貴陽紅黏土軸向循環(huán)加卸載強(qiáng)度與變形特性試驗(yàn)研究

張清, 左雙英,*, 楊國生, 吳道勇, 袁霄

(1.貴州大學(xué)喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 貴州貴陽550025;2.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 貴州貴陽550025;3.貴州省六盤水市水務(wù)局, 貴州六盤水553001)

0 引言

紅黏土是一種呈棕黃色或棕紅色的特殊結(jié)構(gòu)性黏土,由碳酸鹽巖經(jīng)過風(fēng)化、侵蝕、搬運(yùn)、沉積后,形成的水、固、氣三相結(jié)合體。貴陽處于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū),是典型的喀斯特地貌區(qū)域,紅黏土發(fā)育極其典型且廣泛分布[1]。在長期的工程實(shí)踐中,紅黏土成為貴州省內(nèi)與工程建設(shè)聯(lián)系最為密切的土類,大量試驗(yàn)以及工程實(shí)例表明,紅黏土具有高含水率、高液塑、高孔隙性、低壓縮性和應(yīng)變軟化特性及反剖面特征[2-3]。當(dāng)前研究顯示,紅黏土的物理力學(xué)性質(zhì)受含水率[4-5]、圍壓[6]、先期固結(jié)壓力[7]、應(yīng)力路徑[2,6,8]等因素的影響而表現(xiàn)為硬化、軟化或其他非線性特征?；诔Ｒ?guī)三軸試驗(yàn)的研究思路,趙蕊等[5]、趙亦婷等[9]、張彥召等[10]研究發(fā)現(xiàn)三軸應(yīng)力狀態(tài)下原狀紅黏土表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特性,而重塑紅黏土表現(xiàn)出了應(yīng)變硬化特征;Lyu等[11]通過固結(jié)不排水三軸試驗(yàn),探討了壓硬性、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)性隨取樣深度和應(yīng)力路徑的變化規(guī)律。隨著高速公路、高鐵、機(jī)場等交通設(shè)施的大力修建,循環(huán)荷載作用所引起的地面沉降、地基塌陷等問題引起了越來越多學(xué)者的關(guān)注。廖化榮[12]及劉曉紅等[13]分別對原狀紅黏土進(jìn)行三軸循環(huán)荷載試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在循環(huán)荷載作用下,原狀紅黏土塑性變形會逐漸累積,隨著應(yīng)力水平的增加土樣變形分為彈性變形、塑性變形到完全破壞3個階段。倪靜等[14]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)黏土破壞過程中應(yīng)力水平作用比加載頻率更重要。李颯等[15]認(rèn)為循環(huán)荷載過程中土體結(jié)構(gòu)在不斷發(fā)生變化,引入損傷變量根據(jù)有效應(yīng)力原理進(jìn)行修正,能夠更合理地解釋土體中孔壓及強(qiáng)度變化的原因。穆銳等[16]結(jié)合Konder雙曲線模型發(fā)現(xiàn)紅黏土的彈性模量隨應(yīng)變變化顯著。謝和平等[17]對Lemaitre提出的用模量計算損傷的方法進(jìn)行修正,推導(dǎo)出考慮彈塑性應(yīng)變變化的彈塑性損傷計算公式,劉建鋒等[18]采用彈塑性損傷計算公式對循環(huán)荷載作用下鹽巖的卸載模量進(jìn)行研究,認(rèn)為循環(huán)荷載對其不可逆變形有較大的影響。

紅黏土作為地基或路基材料一般需進(jìn)行反復(fù)壓實(shí),而目前對于軸向循環(huán)加卸載作用下紅黏土的強(qiáng)度和變形特性研究較少,因此,本文以貴陽原狀紅黏土為研究對象,采用應(yīng)變控制軸向加卸載應(yīng)力路徑,模擬不同含水條件、不同圍壓下地基或路基在反復(fù)壓實(shí)過程中紅黏土的應(yīng)力-應(yīng)變特性,為實(shí)際工程中紅黏土的強(qiáng)度變化、變形參數(shù)確定以及計算模型的建立提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)土樣

試樣取自貴州大學(xué)西校區(qū)資源與環(huán)境工程學(xué)院物探試驗(yàn)場的原狀紅黏土,取樣深度3～5 m,由三疊系安順組白云巖風(fēng)化而成,以褐黃色為主,呈可塑、硬塑狀態(tài),取樣場地及試驗(yàn)裝置如圖1所示。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019),對土樣開展室內(nèi)基本物理力學(xué)試驗(yàn)并獲得了相關(guān)指標(biāo),貴陽紅黏土基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 取樣場地及試驗(yàn)裝置Fig.1 Sampling site and test device

表1 貴陽紅黏土基本物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Basic physical and mechanical parameters of Guiyang red clay

將紅黏土制成直徑尺寸為39.1 mm,高度為80.0 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣;以天然含水率為界限,通過自然風(fēng)干和加濕裝置分別制作含水率w分別為29%、32%(天然含水率)、35%、38%的原狀紅黏土試樣,含水率誤差不超過0.5%,每個含水率3個試樣,貴陽紅黏土三軸循環(huán)荷載試驗(yàn)制樣見表2。

表2 貴陽紅黏土三軸循環(huán)荷載試驗(yàn)制樣Tab.2 Sample preparation for triaxial cyclic load test of Guiyang red clay

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方案

試驗(yàn)是在南京土壤儀器廠有限公司制造的SLB-1型應(yīng)力-應(yīng)變控制式三軸剪切滲透儀中的應(yīng)力路徑試驗(yàn)?zāi)K上進(jìn)行的。為了研究含水條件以及軸向循環(huán)加卸載對貴陽紅黏土力學(xué)性能的影響,對不同含水率的紅黏土試樣開展常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)以及循環(huán)加卸載剪切試驗(yàn)。

常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)：根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)對不同含水率的紅黏土試樣進(jìn)行不同圍壓下的固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)(CU)。

應(yīng)變控制式循環(huán)加卸載剪切試驗(yàn),總體采用固結(jié)不排水剪切試驗(yàn),按以下步驟進(jìn)行：①以等壓固結(jié)的方式對試樣進(jìn)行排水固結(jié),終止條件為孔隙水壓力消散為0;②保持圍壓σ3不變,以Δσ1=1 kPa為增量在軸向進(jìn)行加載,加載時間z設(shè)置為60 s,加載要求為：σ1=σ3+Δσ1,控制軸向應(yīng)變達(dá)到1%為第一次加載的終止條件;③繼續(xù)保持圍壓σ3不變,以Δσ1=-1 kPa/min為增量在軸向進(jìn)行卸載,卸載時間z設(shè)置為60 s,當(dāng)σ1-σ3=0時為卸載的終止條件;④繼續(xù)加載,以此類推,控制軸向應(yīng)變達(dá)到1%、2%、4%、7%、11%、16%時進(jìn)行循環(huán)加卸載直至試樣破壞,視為試驗(yàn)結(jié)束。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 紅黏土軸向加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.1.1 含水率的影響

對不同含水條件下的貴陽紅黏土開展應(yīng)變控制循環(huán)加卸載試驗(yàn),獲得了不同含水率的貴陽紅黏土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。不同圍壓曲線變化趨勢相似,這里取圍壓為100、300 kPa時的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線進(jìn)行分析,得到不同含水條件下貴陽紅黏土循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系如圖2所示。由圖2可見,隨著含水率的增加,相同圍壓下貴陽紅黏土的峰值強(qiáng)度呈降低趨勢,與貴陽紅黏土反剖面的特征相吻合;同時,在圍壓作用下,貴陽紅黏土整體在強(qiáng)度上表現(xiàn)出增強(qiáng)效應(yīng)。

(a) σ3=100 kPa

2.1.2 圍壓的影響

為了探討圍壓對循環(huán)加卸載作用下貴陽紅黏土強(qiáng)度與變形的作用,本文中以含水率ω分別為29%、35%時進(jìn)行分析,其他變化趨勢類似。不同圍壓下貴陽紅黏土循環(huán)加卸載全過程應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。由圖3可以看出,在低圍壓100 kPa時,循環(huán)加卸載過程對貴陽紅黏土的壓硬性作用不明顯,在較高圍壓200、300 kPa時,循環(huán)加卸載作用對貴陽紅黏土的壓硬性作用較為明顯;彈性變形階段,隨著圍壓的增大,貴陽紅黏土彈性變形階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率也增大,表明貴陽紅黏土的強(qiáng)度隨著圍壓的增大而增大,表現(xiàn)出明顯的壓硬性。穩(wěn)定變形階段,貴陽紅黏土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線呈明顯的臺階狀,說明每次加卸載循環(huán)回次后對貴陽紅黏土產(chǎn)生二次壓實(shí)作用,土體強(qiáng)度得到了增強(qiáng)。對比圖2與圖3不難發(fā)現(xiàn),在本文中試驗(yàn)的含水條件范圍內(nèi),圍壓對貴陽紅黏土強(qiáng)度的影響比含水率更加明顯。

(a) w=29%

2.1.3 孔壓分析

孔壓是循環(huán)荷載作用下土體的重要特征之一,是導(dǎo)致黏土循環(huán)弱化的一個重要因素[22]。加卸載循環(huán)過程中不同含水條件和圍壓下孔壓變化情況如圖4所示。由圖4可知：相同含水率的情況下,圍壓越大,產(chǎn)生的孔壓值也越大;相同圍壓條件下,孔壓值隨著含水率增大而增大。其中圍壓為100 kPa條件下孔壓最小,且在應(yīng)變?yōu)?%附近出現(xiàn)峰值孔壓,隨后隨著應(yīng)變的增大逐漸減小,而圍壓為200、300 kPa條件下無明顯的峰值孔壓,而是在應(yīng)變達(dá)到13%、17%后其變化趨勢由明顯上升向平穩(wěn)轉(zhuǎn)化,此應(yīng)變水平可認(rèn)為是不同圍壓下的孔壓臨界應(yīng)變值,與圍壓水平相關(guān),受含水率影響較小。加卸載過程對孔壓的升降也會產(chǎn)生明顯的影響。由圖4中還可以看出：在臨界應(yīng)變之前,每一次卸載初期,由于慣性軸向應(yīng)變會在短時間內(nèi)增大,孔壓也迅速增大;當(dāng)應(yīng)變回彈時,孔壓會小部分消散,消散的速率小于上升速率,因此孔壓循環(huán)曲線并不能形成閉合的滯回環(huán)。而在臨界應(yīng)變之后,卸載初期孔壓緩慢上升、平緩變化甚至變小,再次加載的過程中孔壓會隨著應(yīng)變的增加快速上升,形成孔壓加卸載滯回環(huán),之后變化平緩。

(a) w=29%

2.2 壓密與回彈過程分析

取含水率w分別為29%與38%的土樣進(jìn)行低應(yīng)變階段循環(huán)加卸載,對受載過程中的壓密與回彈現(xiàn)象進(jìn)行分析得到的紅黏土循環(huán)加卸載作用下壓密與回彈曲線如圖5所示。由圖5可見,在初始加載階段,貴陽紅黏土有一段明顯的后繼壓密過程,圖5(a)中σ3=100 kPa時常規(guī)試驗(yàn)后繼壓密表現(xiàn)不明顯,循環(huán)試驗(yàn)中表現(xiàn)出一小段后繼壓密過程,在圖5(b)中σ3=100 kPa時常規(guī)、循環(huán)試驗(yàn)均表現(xiàn)出后繼壓密階段,隨著圍壓的增大,后繼壓密過程表現(xiàn)更加明顯,表明較高圍壓對紅黏土前期的壓密階段有延長作用。對比分析不同含水條件下試樣在相同圍壓壓密階段的特征,σ3=100 kPa條件下,w=29%時,常規(guī)試驗(yàn)無明顯后繼壓密過程,循環(huán)試驗(yàn)后繼壓密至ε1≈0.25%,w=38%時常規(guī)試驗(yàn)后繼壓密至ε1≈0.4%,循環(huán)試驗(yàn)壓密至ε1≈0.45%,說明含水率越高,貴陽紅黏土的后繼壓密過程越明顯,σ3=300 kPa時同樣呈此規(guī)律。此外,對比相同圍壓和含水條件下不同應(yīng)力路徑的壓密階段,發(fā)現(xiàn)循環(huán)荷載試驗(yàn)壓密階段普遍大于常規(guī)試驗(yàn),在高圍壓條件下更加明顯,試樣表現(xiàn)出壓密延長效應(yīng),表明相對于一直加載,卸載再加載的過程使貴陽紅黏土受到的壓密作用效果更好。

(a) w=29%壓密階段分析

隨著應(yīng)力的增加,循環(huán)加卸載滯回環(huán)經(jīng)歷剪切初期-中期滯回環(huán)增大,后期滯回環(huán)逐漸減少,即在循環(huán)加卸載作用下土樣的彈性變形量經(jīng)歷了增大-減小的過程,反映出貴陽紅黏土明顯的應(yīng)變軟化特性,后期試樣塑性變形量逐漸增多[19]。因此,可以定性地推斷,在路基壓實(shí)的過程中,壓路機(jī)的反復(fù)作用會使得土體變得更加密實(shí),而當(dāng)外力不再繼續(xù)作用時,路基將會隨著時間的推移而出現(xiàn)一定程度的回彈變形,這時適時地再次施加荷載反復(fù)作用即可降低路基土體的變形恢復(fù),提高路基的整體強(qiáng)度及使用壽命。

3 抗剪強(qiáng)度參數(shù)分析

抗剪強(qiáng)度參數(shù)是表征土體強(qiáng)度特性的重要指標(biāo),是邊坡穩(wěn)定性、擋墻土壓力、地基承載力等工程中計算的主要參數(shù)。本文中試驗(yàn)方式為固結(jié)不排水試驗(yàn),孔隙水壓力隨圍壓及含水率變化較大,因而對土體有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行分析。采用文獻(xiàn)[24]所提出的一種簡便方法求解不同含水條件下貴陽紅黏土的有效黏聚力c′和有效內(nèi)摩擦角φ′,即將試驗(yàn)結(jié)果繪制在p′-q′坐標(biāo)軸上,其中p′=(σ1′+σ3′)/2,q′=(σ1′-σ3′)/2,通過線性擬合得到其截距與斜率分別為b、tanα,并根據(jù)式(1)、(2)計算其有效抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

φ=sin-1(tanα),

(1)

(2)

有效抗剪強(qiáng)度參數(shù)對比如圖6所示。由圖6可見,在常規(guī)試驗(yàn)條件下,φ′隨著含水率的變化無明顯變化趨勢,保持在28°左右,因而認(rèn)為其受含水率影響較小或不受影響;而c′隨著含水率的升高從85.5 kPa逐漸減小到52.5 kPa,但是在38%時又略微上升,因而認(rèn)為在本文中的含水率范圍內(nèi),隨著含水率的升高c′值整體上呈降低趨勢。循環(huán)試驗(yàn)條件下,隨著含水率的升高φ′值先減小后逐漸上升,由23°上升至30.5°,而c′值從小幅度上升后呈急劇下降趨勢,由76.3 kPa下降至38.3 kPa,且c′值較常規(guī)試驗(yàn)條件明顯變小,特別是在高含水條件下差值逐漸變大。根據(jù)文獻(xiàn)[25-27]的試驗(yàn)研究結(jié)果,貴陽紅黏土在循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生變形,破壞過程中孔隙體積整體表現(xiàn)為減小,大孔逐漸向小孔發(fā)展,礦物團(tuán)粒之間的咬合作用增強(qiáng),有利于摩擦強(qiáng)度的提高即φ′ 增大;試樣經(jīng)過多次加卸載作用后小孔隙數(shù)量占比相較常規(guī)試驗(yàn)大,因而隨著小孔數(shù)量的增加,孔隙壓力變大而有效黏聚力c′ 減小。

(a) 有效內(nèi)摩擦角φ′對比

4 循環(huán)加卸載損傷分析

4.1 加卸載模量分析

加卸載割線模量是表征循環(huán)作用對土體強(qiáng)度與變形作用的一種有效手段,其中卸載模量越大,貴陽紅黏土的回彈變形量越小;加載模量反映達(dá)到相同應(yīng)變時,土體2個連續(xù)循環(huán)回次之間強(qiáng)度的變化情況[20]。采用文獻(xiàn)[21]中所提出的方法(如圖7所示),以單個回次加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線的平均斜率為該回次的加載割線模量,同理確定卸載割線模量。在相同終點(diǎn)加載應(yīng)力下,若加載模量大于卸載模量,說明土體強(qiáng)度增加,反之土體強(qiáng)度減小。

圖7 平均加卸載模量計算方法Fig.7 Calculation of the average plus and minus modulus

對4種含水率貴陽紅黏土的模量變化情況進(jìn)行分析,不同含水條件下循環(huán)加卸載軸向割線模量演化規(guī)律如圖8所示。由圖8可見,在相同含水條件下,隨著圍壓的升高,其加卸載模量隨之變大,在剪切過程中,試樣經(jīng)歷壓密-破損變化,壓密階段之前,試樣加卸載模量逐漸上升,壓密階段之后出現(xiàn)峰值模量,如圖8(a)所示,低圍壓水平σ3=100 kPa時,壓密階段不明顯,初始模量即為峰值模量。隨著應(yīng)變的增加逐漸減小,峰值卸載模量為1 336 kPa后期降低至801 kPa,峰值加載模量為1 347 kPa后降低至809 kPa;而在高圍壓條件下貴陽紅黏土受壓密延長作用模量值呈先增大后減小的變化趨勢,σ3=200 kPa時,卸載模量由856 kPa增大至1 607 kPa后期降低至998 kPa,加載模量由860 kPa增大至1 340 kPa,后期降低至894 kPa,σ3=300 kPa條件下,卸載模量由884 kPa增大至1 791 kPa,后期降低至1 011 kPa,加載模量由730 kPa增加至1 297 kPa,后期降低至945 kPa。其他含水條件變化趨勢與其類似,隨著應(yīng)變的增加,貴陽紅黏土表現(xiàn)出非常明顯的彈塑性耦合特性[23,28],即應(yīng)力進(jìn)入塑性變形后,卸載后再加載所產(chǎn)生的塑性變形的增大引起彈性的變化,使加卸載模量減小,在非穩(wěn)定變形階段這類特征表現(xiàn)更加明顯。

(a) w=29%

4.2 損傷分析

模量變化是土體結(jié)構(gòu)受損的特征表現(xiàn)之一[22]。由圖8可知,隨著剪切的進(jìn)行,貴陽紅黏土的加卸載模量總體上呈減小趨勢。為了研究循環(huán)荷載條件下貴陽紅黏土的受損情況,以卸載模量變化規(guī)律來衡量試樣的損傷情況,Lemaitre提出了應(yīng)變等效性假說來描述彈性材料變形破壞過程中受損變化情況,如式(3)所示,將其推演為考慮不可逆塑性變形影響的彈塑性材料損傷公式[17],如式(4)。

(3)

式中：D為損傷系數(shù);E0表示未損傷卸載模量;Ei表示試樣受損后的卸載模量。

(4)

式中：ε表示單次循環(huán)總應(yīng)變;εp表示單次循環(huán)殘余應(yīng)變。

由式(4)計算出不同含水條件及圍壓下試樣的損傷系數(shù),得到不同含水條件下循環(huán)加卸載損傷系數(shù)D的變化如圖9所示。由圖9可見：含水率在29%、32%條件下,損傷系數(shù)D隨著應(yīng)變的增加呈較均勻的上升趨勢,在應(yīng)變達(dá)到16%時達(dá)到0.9左右,且變化趨勢不變;而在35%、38%含水條件下,損傷系數(shù)D快速上升在應(yīng)變達(dá)到7%時達(dá)到0.9左右開始平緩變化。不同圍壓下試樣初始損傷變化也有所差異,在圍壓為100 kPa條件下,應(yīng)變達(dá)到1%時,損傷系數(shù)D開始變化,且增長速率較高圍壓要快;而在高圍壓200、300 kPa條件下,多數(shù)試樣在應(yīng)變達(dá)到2%時才開始變化,剪切后期高圍壓條件下相同應(yīng)變所對應(yīng)的損傷系數(shù)D要比低圍壓條件下的大,最終保持在0.80～0.95。

(a) w=29%

5 結(jié)論

①含水率和圍壓對貴陽紅黏土的強(qiáng)度與變形特性有明顯作用。剪切過程中,隨著圍壓的升高,貴陽紅黏土后繼壓密階段更加明顯,且試樣的峰值強(qiáng)度呈明顯的上升趨勢;隨著含水率的上升,試樣峰值強(qiáng)度呈下降趨勢,其中圍壓對其強(qiáng)度變化的影響更加明顯。

②貴陽紅黏土固結(jié)不排水剪試驗(yàn)中孔壓的大小隨圍壓、含水率的增大而增大,但是,在不同圍壓水平下孔壓達(dá)到峰值時存在臨界應(yīng)變點(diǎn)：在臨界應(yīng)變之前,孔壓循環(huán)曲線不能形成閉合的滯回環(huán);在臨界應(yīng)變之后,孔壓循環(huán)曲線以滯回環(huán)的形式出現(xiàn),總孔壓值保持不變或緩慢消散。圍壓在100、200、300 kPa時對應(yīng)的臨界應(yīng)變分別為5%、13%、17%。

③循環(huán)加卸載作用使試樣中小孔隙數(shù)量逐漸增多,有利于摩擦強(qiáng)度的發(fā)揮,但孔隙壓力變大,使得試樣有效黏聚力相對變小。

④加卸載過程中,彈性變形量隨應(yīng)力變化呈正相關(guān)關(guān)系,剪切后期加卸載模量持續(xù)下降,彈性變形量逐漸減小甚至消失,貴陽紅黏土表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化特性。采用卸載模量的變化定義損傷,得到貴陽紅黏土在加卸載過程中損傷演化規(guī)律,損傷量在低圍壓、高含水率條件下發(fā)展最快,最終分布在0.80～0.95。