含砂量對砂-粉土混合物強度特性的影響試驗研究

常留成,王紅雨,曹 靜,王 亞

(1.寧夏大學 土木與水利工程學院, 銀川 750021; 2.寧夏大學 旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心, 銀川 750021)

0 引 言

在水土流失較為嚴重的寧夏南部黃土高原地區(qū),修建有防止水土流失、用于攔泥淤地、農(nóng)田灌溉的淤地壩。泥沙逐年進入庫區(qū)淤積,導致水庫攔蓄庫容日益減少,成為病險水庫,不能達到設計攔淤蓄水的目標。為使土壩繼續(xù)發(fā)揮效應,同時為了節(jié)約成本,需要對水庫進行除險加固,加高培厚壩體?！皦吻坝俜e面加壩”工法是寧夏南部山區(qū)淤地壩除險加固工程中常用的一種工法。該法可以節(jié)省大量填筑土方,縮短工期、節(jié)約成本,因而在陜西、寧夏、甘肅等黃土高原地區(qū)中、小型水庫的除險加固中得到廣泛應用[1-3]。該法在實踐中積累了大量經(jīng)驗,但相關(guān)配套理論研究相對滯后,沒有形成統(tǒng)一的理論體系支撐,嚴重影響“壩前淤積面加壩”工法在工程實踐中的應用。

在“壩前淤積面加壩” 理論研究中最核心的問題是壩基穩(wěn)定性,而作為壩基的淤積土強度特性是穩(wěn)定性分析的重要參考依據(jù)。在前期走訪調(diào)研、鉆孔取土時發(fā)現(xiàn)淤積土的含砂量在0%～50%之間[4],試驗表明含砂量對淤積土的強度有重要影響。針對砂粒對黏土強度特性影響的研究,國內(nèi)外很多學者開展了不同程度的工作,并取得了大量有益成果。國外,Monkul 和Ozden[5]對不同含砂量的重塑高嶺土進行一維固結(jié)試驗,結(jié)果表明,高嶺土-砂混合物的壓縮性主要由含砂量控制。Naeini和Baziar[6]進行了不同粉粒含量的Ardebil(伊朗阿爾達比勒市)砂的不排水單調(diào)和動三軸壓縮試驗,研究表明,當粉粒含量增加到35%時,穩(wěn)態(tài)狀態(tài)線向下移動,抗剪強度降低。Kim等[7]的研究結(jié)果表明,隨含砂量的降低,風化花崗巖土的黏聚力增大,內(nèi)摩擦角減小,30%的含砂量可作為衡量風化花崗巖土工程特性的一個重要指標。Polito等[8]和 Sadrekarimi[9]研究了黏粒含量對砂土抗液化性能的影響。國內(nèi),朱建群等[10]通過三軸固結(jié)不排水試驗探討了粉粒含量對砂土強度特性的影響,發(fā)現(xiàn)粉粒含量增加到15%時砂土的靜態(tài)液化現(xiàn)象消失,穩(wěn)態(tài)線也隨黏粒含量的增加逐步向下移動。呂璽琳等[11]對砂和黏土混合物進行了固結(jié)排水條件下的環(huán)剪試驗,發(fā)現(xiàn)隨含砂量的增加,黏土的應力-應變關(guān)系從持續(xù)應變向應變軟化轉(zhuǎn)變。陳永健等[12]、馮曉臘等[13]、孫昱等[14]和Li等[15]通過室內(nèi)直剪試驗和固結(jié)試驗,探討了不同黏土類型對砂-土混合物強度和壓縮性的影響。關(guān)于砂粒對砂-土混合物工程特性的影響,國外學者主要側(cè)重于砂粒對砂-土混合物壓縮性和抗液化性能的影響研究;國內(nèi)學者主要集中在砂-土混合物強度特性方面,對其強度特性及深層次的微觀機制研究還比較薄弱[12-15],而力學機制的轉(zhuǎn)變在某種程度上可從微觀結(jié)構(gòu)的定量演變得到解釋[16]。實際工程中巖土體的受力狀態(tài)更為復雜,三軸試驗能更好地反映巖土體的實際受力狀態(tài)[17]。

基于上述分析,本文通過制備不同含砂量的砂-粉土混合物,并采用三軸固結(jié)排水剪切試驗,分析含砂量對砂-粉土混合物強度的影響規(guī)律,同時對不同含砂量的試樣進行壓汞試驗(Mercury Injection Test,MIP),從微觀角度探討含砂量對砂-粉土混合物強度的影響機制。

1 試樣制備和試驗方法

1.1 試樣來源

試驗用土主要來自寧夏南部山區(qū)索草窩子水庫。通過對不同深度處淤積土樣進行粒徑分析(見圖1),發(fā)現(xiàn)淤積土的砂粒(75～2 000 μm)質(zhì)量分數(shù)為0～55%,黏粒(<5 μm)質(zhì)量分數(shù)為0～30%,粉粒(5～75 μm)質(zhì)量分數(shù)>50%。從上述分析可以看出淤積土屬于粉質(zhì)黏土。

圖1 不同深度處淤積土顆粒組成Fig.1 Particle composition of silted soil atdifferent depths

1.2 試樣制備

試驗所用土樣均來自同心縣索草窩子水庫,取樣深度為0.5～1.0 m。制備試樣前應先將土樣自然風干,然后將風干土樣按砂粒和粉粒進行分選:風干土樣過0.075 mm和0.180 mm篩,取<0.075 mm范圍內(nèi)的土樣為粉粒;[0.075,0.180] mm范圍內(nèi)的土樣為砂粒。根據(jù)圖1可知,不同深度處淤積土的砂粒質(zhì)量分數(shù)主要分布在0～30%,6 m處淤積土的砂粒質(zhì)量分數(shù)為55.42%,故將砂粒的比例配置設置為0%、16.67%、28.57%、50.00%和60.00%。表1為各砂-粉土試樣基本物理指標。從表1可以看出,隨著含砂量的增加,試樣相對密度、液限和塑限明顯減小。

表1 各砂-粉土混合物基本物理指標Table 1 Physical properties of sand-silt mixtures

現(xiàn)場測得原狀樣的天然干密度為1.66 g/cm3,天然含水率為22%。根據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)中關(guān)于制樣的規(guī)定,按如下步驟制樣:①配樣。將事先配好的土樣配置成含水率為22%的濕樣,為保證土體含水率均勻,將配置好的濕樣用密封袋密封放在陰涼處悶樣24 h;②采用擊實法制樣。將制備好的濕樣分5層壓入直徑為50 mm、高為100 mm的制樣桶中;③抽真空飽和。將制樣桶放入真空缸中抽真空3 h,然后向真空缸注入蒸餾水,直至水位漫過制樣桶的高度為止,最后將制樣桶在水中靜置24 h。同一含砂量的粉質(zhì)黏土5個試樣,其中4個進行三軸固結(jié)排水試驗,1個用于MIP試驗,共計25個試樣。

1.3 試驗方案

1.3.1 三軸固結(jié)排水剪切試驗方法

三軸固結(jié)排水剪切試驗在寧夏大學GSY-SYL-100型應力應變?nèi)S儀上進行。儀器最大軸向位移為40 mm,最大軸向荷載為20 kN。試樣的尺寸為50 mm×100 mm,剪切速率為0.005 mm/s,試驗圍壓分別為100、200、300、400 kPa。當有明顯峰值時,再繼續(xù)剪切5%軸向應變;沒有明顯峰值時,剪切至軸向應變到20%結(jié)束試驗。整個試驗過程數(shù)據(jù)由電腦自動采集,時間間隔為1 s。

1.3.2 MIP試驗

MIP試驗設備為精微高博公司生產(chǎn)的YG-97A壓汞儀。工作壓力為1～50 MPa,孔直徑測定范圍為30～600 μm。將用于微觀結(jié)構(gòu)試驗的試樣切成5 mm×5 mm×5 mm的立方體土塊放到真空冷凍干燥機上在-193 ℃凍干,防止水氣界面表面張力改變土體孔隙形態(tài)影響試驗精度[18],最后將凍干樣放入壓汞儀中進行試驗。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 應力-應變關(guān)系

通過三軸固結(jié)排水剪切試驗可以獲取砂-粉土混合物的應力-應變關(guān)系曲線,如圖2所示。由圖2可知,不同含砂量的砂-粉土混合物的應力-應變關(guān)系曲線對圍壓的響應有所不同。

圖2 不同含砂量砂-粉土混合物的應力-應變關(guān)系曲線Fig.2 Stress-strain curves of sand-silt mixtures with varying sand content

(1)對于含砂量為0%、16.67%和28.57%的砂-粉土混合物,不同圍壓條件下應力-應變關(guān)系有著明顯的相似性,即:隨著軸向應變的增加,偏應力開始迅速增加,而后緩慢增長,最后趨于一個穩(wěn)定值,應力-應變曲線屬于應變硬化型。由于粉粒含量遠高于含砂量,試樣的破壞呈現(xiàn)“塑性”,隨著含砂量的增加,試樣的破壞形式由“塑性”向“脆性”轉(zhuǎn)換,相應的應力-應變曲線也由應變硬化向應變軟化轉(zhuǎn)變,如圖2(d)所示。破壞時的剪切滑動面也隨著含砂量的增加變得顯著(應變硬化型選15%軸向應變對應的剪切面,應變軟化型選峰值處軸向應變對應的剪切面),如圖3所示。

圖3 300 kPa圍壓下不同含砂量砂-粉土混合物破壞時的剪切破壞面Fig.3 Shear failure plane of sand-silt mixture with varying sand content under 300 kPa confining pressure

(2)圍壓較大的試樣應力-應變關(guān)系曲線位于上方,所獲取的峰值強度也較大。

(3)對于含砂量為50%和60%的砂-粉土混合物,隨著圍壓的增大,土樣的應力-應變關(guān)系由應變軟化型轉(zhuǎn)變?yōu)閼冇不?說明高圍壓使土顆粒變得更加密實,能有效抑制剪切過程中土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

圖4是不同圍壓條件下砂-粉土混合物的應力-應變關(guān)系曲線。從圖4可知同一圍壓條件下不同含砂量砂-粉土混合物的力學特性也不相同。

圖4 不同圍壓條件下不同含砂量砂-粉土混合物的應力-應變關(guān)系Fig.4 Stress-strain curves of sand-silt mixtures under different confining pressures

(1)含砂量高的試樣的應力-應變關(guān)系曲線位于上方,說明含砂量的增加能有效提高砂-粉土混合物的強度。這和文獻[10]的結(jié)論相一致。

(2)在低圍壓下(100～300 kPa),隨著含砂量的增加,試樣的應力-應變關(guān)系由應變硬化向應變軟化轉(zhuǎn)變。這是由于含砂量為0%的砂-粉土混合物的結(jié)構(gòu)為絮凝結(jié)構(gòu),土顆粒任意排列,具有較大的孔隙,顆粒間引力較小,所以強度較低。摻入的砂粒能填充顆粒間較大的孔隙,增大土顆粒的接觸面積,使土體結(jié)構(gòu)變得更加密實。土體受剪時,土顆粒發(fā)生錯動需要克服較大的咬合力,因而表現(xiàn)出較高的強度。一旦部分顆粒繞過另一部分土粒,結(jié)構(gòu)變得松動,抵抗變形的能力隨之降低,故而表現(xiàn)為軟化。

2.2 峰值偏應力的變化規(guī)律

從圖2和圖4可以看出,不同應力條件下不同含砂量的砂-粉土混合物的應力-應變關(guān)系曲線既有應變硬化型,也有應變軟化型。對于應變軟化型曲線,取峰值處的軸向應力為峰值偏應力;對于應變硬化型曲線,選軸向應變15%處的軸向應力為峰值偏應力。

圖5是不同圍壓條件下砂-粉土混合物峰值偏應力與含砂量的關(guān)系。從圖5可知:①當圍壓相同時,峰值偏應力隨著含砂量的增加而增大,說明含砂量能有效提高砂-粉土混合物的強度。②隨著圍壓的增大,峰值偏應力隨著含砂量的增幅明顯增加。以100 kPa和400 kPa圍壓條件下的試樣為例,當含砂量由0%增加到60%,圍壓為400 kPa時,峰值偏應力增加了1 295.42 kPa;而圍壓為100 kPa時,峰值偏應力僅增加了421.24 kPa。③當含砂量<28.57%時,隨著含砂量的增加,砂-粉土混合物的峰值偏應力增幅明顯,當含砂量>28.57%時,增幅明顯降低。說明含砂量的增加并不能無限制提高砂-粉土混合物的強度。

圖5 不同圍壓條件下峰值偏應力與含砂量的關(guān)系Fig.5 Curves of peak deviatoric stress versus sand content under different confining pressures

2.3 強度指標的變化規(guī)律

通過三軸固結(jié)排水剪切試驗可以獲得不同圍壓條件下不同含砂量試樣的內(nèi)摩擦角,如圖6所示。由圖6可知,隨著含砂量的增加,內(nèi)摩擦角呈增大趨勢,而黏聚力呈減小趨勢。在含砂量<30%時,黏聚力減小幅度和內(nèi)摩擦角增大幅度最大,這和強度-含砂量關(guān)系曲線呈現(xiàn)類似規(guī)律。存在2個臨界含砂量:12.5%、30%。當含砂量<12.5%時,砂-粉土混合物的強度受黏聚強度控制,隨著含砂量的增加,摩擦強度對砂-粉土混合物強度的增加起主要貢獻作用;當含砂量>30%時,摩擦強度增幅和黏聚強度減幅明顯減小,土體強度逐漸趨于一個穩(wěn)定值。

圖6 含砂量與抗剪強度指標的關(guān)系Fig.6 Relationship between sand content and shear strength parameters

3 含砂量對砂-粉土混合物力學特性影響微觀機制分析

3.1 不同含砂量砂-粉土混合物孔徑分布測試結(jié)果

圖7是不同含砂量砂-粉土混合物孔徑分布。由圖7可知,孔徑分布曲線呈現(xiàn)“雙峰”特征,說明砂-粉土混合物存在2種主要孔徑(5～10、40～65 μm),同時這2種孔徑也是含砂量的作用區(qū)域。Shear等[19]在分析蒸發(fā)對原狀土滲透系數(shù)-孔隙率關(guān)系的影響時對孔隙進行如下劃分:微裂隙(≥100 μm)、大孔隙([20,100) μm)、中孔隙([5,20) μm)、小孔隙([0.4,5) μm)、微孔隙(<0.4) μm)。其中大孔隙為團聚體間孔隙,中孔隙為團聚體內(nèi)孔隙,小孔隙為土顆粒間孔隙,微孔隙為土顆粒內(nèi)孔隙[20]。砂-粉土混合物的孔隙類型主要為團聚體間孔隙和團聚體內(nèi)孔隙。

圖7 不同含砂量砂-粉土混合物孔隙分布曲線Fig.7 Pore distribution curves of sand-silt mixtures with varying sand content

根據(jù)上述孔徑分類方法,可以得到砂-粉土混合物各類孔徑體積占比隨含砂量變化分布,如圖8所示。從圖8可以看出,隨著含砂量的增加(0%→60%),團聚體間孔隙體積明顯減小,團聚體內(nèi)孔隙體積增幅明顯,顆粒間孔隙體積增加較小。團聚體間孔隙的減小導致總孔隙面積收縮,說明提高含砂量可以減小砂-粉土混合物的孔隙體積。

圖8 不同含砂量砂-粉土混合物各類孔隙相對變化量Fig.8 Volumetric proportions of different types of pores in sand-silt mixtures with varying sand content

3.2 砂-粉土混合物力學特性變化微觀機制分析

3.2.1 含砂量對強度的影響

根據(jù)MIP試驗結(jié)果,作者認為,隨含砂量的增加,砂-粉土混合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化可以表述為:當含砂量為0%時,由于土顆粒間引力的作用,片狀顆粒相互吸引形成團粒,如圖9(a)所示。團粒通過膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)作用和團粒間相互吸力黏聚在一起形成如圖9(b)所示的絮凝結(jié)構(gòu),土粒間的接觸以面-邊和面-角接觸為主[21],此時土體的孔隙以團聚體間孔隙和團聚體內(nèi)孔隙為主。隨含砂量的增加,砂粒首先進入團聚體間孔隙填充大孔隙(見圖9(c)),使大孔隙體積減小,其次較小的砂粒進入團聚體內(nèi)孔隙填充中孔隙(見圖9(d)),使小孔隙體積增加。但由于<5μm的砂粒有限,僅有少量砂粒能進入團聚體內(nèi)孔隙,中孔隙體積收縮有限,如圖9(e)所示。中孔隙體積的增加主要由于砂粒填充大孔隙所致,此時中孔隙主要為團聚體內(nèi)孔隙和砂粒間孔隙,顆粒間的接觸以面-角和點-點接觸為主。

圖9 砂粒進入粉質(zhì)黏土孔隙示意圖Fig.9 Schematic of sand grains entering the pore of silt clay

砂粒進入土體會改變土顆粒間的孔隙形態(tài)、排列方式、相互作用力,從而改變土的力學性質(zhì),孔隙的變化是土體力學性質(zhì)變化的重要體現(xiàn)。當含砂量為0%時,砂-粉土混合物的結(jié)構(gòu)以絮凝結(jié)構(gòu)為主,孔隙較大,顆粒骨架多以團粒和集粒為主,土-水作用形成的結(jié)合力以邊對面結(jié)合為主,結(jié)合強度較高。飽和砂-粉土混合物的孔隙被薄層強結(jié)合水、較厚的弱結(jié)合水所填充,結(jié)合水強烈地與黏土顆粒相結(jié)合,阻礙顆粒之間的真正接觸,同時傳遞和影響?zhàn)ね恋V物晶體之間的電化學力(范德華力和庫侖力)。在電化學力和粒間力作用下,土體具有較高的黏聚強度,此時土體強度受黏聚力控制。當含砂量>15%時,由于砂粒填充顆粒間的孔隙,破壞了土體原有黏聚性,黏聚強度降低,但增加了顆粒間的咬合作用力,摩擦強度開始超過黏聚強度對強度起主要作用。隨著含砂量的繼續(xù)增加,孔隙體積不斷減小,土體變得密實,增大了顆粒間的咬合摩擦和滑動摩擦,使得顆粒滑動和定向排列在剪切過程中需要消耗更多能量,因而抗剪強度得到提高。含砂量>30%時,土體已經(jīng)相當密實,繼續(xù)增大含砂量,強度增加已不明顯。

3.2.2 含砂量對黏聚力的影響

砂-粉土混合物的黏聚力主要包括原始黏聚力和固化黏聚力。原始黏聚力主要來源于黏粒晶體之間的電化學力,包括庫侖力和范德華力;固化黏聚力主要取決于膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)作用。砂粒進入并填充土顆粒之間的孔隙,一方面起膠結(jié)作用的膠結(jié)物質(zhì)被砂粒所取代,使土體的膠結(jié)作用減弱,固化黏聚力隨之降低;另一方面由于砂粒的嵌入鍥入,增大了黏土顆粒的間距,范德華力隨顆粒間距的6次方下降,庫侖力2次方下降,原始黏聚力大幅下降。但由于<5 μm的砂粒有限,少量團聚體內(nèi)孔隙沒有被填充,土體的原有結(jié)構(gòu)沒有被完全破壞,所以黏聚力隨著含砂量的增加并未降為零,而是收斂于>0的某個穩(wěn)定值。

3.2.3 含砂量對內(nèi)摩擦角的影響

由前面分析可知,隨著含砂量的增加,總孔隙體積不斷減小,土體變得更加密實,顆粒之間的咬合能力增加,在發(fā)生剪切時,土顆?？邕^相鄰顆粒需要消耗更多能量,這部分能量需要由剪應力做功來補償,宏觀上表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角增加;另一方面增大顆粒之間的滑動摩擦,土體密實使土顆粒的接觸面積增加,相鄰兩顆粒滑動時所做的功也相應增加,內(nèi)摩擦角隨之增大。如圖6所示,內(nèi)摩擦角也不是隨著含砂量一直上升,而是在含砂量>30%后逐步趨于一個穩(wěn)定值,可能由于含砂量為30%時,土體原有的孔隙已被大量填充,繼續(xù)增加的砂粒沒有明顯改變顆粒、粒團和孔隙的排列、分布,所以內(nèi)摩擦角并沒有明顯增加,而是趨于穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

本文通過對不同含砂量的砂-粉土混合物進行三軸固結(jié)排水剪切試驗和MIP試驗,得到以下幾點結(jié)論:

(1)三軸固結(jié)排水剪切試驗結(jié)果表明,不同圍壓條件下應力-應變關(guān)系隨含砂量的變化表現(xiàn)出較大的差異。低含砂量(≤ 30%)砂-粉土混合物的應力-應變關(guān)系為應變硬化型,土體破壞呈現(xiàn)“塑性”;高含砂量(≥50%)砂-粉土混合物的應力-應變關(guān)系隨圍壓增加由應變軟化型向應變硬化型轉(zhuǎn)變。峰值偏應力隨著含砂量的增加而增大,說明含砂量能有效提高砂-粉土混合物的強度。當含砂量<12.5%時,砂-粉土混合物的強度受黏聚強度控制,隨著含砂量的增加,摩擦強度超過黏聚強度對強度起主要作用;含砂量超過30%時,峰值偏應力隨含砂量增速明顯下降。

(2)砂粒填充土顆粒間孔隙破壞土體原有的組構(gòu)導致強度參數(shù)均發(fā)生較大變化。其黏聚力隨含砂量增加,先迅速下降,后趨于穩(wěn)定,內(nèi)摩擦角隨含砂量增加,先迅速升高,后逐漸趨于穩(wěn)定。

(3)MIP試驗結(jié)果表明,砂-粉土混合物的孔隙主要為團聚體間孔隙和團聚體內(nèi)孔隙。隨著含砂量增加,團聚體間孔隙體積明顯減小,團聚體內(nèi)孔隙體積增幅明顯,土顆粒間孔隙體積增加較小,總孔隙體積收縮。增加含砂量可以減小砂-粉土混合物的孔隙體積,增大土體的致密性。