含高液限粘土殘積土干濕循環(huán)條件下強(qiáng)度參數(shù)衰變?cè)囼?yàn)研究

郭 昕， 李鏢飛， 龐永紅

(1.長沙理工大學(xué)， 湖南 長沙 410076； 2.湖南理大交通科技發(fā)展有限公司， 湖南 長沙 410016)

含高液限粘土殘積土干濕循環(huán)條件下強(qiáng)度參數(shù)衰變?cè)囼?yàn)研究

郭 昕1， 李鏢飛1， 龐永紅2

(1.長沙理工大學(xué)， 湖南 長沙 410076； 2.湖南理大交通科技發(fā)展有限公司， 湖南 長沙 410016)

強(qiáng)風(fēng)化邊坡表面厚度較大的殘積土土體的強(qiáng)度參數(shù)在受降水、溫度變化等因素作用下的衰變規(guī)律對(duì)邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算有明顯影響。通過制備大量的剪切試件并在室內(nèi)模擬干濕循環(huán)環(huán)境，探究了所取的含高液限黏土的殘積土試件的強(qiáng)度衰變規(guī)律及其與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，并得到了衰變后穩(wěn)定值，所得結(jié)果為后續(xù)相關(guān)研究提供了數(shù)值參考和計(jì)算依據(jù)。

殘積土； 高液限； 干濕循環(huán)； 強(qiáng)度衰減； 剪切試驗(yàn)

0 引言

高液限黏土含量較大的路塹邊坡體在經(jīng)歷長期的風(fēng)吹日曬構(gòu)成的干濕循環(huán)環(huán)境影響下，其土體強(qiáng)度參數(shù)會(huì)發(fā)生顯著的變化，其穩(wěn)定性計(jì)算及變形判斷會(huì)有一定的變化甚至產(chǎn)生偏差。開展相關(guān)的試驗(yàn)研究可以準(zhǔn)確地探究土體強(qiáng)度參數(shù)的衰變規(guī)律、衰變后的穩(wěn)定數(shù)值，為穩(wěn)定性分析、相關(guān)構(gòu)造物的設(shè)計(jì)分析等提供準(zhǔn)確的數(shù)值參考；同時(shí)，基于干濕循環(huán)模擬試驗(yàn)的研究也為其他類似工程的研究提供了參考。

1 干濕循環(huán)下土體強(qiáng)度參數(shù)衰變?cè)囼?yàn)設(shè)計(jì)

為探究含高液限粘土殘積土在干濕循環(huán)條件下的土體強(qiáng)度參數(shù)(粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ)的衰變情況，對(duì)海南省萬寧市石梅灣旅游公路現(xiàn)場(chǎng)所取典型土樣制備大量的剪切試驗(yàn)試件并在室內(nèi)變化試件含水率來模擬干濕循環(huán)狀態(tài)的方法實(shí)現(xiàn)該目的。

1.1 含水率變化區(qū)間確定

現(xiàn)場(chǎng)取土樣后進(jìn)行土工基本參數(shù)測(cè)定試驗(yàn)，所得各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，將飽和含水率和最低含水率數(shù)值取整，干濕循環(huán)的含水率范圍確定為25%～45%，試驗(yàn)設(shè)計(jì)中即以此作為含水率的變化區(qū)間。

表1 典型高液限粘土基本參數(shù)

1.2 試件制備

1) 標(biāo)準(zhǔn)干濕循環(huán)試樣的制備應(yīng)以測(cè)得的天然含水量為初始含水量，將制作好的試樣放在敞口容器中自然風(fēng)干進(jìn)行脫水，經(jīng)過6～7 d的脫水后，放入水中浸泡至飽和狀態(tài)6～7 d，然后再自然風(fēng)干至初始狀態(tài)。

2) 將土樣烘干至可碾碎，待碾碎后過2 mm土工標(biāo)準(zhǔn)篩，裝入干燥容器備用。

3) 將所取土樣平鋪于不吸水的盤內(nèi)，用噴霧設(shè)備噴灑通過計(jì)算得到的不同含水率下的所應(yīng)加水量，并充分拌和；然后裝入容器內(nèi)密封，浸潤24 h備用。

4) 將密封靜置24 h的土樣裝入環(huán)刀中，裝樣前需均勻攪拌；環(huán)刀兩面修下的土樣測(cè)定其含水率。

1.3 干濕循環(huán)過程模擬

將制備好的環(huán)刀試樣灑水增濕至45%，密封養(yǎng)護(hù)24 h使得試樣內(nèi)外水分均勻分布，以此模擬干濕循環(huán)過程中的濕潤狀態(tài)；將增濕后的試樣烘干減濕使得試樣含水率降低至25 %，以此模擬干濕循環(huán)過程的干燥狀態(tài)，通過一次這樣的增濕-脫濕來模擬軟粘土試樣的一次干濕循環(huán)過程。通過重復(fù)不同次數(shù)的增濕-脫濕過程可模擬不同次數(shù)的干濕循環(huán)。

1.4 試驗(yàn)開展過程

1) 共制備4組試件，分別為普通試組、試組1、試組2、試組3，通過平行試驗(yàn)對(duì)比分析。普通組為測(cè)定不同含水率下的土體抗剪強(qiáng)度，目的是探究抗剪強(qiáng)度參數(shù)值隨含水率變化的規(guī)律，為干濕循環(huán)組提供參考；試組1～3為平行組試驗(yàn)，模擬干濕循環(huán)條件進(jìn)行土體的抗剪強(qiáng)度測(cè)定，目的是探究抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的衰變規(guī)律。

2) 根據(jù)工程實(shí)際和相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程，對(duì)剪切試驗(yàn)中的試樣分別施加50、100、150、200 kPa這4級(jí)荷載，同時(shí)將剪切速度控制在0.8 mm/min以內(nèi)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 普通組試驗(yàn)

普通組試樣含水率分別為25%、29%、33%、37%、41%、45%，不同含水率及荷載下對(duì)應(yīng)直剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度如表2所示。

表2 不同含水率下軟粘土直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 不同含水率下軟粘土強(qiáng)度參數(shù)表

將表2數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可得如表3所示的不同含水率下抗剪強(qiáng)度參數(shù)，繪制不同含水率下的抗剪強(qiáng)度包線圖(如圖1所示)及強(qiáng)度參數(shù)隨含水率變化的衰減曲線圖(如圖2所示)。

由表3及圖1、圖2分析可知：在不同含水率下的各組試樣抗剪強(qiáng)度隨著土體含水率的增加而降低，c、φ值也都隨含水率的增大而減小；含水率增加至飽和含水率后粘聚力c衰減至初始值的18.67%、內(nèi)摩擦角φ衰減至初始值的32.20%，粘聚力受含水率變化影響更大。

圖1 不同含水率下抗剪強(qiáng)度包線

圖2 粘聚力與內(nèi)摩擦角隨含水率變化的衰減曲線

2.2 平行組試驗(yàn)

根據(jù)前文所述，設(shè)置的3組平行組開展不同荷載下進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，通過測(cè)定連續(xù)多次干濕循環(huán)后的剪切強(qiáng)度來進(jìn)行強(qiáng)度衰減規(guī)律分析；根據(jù)文獻(xiàn)所述，至少設(shè)置5次以上干濕循環(huán)試驗(yàn)，本文共設(shè)置了7次，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果如表4～表6所示。

上述3組平行試件試驗(yàn)所得到2個(gè)強(qiáng)度參數(shù)的衰減系數(shù)匯總可得表7。

表4 軟粘土試組1強(qiáng)度參數(shù)分析表

表5 軟粘土試組2強(qiáng)度參數(shù)分析表

表6 軟粘土試組3干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果匯總表

表7 軟粘土3組試件得到的衰減系數(shù)匯總表

由表7數(shù)據(jù)可知： 在干濕循環(huán)條件下相同土質(zhì)的試件受干濕循環(huán)影響的衰減幅度基本一致，3組試件衰減幅度極為接近；所得數(shù)據(jù)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，將衰減系數(shù)取平均值，可得軟粘土的粘聚力與內(nèi)摩擦角在干濕循環(huán)效應(yīng)下的穩(wěn)定值分別為： 25.35 kPa、18.57°。

為了更精確地分析粘聚力和內(nèi)摩擦角與干濕循環(huán)次數(shù)的衰減關(guān)系，對(duì)粘聚力和內(nèi)摩擦角每次干濕循環(huán)條件下的衰減量和衰減比重分析，可得圖3、圖4。

圖3 粘聚力與內(nèi)摩擦角隨著干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律圖

圖4 粘聚力與內(nèi)摩擦角衰減幅度變化曲線

由圖3、圖4可知: 當(dāng)進(jìn)行的干濕循環(huán)次數(shù)增加時(shí)，粘聚力和內(nèi)摩擦角逐漸減小且前4次干濕循環(huán)過程對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的衰減影響較大，而后衰減幅度逐漸變小，并逐步趨于定值。圖4顯示，前2次干濕循環(huán)作用對(duì)強(qiáng)度衰減的影響幅度尤其大。

假定粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨著循環(huán)次數(shù)n的變化其變化是連續(xù)的，則依據(jù)表4中的數(shù)據(jù)繪出軟粘土強(qiáng)度參數(shù)累計(jì)衰減比重倒數(shù)的自然對(duì)數(shù)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線(如圖5、圖6所示)，基于此曲線進(jìn)行反S型擬合，得到粘聚力和內(nèi)摩擦角在干濕循環(huán)作用下的衰減軟化公式，結(jié)果如式(1)、式(2)所示。

圖5 粘聚力 — 干濕循環(huán)次數(shù)的衰減擬合曲線

圖6 內(nèi)摩擦角 — 干濕循環(huán)次數(shù)的衰減擬合

R2=0.952,c0=55.23

(1)

R2=0.919,φ0=26.75

(2)

式中：cn為經(jīng)過第n次干濕循環(huán)后的粘聚力；c0為初始粘聚力；φn為經(jīng)過第n次干濕循環(huán)后的內(nèi)摩擦角；φ0為初始內(nèi)摩擦角；R為相關(guān)系數(shù)。

為得到干濕循環(huán)作用次數(shù)對(duì)土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)с、φ衰減的影響程度，將上述兩式寫成函數(shù)形式，得到：

(3)

(4)

根據(jù)式(3)、式(4)繪制得到如圖7所示干濕循環(huán)次數(shù)與函數(shù)f(n)的關(guān)系曲線。

圖7 函數(shù)f(n)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

由圖7可知： 干濕循環(huán)條件下該軟粘土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)粘聚力с與內(nèi)摩擦角φ衰減規(guī)律曲線一致，干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的軟化影響具體表現(xiàn)為：粘聚力с>內(nèi)摩擦角φ，即經(jīng)過多次干濕循環(huán)作用，粘聚力衰減程度相比內(nèi)摩擦角更大。

3 結(jié)論

通過對(duì)工點(diǎn)所取土體進(jìn)行剪切試驗(yàn)，并室內(nèi)模擬了其干濕循環(huán)條件下的變化規(guī)律，可得以下結(jié)論：

1) 在不同含水率下的各組試樣抗剪強(qiáng)度隨著土體含水率的增加而降低、粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ也都隨含水率的增大而減小；含水率增加至飽和含水率后粘聚力c衰減至初始值的18.67%、內(nèi)摩擦角φ衰減至初始值的32.20%，粘聚力受含水率變化影響更大。

2) 本次試驗(yàn)中所用軟粘土的粘聚力與內(nèi)摩角在干濕循環(huán)效應(yīng)下的穩(wěn)定值分別為：25.35 kPa、18.56°。

3) 隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，粘聚力和內(nèi)摩擦角逐漸減小且前4次干濕循環(huán)過程對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的衰減影響較大，而后衰減幅度逐漸變小，并逐步趨于定值，前2次干濕循環(huán)作用對(duì)強(qiáng)度衰減的影響幅度尤其大。

4) 可得粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ隨著循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系式分別為：

且干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的軟化影響具體表現(xiàn)為：粘聚力с>內(nèi)摩擦角φ，即經(jīng)過多次干濕循環(huán)作用，粘聚力衰減程度相比內(nèi)摩擦角更大。

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2017-05-09

郭 昕(1988-)，男，研究方向： 路基工程。

1008-844X(2017)02-0051-05

U 412.22+1

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