甘肅黑方臺黃土壓縮試驗研究

王 瀟， 楊 博， 谷天峰*， 延 愷

(1.西北大學 地質(zhì)學系 大陸動力學國家重點實驗室， 陜西 西安 710069； 2.陜西新泰能源有限公司， 陜西 咸陽 712000)

上述這些研究均是以重塑土本構(gòu)模型為基礎(chǔ)，通過引入描述結(jié)構(gòu)性的參數(shù)建立結(jié)構(gòu)性土本構(gòu)模型。本文用取自甘肅黑方臺的原狀結(jié)構(gòu)性黃土以及將其碾碎后重新制備的重塑樣進行限制側(cè)向變形的室內(nèi)壓縮試驗，對比分析不同荷載下各含水率試樣的e-lgp曲線，采用雙對數(shù)坐標法確定試樣的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，參考劉恩龍等人[11]總結(jié)出的結(jié)構(gòu)性土壓縮特性的數(shù)學模型將試驗結(jié)果進行擬合分析，并將試驗結(jié)果與模型模擬結(jié)果進行對比。

1 研究區(qū)概況及試驗方案

1.1 研究區(qū)概況

圖1 黑方臺地形圖

黑方臺位于甘肅省永靖縣，距蘭州市約40 km，處于黃河與湟水河交會處的西南部位。黑方臺面積約15 km2，北部由磨石溝將其與北部山體分隔開，沿東西向由虎狼溝將其分為黑臺和方臺兩部分，如圖1所示。黑臺較方臺大，滑坡災害較方臺嚴重得多，是滑坡研究的主體部分。黑臺面積約12 km2，自黑方臺建成人工提灌工程以來，長期采用粗放式的大水漫灌灌溉方式，灌溉水大量下滲，臺緣上陸續(xù)出現(xiàn)了落水洞、裂縫等現(xiàn)象，進而導致臺緣不斷有各種規(guī)模的滑坡發(fā)生。沿臺邊緣分布有新老滑坡幾十處，以焦家崖最為集中，構(gòu)成了大型臺緣滑坡群，危害嚴重。

1.2 試驗樣品及基本物理指標

試樣取自甘肅黑方臺焦家崖，取樣深度為3 m。取樣后采用塑料薄膜密封，防止水分散失，并在其周圍鋪設(shè)麥草，裝箱，防止運輸過程中振動對土樣產(chǎn)生影響，取得未擾動土樣。對所取土樣進行物理試驗，得到其性質(zhì)指標見表1。

表1 試驗土樣的物理性質(zhì)指標

采用激光粒度分析儀對所取黃土的粒度進行分析，粒度曲線見圖2，可以看出，黑方臺黃土的粒度主要集中在10～50 μm之間。利用軸平移法側(cè)定了試樣的土水特征曲線，并使用Van Genuchten模型和Fredlund & Xing模型對測定結(jié)果進行了擬合，結(jié)果如圖3所示。

圖2 粒度分布曲線 圖3 土水特征曲線

1.3 試驗方法

本文制備了含水率分別為5%、10%、15%、20%、25%的原狀試樣進行側(cè)限壓縮試驗，試樣面積為30 cm2，高2 cm，試驗在GZQ-1型全自動氣壓固結(jié)儀上進行。試驗時依次往水槽內(nèi)(本次由于是非飽和土的壓縮試驗，所以水槽內(nèi)并不加水)放入上透水石、濾紙、制備好的環(huán)刀土樣、濾紙、透水石，加壓蓋，透水石和濾紙的濕度要與土樣濕度接近。裝好樣后打開空壓機，儀器在進行自動自重校正后開始施加荷載，施加壓力等級分別為12.5、25、50、100、200、400、800、1600、3200 kPa。當施加各級壓力后每小時變形不超過0.01 mm時視被測定試樣達到穩(wěn)定。

2 結(jié)果分析

2.1 側(cè)限壓縮試驗結(jié)果分析

對不同含水率試樣試驗結(jié)果處理后得到各含水率試樣在不同荷載下的土空隙比與有效壓力對數(shù)值關(guān)系(e-lgp)曲線如圖4所示。

圖4 不同含水率試樣壓縮e-lgp曲線

分析試驗結(jié)果可知，隨著試樣含水率的增加，其對應(yīng)的e-lgp曲線呈依次降低的趨勢。當試樣含水率為5%、10%和15%時對比e-lgp曲線，可以看出3條曲線每次降低的程度都比較接近；然而當含水率超過15%時，可以看到含水率為15%與20%試樣間的e-lgp曲線間具有較大的空隙，這說明當試樣含水率超過15%時其結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變形，強度快速降低，因而壓縮量增大。單獨分析各含水率試樣的e-lgp曲線，發(fā)現(xiàn)試樣的孔隙比隨著豎向荷載的增大而減小，并且存在明顯的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力。對比不同含水率的e-lgp曲線可知每條曲線都存在結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，尤其是含水率低于15%時結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力更加明顯。當上覆壓應(yīng)力低于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時，結(jié)構(gòu)性土壓縮曲線較為平緩；當上覆壓應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時壓縮性顯著增大，曲線出現(xiàn)陡降；根據(jù)二元介質(zhì)模型理論，構(gòu)性土二元介質(zhì)模型將膠結(jié)元看成理想彈脆性材料，摩擦元看成硬化型彈塑性材料。并聯(lián)的彈脆性元和彈塑性元代表二元介質(zhì)模型，加載過程中膠結(jié)元逐漸破損轉(zhuǎn)化為摩擦元，二者共同承擔外部荷載。彈脆性元在較小的豎向荷載條件下發(fā)揮作用，隨著豎向荷載增大，結(jié)構(gòu)性土顆粒之間的膠結(jié)逐漸破損，彈脆性元也就逐漸破損并轉(zhuǎn)化為彈塑性元[12-14]。

圖5 各含水率雙對數(shù)坐標下結(jié)構(gòu)性土的側(cè)限壓縮曲線

含水率/%510152025σ'vy/kPa9984674940

2.2 側(cè)限壓縮結(jié)果擬合

(1)

(2)

式中Δe為同一平均有效應(yīng)力p′下結(jié)構(gòu)性土和重塑土的孔隙比之差；eEP為參照狀態(tài)彈塑性元的孔隙比。

(3)

式中B為材料參數(shù)。

(4)

對式(3)兩邊取對數(shù)后將式(4)代入便可以求出B值。為降低誤差，在數(shù)據(jù)擬合時對壓縮曲線靠近D點處取多個點，對計算出來的B值取平均得到如下關(guān)系式：

(5)

對于側(cè)限壓縮受力狀態(tài)，近似取平均有效應(yīng)力p′為豎向有效應(yīng)力σ′，在室內(nèi)完成壓縮試驗可以直接得到eEP。

圖6 原始狀態(tài)試樣試驗結(jié)果和模擬結(jié)果

(6)

對黑方臺原狀結(jié)構(gòu)性黃土的側(cè)限壓縮試驗進行驗證，將黑方臺原狀土碾碎后制成環(huán)刀重塑樣，通過式(5)算出試樣在原始狀態(tài)(含水率為5%)時的B值為0.011 3。圖6為原始含水率試樣模擬結(jié)果。

可以看出，該模型較好地擬合出了天然含水率時黑方臺原狀黃土的壓縮變形。由于原狀黃土的結(jié)構(gòu)性對其壓縮性有著重要的影響，因而在工程實踐當中也是地基沉降非常重要的影響因素，本文通過試驗獲得相關(guān)模型參數(shù)，得到了較好的試驗擬合結(jié)果，對于結(jié)構(gòu)性黃土的沉降計算具有一定的理論意義。

3 結(jié) 論

(1)對比不同含水率試樣在e-lgp曲線，可以看到

試樣含水率為15%與試樣含水率為20%對應(yīng)的e-lgp曲線間具有較大空隙，說明含水率為15%～20%是試樣結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形的臨界值，超過這個值后其結(jié)構(gòu)會發(fā)生較大變形，強度快速降低，使得壓縮量增大。

(2)分析各含水率對應(yīng)的e-lgp曲線可知，每條曲線都存在結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，尤其是含水率低于15%時結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力更加明顯。但隨著含水率增高，其結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力值會不斷降低。當上覆壓應(yīng)力低于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時，試樣壓縮曲線較為平緩；當上覆壓應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時壓縮性顯著增強，曲線出現(xiàn)陡降。

(3)本文參考聶青等人[18]提出的結(jié)構(gòu)性土壓縮特性數(shù)學模型將黑方臺原狀黃土壓縮試驗結(jié)果進行了擬合分析，確定了天然狀態(tài)下黑方臺原狀黃土的材料參數(shù)B值，得到了較好的擬合結(jié)果。由于原狀黃土的結(jié)構(gòu)性對其壓縮性有著重要的影響，因而該方法對于結(jié)構(gòu)性黃土的承載力及沉降計算具有一定的理論意義。

[參考文獻]

[1] 藺曉燕，李同錄，趙紀飛，等.甘肅黑方臺黃土固結(jié)-滲透特性試驗研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2014，41(1)：41-47.

[2] 沈珠江.土體結(jié)構(gòu)性的數(shù)學模型——21世紀土力學的核心問題[J].巖土工程學報，1996，18(1)：95-97.

[3] 胡再強，沈珠江，謝定義.結(jié)構(gòu)性黃土的本構(gòu)模型[J].巖石力學與工程學報，2005，24(4)：565-569.

[4] MITCHELL J K.Fundamentals of Soil Behavior[M].2nd Ed.New York：Wiley，1993.

[5] MITCHELL J K.Shearing Resistance of Soil as a Rate Process[J].Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division，1964，90(1)：29-61.

[6] LAMBE T W.The Engineering Behavior of Compacted Clay[J].Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division，1958，84(2)：1-35.

[7] SEED H B，CHAN C K.Structure and Strength Characteristics of Compacted Clays[J].Journal of the Soil Mechanics and Foundation Division，1959，85(5)：87-128.

[8] CHAI J C，MIURA N，ZHU H H，et al.Compression and consolidation characteristics of structured natural clay[J].Canadian Geotechnical Journal，2004，41(6)：1250-1258.

[9] LIU M D，CARTER J P.Virgin compression of structured soils[J].Géotechnique，1999，49(1)：43-57.

[10] LIU M D，CARTER J P.A structured cam clay model[J].Canadian Geotechnical Journal，2002，39(6)：1313-1332.

[11] 劉恩龍，沈珠江.結(jié)構(gòu)性土壓縮曲線的數(shù)學模擬[J].巖土力學，2006，27(4)：615-620.

[12] 沈珠江.巖土破損力學與雙重介質(zhì)模型[J].水利水運工程學報，2002(4)：1-6.

[13] 沈珠江.巖土破損力學：理想脆彈塑性模型[J].巖土工程學報，2003，25(3)：253-257.

[14] 侯豐，陳亞軍，劉恩龍.結(jié)構(gòu)性土二元介質(zhì)模型的有限元模擬[J].四川大學學報(工程科學版)，2016，48(1)：80-87.

[15] 王國欣，肖樹芳，周旺高.原狀結(jié)構(gòu)性土先期固結(jié)壓力及結(jié)構(gòu)強度的確定[J].巖土工程學報，2003，25(2)：249-251.

[16] BUTTERFIELD R.A natural compression law for soils(an advance one-lgp′)[J].Géotechnique，1979，29(4)：469-480.

[17] 殷杰.土結(jié)構(gòu)性對天然軟黏土壓縮特性的影響[J].巖土力學，2012，33(1)：48-52.

[18] 聶青，魏巍，羅開泰，等.初始應(yīng)力各向異性結(jié)構(gòu)性土的側(cè)限壓縮特性及數(shù)學模擬[J].巖土工程學報，2013，35(增2)：774-778.