黏質(zhì)粗顆粒土固結(jié)特性及對(duì)慢剪速率的影響

張慶建 徐立洲 張富臣 于磊

長(zhǎng)期運(yùn)行階段下黏質(zhì)筑壩材料抗剪強(qiáng)度指標(biāo)常通過(guò)直接剪切慢剪試驗(yàn)獲取，試驗(yàn)過(guò)程中要保證孔隙水壓力充分消散，剪切速率比快剪試驗(yàn)要慢得多，而筑壩材料不如細(xì)粒土均質(zhì)，不同材料物理、力學(xué)性質(zhì)差異較大，水利和水電試驗(yàn)規(guī)程中并無(wú)統(tǒng)一、固定的剪切速率。

SL 237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》[1]和DL/T 5356—2006《水電水利工程粗粒土試驗(yàn)規(guī)程》[2]粗顆粒土直剪試驗(yàn)中均采用應(yīng)力控制式直剪儀，水平剪切荷載分級(jí)施加，1 min內(nèi)剪切變形不超過(guò)0.01 mm即可施加下一級(jí)荷載。隨著大型粗顆粒土試驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，近幾年，應(yīng)變控制式大型直剪儀技術(shù)已經(jīng)比較成熟，隨之GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[3]粗顆粒土直剪試驗(yàn)推薦使用應(yīng)變控制施加水平荷載，而對(duì)于水平加荷速率并沒(méi)有固定數(shù)值參考，僅規(guī)定剪切破壞歷時(shí)可根據(jù)固結(jié)度達(dá)50%所用時(shí)間t50的50 倍或固結(jié)度達(dá)90%所用時(shí)間t90的12 倍進(jìn)行估算，然后根據(jù)剪損時(shí)剪切變形計(jì)算剪切速率。根據(jù)一維滲流固結(jié)理論，剪切速率與固結(jié)特性有直接關(guān)系。

目前，對(duì)于細(xì)粒土固結(jié)特性研究成果較多。吳雪婷[4]進(jìn)行了淤泥固結(jié)系數(shù)與固結(jié)應(yīng)力關(guān)系研究，認(rèn)為固結(jié)系數(shù)隨著固結(jié)應(yīng)力的增加先減小后增大。桂躍等[5]對(duì)泥炭土原狀樣和重塑樣分別進(jìn)行分級(jí)加載固結(jié)試驗(yàn)，研究表明，2 種狀態(tài)試樣固結(jié)系數(shù)均隨固結(jié)壓力增加先迅速減小，然后逐漸趨于穩(wěn)定。

對(duì)于粗顆粒土固結(jié)特性的相關(guān)研究較少，本文通過(guò)對(duì)泥巖和黃土混合料進(jìn)行大型壓縮試驗(yàn)，采用改進(jìn)的時(shí)間平方根法對(duì)不同固結(jié)壓力下t90參數(shù)及固結(jié)系數(shù)變化特性進(jìn)行研究，進(jìn)一步明確相應(yīng)固結(jié)壓力下的剪切速率，并研究剪切速率與固結(jié)系數(shù)間的關(guān)系，為黏質(zhì)粗顆粒土慢剪試驗(yàn)提供參考。

1 大型壓縮試驗(yàn)方案

試驗(yàn)通過(guò)大型壓縮儀進(jìn)行，試驗(yàn)用料采用白龍江引水工程泥巖和黃土混合料，比例為2∶8，泥巖和黃土均取自地表擾動(dòng)料。首先對(duì)混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，以最大干密度和最優(yōu)含水率為制樣指標(biāo)，試樣直徑為505 mm，高度為300 mm，相關(guān)物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 泥巖、黃土混合料物理性質(zhì)指標(biāo)

制樣完成后采用抽氣和水頭的方式飽和，然后按照固結(jié)壓力p為100、200、400、800、1600、3000 kPa 的順序分級(jí)施加，1 h 內(nèi)垂直變形不超過(guò)0.01 mm即施加下一級(jí)荷載。不同固結(jié)壓力下變形—時(shí)間疊加曲線如圖1所示。

圖1 變形—時(shí)間疊加曲線

2 固結(jié)特性

2.1 固結(jié)系數(shù)特征

固結(jié)系數(shù)計(jì)算方法主要有時(shí)間平方根法、時(shí)間對(duì)數(shù)法及三點(diǎn)法，其中時(shí)間平方根法主要優(yōu)點(diǎn)是可以在較短的固結(jié)時(shí)間內(nèi)確定固結(jié)系數(shù)，因此常作為研究人員的首選方法。相比于細(xì)粒土，粗顆粒土均勻性差，主固結(jié)過(guò)程中難免伴隨有顆粒破碎情況；同時(shí)粗顆粒土試樣尺寸較大，所施加的荷載也較大，設(shè)備加荷過(guò)程并不是理論上的瞬時(shí)完成，考慮到黏性粗顆粒土的變形滯后性，在變形s—時(shí)間曲線中取開(kāi)始直線段進(jìn)行固結(jié)系數(shù)計(jì)算與實(shí)際差異較大，圖2 給出了固結(jié)壓力3000 kPa 下s—曲線。

圖2 s—關(guān)系曲線

由一維滲流固結(jié)理論可知，時(shí)間因數(shù)Tv與固結(jié)系數(shù)Cv滿足式（1），并當(dāng)固結(jié)度Ut≤0.6 時(shí)，Ut與Tv滿足式（2）。

式中H——排水距離；

t——固結(jié)歷時(shí)，當(dāng)t=t90時(shí)，Tv=0.848。

式（2）關(guān)系表明，在s—曲線中，變形量在穩(wěn)定變形量的60%以內(nèi)，試驗(yàn)點(diǎn)理論上呈線性關(guān)系。對(duì)于細(xì)粒土，試樣厚度小，滲流固結(jié)路徑短，固結(jié)時(shí)間也相應(yīng)地縮短，初始?jí)嚎s影響較小，可取開(kāi)始直線段進(jìn)行固結(jié)系數(shù)計(jì)算。綜上分析，對(duì)于粗顆粒土，直線段建議取穩(wěn)定變形量40%～60%試驗(yàn)段，如圖2中線②所示；線③橫坐標(biāo)為線②對(duì)應(yīng)試驗(yàn)點(diǎn)的1.15 倍，兩線相交于ds點(diǎn)，o-ds即為該級(jí)固結(jié)壓力下總的初始?jí)嚎s量；線③延伸交線①于m點(diǎn)，即對(duì)應(yīng)于固結(jié)時(shí)間t90，根據(jù)式（1）即可得到不同固結(jié)壓力下的固結(jié)系數(shù)，如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著固結(jié)壓力增加，泥巖和黃土混合料固結(jié)系數(shù)先迅速降低，逐漸趨于穩(wěn)定后略有增加。當(dāng)時(shí)間因數(shù)與排水距離一定，t90與固結(jié)系數(shù)成反比，固結(jié)系數(shù)越大，試樣完成固結(jié)所需要的時(shí)間越短。試樣泥巖和黃土均為地表擾動(dòng)樣，固結(jié)系數(shù)變化拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的固結(jié)壓力σp'與制樣指標(biāo)有關(guān)，是代表試驗(yàn)室試樣的一種先期固結(jié)壓力；當(dāng)p<σp'時(shí)，試樣處于超固結(jié)狀態(tài)，當(dāng)p=σp'時(shí)，可認(rèn)為試樣處于正常固結(jié)狀態(tài)。當(dāng)外力達(dá)到臨界應(yīng)力附近時(shí)，試樣的物理、力學(xué)性質(zhì)或會(huì)發(fā)生明顯變化。

2.2 壓縮系數(shù)和滲透系數(shù)特征

針對(duì)上述固結(jié)系數(shù)的變化特性，從微觀定義角度對(duì)固結(jié)系數(shù)進(jìn)行分析，如式（3）所示，不同固結(jié)壓力下壓縮系數(shù)及計(jì)算滲透系數(shù)如圖4所示。

圖4 壓縮系數(shù)、滲透系數(shù)與固結(jié)壓力關(guān)系曲線

式中k——試樣滲透系數(shù)；

e0——固結(jié)前試樣孔隙比；

a——試樣壓縮系數(shù)；

γw——水的容重。

由式（3）和圖4 可知，固結(jié)系數(shù)Cv大小與滲透系數(shù)和壓縮系數(shù)比值k/a相關(guān)，在固結(jié)過(guò)程中，試樣持續(xù)壓縮，k、a數(shù)值均呈遞減趨勢(shì)。具體的，當(dāng)p<σp'時(shí)，滲透系數(shù)k值隨固結(jié)壓力增加迅速降低，如固結(jié)壓力1600 kPa 時(shí)，滲透系數(shù)k為200 kPa 時(shí)的1/15，而壓縮系數(shù)a僅為200 kPa 時(shí)的1/2 左右，說(shuō)明有效應(yīng)力的增加導(dǎo)致的孔隙減小遠(yuǎn)不如由于孔隙減小而導(dǎo)致的滲透系數(shù)降低幅度大，因此固結(jié)系數(shù)在此壓力階段迅速降低。當(dāng)p>σp'時(shí)，滲透系數(shù)k值已基本趨于穩(wěn)定，受固結(jié)壓力影響較小，而壓縮系數(shù)a隨固結(jié)壓力增加仍有明顯降低趨勢(shì)，此時(shí)有效應(yīng)力的增加對(duì)壓縮系數(shù)影響仍較大，因此固結(jié)系數(shù)反而有小幅增加的趨勢(shì)。

3 慢剪速率確定

參考GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》粗顆粒土直剪試驗(yàn)，剪切破壞歷時(shí)可根據(jù)固結(jié)90%所需時(shí)間t90的12倍進(jìn)行估算；為保證孔隙水壓力充分消散，以最小剪切位移50 mm 進(jìn)行計(jì)算剪切速率，剪切速率隨固結(jié)壓力及固結(jié)系數(shù)變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 剪切速率與固結(jié)壓力、固結(jié)系數(shù)關(guān)系曲線

由式（1）、圖5可知，剪切速率Vt與固結(jié)系數(shù)Cv呈正比例關(guān)系，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合分析，滿足式（4）：

固結(jié)壓力在1000 kPa 以內(nèi)對(duì)固結(jié)系數(shù)影響較大，剪切速率也隨之變化；因此，當(dāng)法向應(yīng)力在此范圍內(nèi)進(jìn)行慢剪試驗(yàn)時(shí)，剪切速率應(yīng)按固結(jié)系數(shù)進(jìn)行分級(jí)調(diào)整以保證孔隙水壓力充分消散，此時(shí)剪切速率在0.035～0.17 mm/min之間，剪切時(shí)間在5～24 h范圍內(nèi)。當(dāng)固結(jié)壓力超過(guò)1000 kPa時(shí)，即圖5中的虛線區(qū)域，固結(jié)系數(shù)變化較小，相應(yīng)的剪切速率也差異不大，可取試驗(yàn)中剪切速率平均值0.03 mm/min 作為統(tǒng)一的慢剪速率，此時(shí)剪切時(shí)間約27.5 h。作為同類黏質(zhì)土料，規(guī)范中細(xì)粒土慢剪速率一般選用0.02 mm/min，相比而言，粗顆粒土滲透系數(shù)和壓縮模量一般較細(xì)顆粒土大，固結(jié)系數(shù)偏大，上述慢剪速率可滿足孔壓消散。根據(jù)試驗(yàn)具體級(jí)配，可在滿足試驗(yàn)規(guī)程的同時(shí)盡可能減小試樣高度，這在一定程度上減小了試樣滲流固結(jié)路徑，從而減少固結(jié)時(shí)間，剪切速率也可以適當(dāng)提高。對(duì)于同類黏質(zhì)粗顆粒土或制樣指標(biāo)類似的試樣，慢剪試驗(yàn)剪切速率可參考式（4）進(jìn)行估算。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)粗顆粒土進(jìn)行大型壓縮試驗(yàn)，研究了黏質(zhì)粗顆粒土的固結(jié)特性及慢剪速率確定方法，得到以下結(jié)論：

（1）試樣固結(jié)系數(shù)與所承受的固結(jié)壓力有關(guān)，隨固結(jié)壓力增加先急劇減小后略有增加，固結(jié)壓力拐點(diǎn)與擾動(dòng)試樣制樣指標(biāo)有關(guān)。

（2）固結(jié)壓力小于1000 kPa時(shí)，慢剪剪切速率應(yīng)根據(jù)固結(jié)系數(shù)調(diào)整；固結(jié)壓力超過(guò)1000 kPa時(shí)，慢剪試驗(yàn)可按0.03 mm/min剪切速度施加剪應(yīng)力。

（3）通過(guò)對(duì)黏質(zhì)粗顆粒土固結(jié)系數(shù)計(jì)算和固結(jié)特性分析可以較為準(zhǔn)確地確定慢剪剪切速率，對(duì)進(jìn)一步研究黏質(zhì)粗顆粒土固結(jié)和剪切特性提供參考。