成果還相對較少。干濕循環(huán)作用對土體力學特性的影響,實際上可以看作是一種含水率波動的影響,但是干濕循環(huán)一般在極端的氣候條件下發(fā)生,因此可以認為干濕循環(huán)是一種程度劇烈的含水率波動情況[7]。但是,目前還沒有關于含水率波動程度對路基土微觀結構和力學特性劣化規(guī)律的研究。

本文設定3種不同程度的含水率波動,通過固結排水三軸剪切試驗,研究含水率波動程度對深圳市公明公路路基土力學特性的影響,并結合微觀試驗結果探究含水率波動狀態(tài)下路基土力學特性的劣化微觀機理,最后基于鄧肯-張模型,建立了考慮含水率波動影響的路基土經驗本構模型。

1 試驗方案

1.1 試樣制備

對從深圳市公明水庫4號壩體所在地區(qū)附近所取的公路路基土進行去除腐化植物和石塊,然后將其風干、研磨過2mm篩去除大顆粒,依據GBT50123—2019《土工試驗方法標準》測得其塑限為16.2%,液限為30.9%,相對密度為2.69,最優(yōu)含水率為14.3%,最大干密度為1.86g/cm3。顆粒分析試驗測得土體試樣中砂粒占52.4%,粉粒占23.7%,黏粒占23.9%。試樣在最優(yōu)含水率及最大干密度下分3層采用重型靜力壓實成直徑為38mm,高度為76mm的圓柱形試樣,每層壓實后用土工刀在其表面拉毛,保證層間不會發(fā)生斷層現象。試樣制備完后立即從模具中推出,用保鮮膜包裹后放置于密封盒中靜置24h達到水分平衡再開展后續(xù)試驗。

1.2 靜三軸試驗

楊樹榮等[1]通過對137處服務中的道路路基進行現場調查,指出全部59處黏性土的現場含水率皆位于最優(yōu)含水率wopt濕側(其余78處為顆粒土),主要在wopt～wopt+7%之間波動;Uzan[2]發(fā)現,黏性路基土在最優(yōu)含水率下壓實后,含水率會隨著氣候條件的波動,在最優(yōu)含水率濕側某一區(qū)間內波動。為了探究含水率波動程度對路基土力學特性的影響,本文擬定了3種不同程度的含水率波動狀態(tài):零波動狀態(tài)(wopt,稱為OMC狀態(tài))、弱波動狀態(tài)(wopt～wopt+1.2%,稱為OMC-TMC狀態(tài))和強波動狀態(tài)(wopt～wopt+2.3%,稱為OMC-SMC狀態(tài))。參考Han等[8]提出的濕制試樣方式,使用不同干濕程度的濾紙包裹OMC狀態(tài)下的試樣直至質量達到目標含水率下的質量,即認為試樣增濕至目標含水率,隨后在自然條件下脫濕至最優(yōu)含水率,完成1次含水率波動。研究表明,在經歷5～7次干濕循環(huán)后試樣的基本力學特性會達到穩(wěn)定[9-10],因此本文中含水率波動次數設定為10次,以研究最終平衡下路基土試樣的力學特性。

含水率波動處理之后的試樣進行三軸固結排水試驗前,先對試樣進行真空抽氣飽和,并在去離子水中浸泡24h,隨后將試樣轉移到三軸壓力室內進行反壓飽和,當孔隙水壓力系數超過0.98即認為試樣達到飽和狀態(tài)[11]。圍壓為100kPa、200kPa、300kPa和400kPa下的飽和試樣固結完成后,以0.076mm/min的速率對其進行剪切,在軸向應變達到15%時停止剪切。

1.3 微觀試驗

對經歷3種不同程度含水率波動達到最終平衡狀態(tài)下的試樣開展壓汞(MIP)試驗和掃描電鏡(SEM)試驗,研究土體微觀結構的演化機制。其中MIP試驗用于測定試樣的孔徑分布曲線,SEM試驗用于捕捉試樣的微觀結構圖像[12-14]。在進行MIP和SEM試驗之前采用凍干法[15]對試樣進行了干燥處理,具體過程為:將制備好的試樣直接放入液氮中,使內部水分在-196℃的低溫下快速凍結成冰,然后通過真空抽氣的方法使土體內的冰晶直接升華為水蒸氣,從而在去除土體內水分的同時最大程度地保留試樣原始的微觀結構。

2 三軸試驗結果與分析

由圖1可知,圍壓σc較低時試樣的偏應力-軸向應變關系表現為應變軟化型,隨著圍壓的增加開始轉變?yōu)閼冇不?應力峰值強度所對應的軸向應變隨圍壓的增加而增大。圍壓較低時,試樣的體應變隨著軸向應變的發(fā)展先增加而后減小為負值,表明試樣在剪切過程中先經歷剪縮后發(fā)生剪脹,試樣的剪脹特性隨著圍壓的增加而減小,當圍壓較高時其體應變隨軸向應變的發(fā)展逐漸增加并趨于穩(wěn)定,試樣僅表現為剪縮特性。

圖1 OMC狀態(tài)下三軸固結排水試驗結果

對比圖2(a)和圖3(a)可以看出,OMC-TMC狀態(tài)下試樣僅在σc= 100kPa時表現出應變軟化;試樣經歷含水率弱波動(OMC-TMC)后,σc= 200kPa和σc= 300kPa條件下其應力-應變關系均轉變成應變硬化型;試樣在經歷含水率強波動(OMC-SMC)后,所有圍壓下試樣的應力-應變關系均表現出應變硬化型。對比圖2(b)和圖3(b)可以看出,含水率波動使得試樣在剪切過程中剪縮特性表現更為明顯,且含水率波動程度越大,試樣的剪縮特性越明顯。

圖2 OMC-TMC狀態(tài)下三軸固結排水試驗結果

圖3 OMC-SMC狀態(tài)下三軸固結排水試驗結果

取應變軟化型的偏應力-軸向應變曲線峰值偏應力作為試樣破壞時的偏應力,取應變硬化型的應力-應變曲線15%軸向應變處的偏應力作為試樣破壞時的偏應力,對試樣在固結排水三軸試驗破壞時的應力進行分析,試樣應力莫爾圓如圖4所示。從圖4可以看出,經歷3種不同程度的含水率波動后,土體試樣仍符合Mohr-Coulomb抗剪強度理論。由表1可知,含水率波動導致試樣黏聚力和內摩擦角均有所減小,說明含水率波動會降低試樣的剪切強度,這與文獻中干濕循環(huán)降低土體強度參數的結論一致[7,16]。

表1 土體剪切強度指標

3 微觀試驗結果與分析

3.1 MIP試驗

綜合已有文獻中的孔隙劃分經驗[17-18],按孔徑尺寸d將孔隙劃分為:微孔隙(d≤0.1μm)、小孔隙(0.1μm30.0μm)。從圖5可以看出,OMC狀態(tài)下試樣的孔隙結構為單峰結構,峰值位于2μm左右,小孔隙占比較大,中孔隙占比較小。經歷含水率波動后,孔徑分布曲線逐漸由單峰模式向雙峰模式轉變,2μm處孔徑分布曲線的峰值逐漸下移并在中孔隙的孔徑范圍內出現了一個新的峰值孔徑。

圖5 試樣的孔徑分布曲線

由表2可知,隨著含水率波動范圍的增大,試樣的孔隙分布表現出不同的發(fā)展趨勢:微孔隙基本保持不變,其數量和尺寸僅與試樣內部的黏土礦物有關,因此不受含水率波動的影響;小孔隙數量逐漸減少,由于在波動過程中不斷經歷脫濕和增濕作用,小孔隙產生的塑性收縮變形會導致體積減小,波動范圍越大這種塑性收縮越顯著;中孔隙和大孔隙數量增多,表明水分的遷移會引發(fā)試樣內部大、中孔隙的發(fā)育。土體中、大孔隙的產生,是引發(fā)土體剪縮特性明顯的主要原因。根據孔隙均勻化原理[19],試樣受剪切后大孔隙優(yōu)先改變,從而使得試樣內部孔隙趨于均勻,這種大孔隙的均勻化在宏觀上就表現為體縮。由于含水率波動程度越大,水分遷移過程中所產生的大孔隙比率越大,大孔隙的均勻化在整個剪切過程中就越顯著,其剪縮特性就越明顯。

表2 各級孔隙占比

從表2還可以看出,盡管含水率波動會促進試樣內部各級孔隙占比的調整,但含水率波動范圍對孔隙占比的調整影響不大,表中OMC-TMC與OMC-SMC狀態(tài)下各級孔隙占比的變化幅度都不及OMC與OMC-TMC狀態(tài)下的變化幅度明顯。意味著只要發(fā)生含水率波動,不論波動范圍的大小,試樣的微觀結構都會受到較大的影響,因此在實際工程中含水率波動對路基土力學特性的影響不可忽視。

3.2 SEM試驗

圖6(a)為OMC狀態(tài)下試樣400倍鏡的SEM圖像,可以看出試樣觀測斷面平整細膩,整體結構均勻,視域內多見小孔隙,偶見細小裂縫,裂縫間貫通性差,試樣內部存在微小缺陷。由圖6(b)(c)可以看出,含水率波動影響后試樣觀測斷面參差不齊且菱角分明,整體結構差異性大。試樣孔隙及土體結構變化明顯,微裂隙在數量、寬度和長度上均有不同程度的增加。裂隙將試樣分割為塊,塊體間接觸多為“面-面”接觸,塊體內小孔隙數量大幅下降,與MIP試驗所得含水率波動后試樣小孔隙峰值下降的結果相一致。含水率波動過程中微裂隙發(fā)展導致的土體結構變化,是導致土體試樣抗剪強度減小的主要原因。

圖6 試樣的SEM圖像(放大400倍 )

4 經驗本構模型

對于較高圍壓下試樣的應變穩(wěn)定和硬化行為,可以采用鄧肯-張模型進行描述[20],表達式為

(1)

式中:σd為偏應力;εa為軸向應變;a、b為模型擬合參數,其中1/a為極限偏應力,其值等于試樣的排水抗剪強度,1/b為應力-應變曲線的初始斜率,其值等于試樣的初始彈性模量。

由于較低圍壓下試樣的應力-應變關系表現為應變軟化型(圖1、圖2),鄧肯-張模型并不能很好地描述軟化行為,因此在鄧肯-張模型的基礎上,提出了一個經驗本構模型(式(2))用于對本文不同含水率波動狀態(tài)后試樣的應力-應變關系進行描述。

(2)

式中m、n為模型擬合參數。m與應力-應變曲線出現軟化的拐點相關,曲線越早表現出軟化現象m越小;n與試樣的軟化程度相關,試樣的軟化程度越高n越大,當n= 1時,式(2)與鄧肯-張模型的表達式一致。因此,式(2)既可以描述應變軟化行為,也可以描述應變穩(wěn)定和硬化行為。

式(2)對不同含水率波動狀態(tài)后試樣應力-應變曲線的擬合效果分別如圖1(a)、2(a)、3(a)所示,模型參數見表3,可以看到模型的擬合R2均大于0.99,說明了該模型擬合能力的穩(wěn)定性與可靠性。

表3 經驗本構模型參數值

5 結 論

a.含水率波動過程中水分遷移引發(fā)試樣內部產生的大孔隙增多,導致路基土試樣剪切應力-應變關系從應變軟化向應變硬化型轉變,試樣剪縮特性提升,隨著含水率波動程度的增大,試樣的剪縮特性越明顯。

b.含水率波動過程中微裂隙得到發(fā)展,微裂隙的發(fā)展導致試樣結構有所破壞,從而降低了試樣黏聚力和內摩擦角,隨著含水率波動程度的增大,試樣剪切強度越小。

c.基于鄧肯-張模型提出了一個經驗本構模型,既可以用來描述試樣的應變軟化行為,也可以用來描述應變穩(wěn)定和硬化行為,較好的擬合結果證明了該模型的有效性和適用性。