賴榕洲, 吳能森, 徐 青
(福建農(nóng)林大學交通與土木工程學院, 福建 福州 350002)
花崗巖殘積土是花崗巖經(jīng)過物理風化和化學風化后殘留在原地的碎屑物,具有特殊的成分和結構特征,被《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)[1]認定為一種特殊土,在我國南方山地廣泛分布[2].隨著山地的大量開發(fā)建設,越來越多的工程利用開挖的花崗巖殘積土進行高速公路、鐵路的路基填筑及開發(fā)區(qū)填方造地,因此開展有關的理論與工程應用研究十分必要,如杜江等進行的路用性能室內試驗研究[3].作為填筑土料,含水率是施工控制的關鍵參數(shù),同時含水率的變化必然引起填筑體強度和壓縮性的改變.為此以最優(yōu)含水率為基準,對3種不同含水率花崗巖殘積土試樣進行了固結排水三軸試驗,研究各含水率條件下壓實花崗巖殘積土的強度和變形指標,分析含水率增大所導致的軟化效應.
結合實際工程采集原狀土樣,用薄壁取土器取自福州晉安區(qū)鶴林新城二區(qū)某地塊,鉆探取土深度為12.3~16.8 m,土樣呈褐黃、肉紅色,濕-稍濕,硬塑狀態(tài).經(jīng)測試[4],土樣的物理性質指標如下:天然密度ρ=1.84 g/cm3,天然含水率ω=30.1%,土粒相對密度ds=2.72,天然孔隙比e=0.976,液限ωL=41.1%,塑限ωP=27.3%,塑性指數(shù)Ip=13.8.經(jīng)篩分[4],土樣各粒組的分布情況為:10~5 mm占1.4%,5~2 mm占17.4%,2~1 mm占7.3%,1~0.5 mm占9.8%,0.5~0.25 mm占8.2%,0.25~0.1 mm占10.6%,0.1 mm以下占45.3%.
取花崗巖殘積土原狀土樣約5 kg,經(jīng)過風干、碾碎后,測定土樣的含水率,然后進行標準擊實試驗[4],測得土樣的最優(yōu)含水率ωop=17.4%.實驗試樣含水率以最優(yōu)含水率為基準,上下相差4%左右,經(jīng)取整分別為13%、17%、21%.考慮三軸實驗的試樣較小,故先用孔徑2 mm篩子將風干、碾碎土樣的粗顆粒篩除,然后根據(jù)設計的含水率,依等壓實度原則按擊實法制作試樣.試樣直徑39.1 mm,高80 mm.
試驗儀器為SLB-1型應力~應變控制式三軸剪切滲透試驗儀,采用固結排水三軸壓縮試驗(CD試驗)[4],試驗固結圍壓σ3分別取100 kPa、200 kPa、300 kPa,當體積讀數(shù)變化微小或長時間保持不變時認為試樣完成固結.固結完成后,在圍壓σ3保持不變的情況下,采用應變控制方式,以0.012%/min剪切速率增加軸向壓力進行排水剪切,直至試樣軸向應變值達到15%時停止試驗,試驗過程中排水閥始終保持開啟狀態(tài).自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠在試驗過程中采集試驗數(shù)據(jù)并繪制相關曲線.
實驗表明,各含水率試樣在軸向應變達到15%時呈比較明顯的鼓狀變形,但尚未發(fā)生剪切破壞,各試樣的偏應力(σ1﹣σ3)f~軸向應變ε1關系曲線如圖1所示.根據(jù)各含水率試樣的圍壓σ3和試樣破壞時的偏應力(σ1﹣σ3)f試驗數(shù)據(jù),分別繪制破壞應力圓強度包線(略),得到不同含水率的花崗巖殘積土抗剪強度指標c、φ值.各含水率試樣破壞時的應力及c、φ值見表1.
(a) ω=13%
(b)ω=17%
(c) ω=21%圖 1 (σ1﹣σ3)~ε1關系曲線
由表1顯見,隨著含水率的增大,土抗剪強度降低,具體表現(xiàn)在以下三方面:1)抗剪強度指標.隨著含水率的增大,抗剪強度指標c、φ值隨之降低,但含水率對c、φ值的影響差異顯著,在同等條件下,c值降幅達φ值的30倍以上,或者說,相對于c而言,含水率對φ的影響可以忽略不計.其原因是土中水主要對細粒土發(fā)生作用,而花崗巖殘積土粗顆粒含量高,內摩擦角取決于粗粒土;2)c的軟化效應.含水率在13%~17%時,含水率每增大1%,c值平均減小6.4%;含水率在17%~21%時,含水率每增大1%,c值平均減小13.3%,約是前者的2.1倍,軟化效應成倍增大;3)破壞偏應力.隨著含水率的增大,破壞偏應力(σ1﹣σ3)f值隨之降低,其中圍壓較小(σ3=100 kPa)時,其降低率較顯著,而圍壓較大時則不明顯.根據(jù)摩爾-庫倫條件[5],當把土的內摩擦角φ視為定值時,其偏應力(σ1﹣σ3)f的大小取決于圍壓σ3和粘聚力c,即
(σ1-σ3)f=k1σ3+k2c.
(1)
式中,k1、k2為取決于φ的系數(shù).當φ為定值時,k1、k2為同數(shù)量級常系數(shù).因此c值減小引起(σ1﹣σ3)f的降低率取決于σ3大小,σ3越大,同樣的c減小值引起的(σ1﹣σ3)f的降低率就越小,反之亦然.
表1 各含水率試樣破壞應力及c、φ 值
由圖1可見,試樣的應力~應變曲線形狀呈非線性的加工硬化型,符合鄧肯-張模型的應用條件.為此,擬通過鄧肯-張模型的變形模量來分析含水率對壓縮性影響.
鄧肯-張模型的切線變形模量[6]
(2)
其中Ei為初始切線模量,且
(3)
式中:Rf為破壞應力比,K為無量綱基數(shù),n為無量綱指數(shù),K、n均為試驗常數(shù),Pa為大氣壓力(取101.4 kPa).經(jīng)(σ1-σ3)~ε1試驗數(shù)據(jù)的處理及計算[5-7],可得到鄧肯-張模型參數(shù)Rf、K、n(略).
從圖1同時可見,土樣的應變硬化主要發(fā)生在ε1為0~5%范圍內,為此選取ε1為0、2.5%、5%對應的切線變形模量Ei、Et0.025、Et0.05作為土體壓縮性指標的代表值,不妨統(tǒng)稱為特征變形模量.
為分析含水率對土體壓縮性的影響,考慮工程實際取圍壓σ3=100 kPa,利用已知的模型參數(shù)及試驗數(shù)據(jù),由式(2)、(3)可計算得到各含水率時的特征變形模量,如表2和圖2所示.
表2 σ3=100 kPa時各含水率土的特征變形模量
圖 2 特征變形模量隨含水率變化
由表2及圖2可知,在等壓實度條件下,壓實花崗巖殘積土特征變形模量隨著含水率的增大而減小,其中Ei隨含水率減小較顯著,而Et0.025、Et0.05隨含水率減小不明顯,同時Ei值約是Et0.025值的4~5倍,約是Et0.05值的9~11倍,因此Ei值的變化基本可以代表土中水對土體壓縮性的影響.此外,對Ei而言,含水率在13%~17%時,含水率每增大1%,Ei值平均減小3.52%;含水率在17%~21%時,含水率每增大1%,Ei值平均減小5.72%,是前者的1.63倍.可見隨著含水率的增大,土中水對壓實花崗巖殘積土的軟化效應隨之增大.
綜上研究可知,土中水對壓實花崗巖殘積土具有較顯著的軟化作用,即隨著含水率的增大,土的強度降低、壓縮性增大,具體如下:
1) 等壓實度花崗巖殘積土,土中水對強度的軟化作用主要表現(xiàn)為粘聚力c的顯著減小,而且隨著含水率的增大,其軟化效應成倍放大;而內摩擦角φ受土中水影響相對很小,在含水率增大幅度不太大的情況下,可以忽略不計.
2) 由于內摩擦角φ值變化相對微小,土樣破壞偏應力的大小取決于圍壓σ3和粘聚力c,因此,土中水的軟化效應在破壞偏應力上的體現(xiàn)程度不一,圍壓小較顯著,反之不明顯.在實際工程中,填筑體的圍壓通常在100 kPa以下,因此土中水對破壞偏應力的影響也是比較顯著的.
3) 壓實花崗巖殘積土試樣的應力~應變曲線呈加工硬化型,符合鄧肯-張模型的應用條件,即其壓縮性可以鄧肯-張模型的特征變形模量來體現(xiàn),其中Ei值的變化基本可以代表土中水對其壓縮性的影響.而且同粘聚力c相似,土中水對Ei產(chǎn)生的軟化效應隨含水率的增大呈放大趨勢.
致謝:本研究得到福建省自然科學基金項目、福建農(nóng)林大學創(chuàng)新(培育)團隊建設項目等資助,在此表示感謝.同時感謝福建省現(xiàn)代工程勘察院在鉆探取樣方面的支持與幫助,感謝福建農(nóng)林大學交通與土木工程學院給予本研究的幫助、關心與支持!
[參考文獻]
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