土工布包裹對(duì)粗粒料三軸試驗(yàn)的影響研究

夏家南，梁 彬，湯書(shū)明，朱俊高

(1. 河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098； 2. 中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 210005； 3. 上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，上海 200032)

近年來(lái)粗粒料被廣泛應(yīng)用于土石壩、鐵路和公路路基、橋梁墩臺(tái)、軟基處理和高填方等工程，尤其在土石壩中粗粒料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自20世紀(jì)50年代后期以來(lái)，世界各國(guó)采用堆石料的高土石壩占比達(dá)70%～80%，并且還有繼續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)[1-3]。粗粒料作為主要的填筑材料用量巨大，它的力學(xué)性質(zhì)對(duì)工程安全和正常使用起到關(guān)鍵性作用，因此，針對(duì)粗粒料的研究越來(lái)越多[4]。為了得到粗粒料的力學(xué)性質(zhì)需對(duì)其進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)，但是粗粒料的試樣表面凹凸不平且布滿了棱邊和尖角，即使是特制的厚橡皮膜也會(huì)在中等壓力下被刺穿而發(fā)生漏水，所以必須采取一定的措施消除這種不利影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橡皮膜的刺穿問(wèn)題有了一定的研究，并在試驗(yàn)中采取了相應(yīng)的措施。例如，孔德志等[5]在試驗(yàn)中采用了兩層厚度分別為0.8和2.0 mm的橡皮膜，并在兩層橡皮膜之間加設(shè)了3 mm厚的橡皮板；張啟岳[6]在試驗(yàn)中采用了特制的粘附有正六角塊的內(nèi)襯膜，以及外套防漏膜；孔祥臣[7]在試驗(yàn)中采用兩層1.5 mm厚的橡皮膜，并且在里層襯上由5塊約4 mm厚的活動(dòng)膠板；司洪洋[8]提出在內(nèi)膜和外膜之間填砂的組合結(jié)構(gòu)；國(guó)外的學(xué)者采用了在膜與試樣間放入小塊薄銅片、硅橡膠等方法[9-10]。

本文采用在試樣表面包裹土工布的方法來(lái)保護(hù)橡皮膜，但是土工布的包裹對(duì)試樣的徑向變形有約束作用，從而影響到試樣的變形和強(qiáng)度。因此，進(jìn)行了包裹土工布和未包裹土工布的常規(guī)三軸固結(jié)排水對(duì)比試驗(yàn)，分析研究土工布對(duì)試樣強(qiáng)度和變形的影響程度。

表1壩殼粗粒料原級(jí)配及縮尺級(jí)配

Tab.1 Original and scale gradation of coarse-grained materials of dam shell

粒組/mm原級(jí)配/%縮尺級(jí)配/%60～4018.4040～2027.2020～1021.346.210～517.738.4<515.415.4

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)采用云南糯扎渡土石壩的壩殼粗粒料，該材料為正長(zhǎng)石花崗巖，巖性新鮮和微風(fēng)化，粒度均勻，棱角尖銳，其原級(jí)配如表1所示。由于試樣直徑為101 mm，《土工試驗(yàn)規(guī)程》[11]規(guī)定最大允許粒徑為20 mm，因此必須對(duì)原級(jí)配進(jìn)行縮尺。試驗(yàn)采用等量替代法進(jìn)行縮尺，縮尺后級(jí)配如表1所示。

1.2 土工布特性

試驗(yàn)采用無(wú)紡?fù)凉げ?。無(wú)紡?fù)凉げ际峭凉ず铣刹牧系囊环N，其物理力學(xué)特性如表2所示。

表2 土工布物理力學(xué)特性Tab.2 Physical and mechanical properties of geotextiles

1.3 試驗(yàn)方案

試樣直徑為101 mm，高度為200 mm。制樣時(shí)土層分5層擊實(shí)，控制干密度ρd為1.90 g/cm3。進(jìn)行包裹土工布的中型三軸試驗(yàn)時(shí)，制樣過(guò)程中還需要將土工布(寬21 cm，長(zhǎng)35～37 cm)卷成圈后放入對(duì)開(kāi)膜內(nèi)，并使其平整貼于對(duì)開(kāi)膜內(nèi)壁。

制樣完成后對(duì)試樣進(jìn)行飽和固結(jié)。將壓力室灌滿水并密封，向壓力室施加20 kPa的圍壓，使厚橡皮膜與標(biāo)準(zhǔn)橡皮膜及土工布貼緊。然后提高與試樣底部相連的進(jìn)水管水頭，使進(jìn)水管與排水管的水頭差在l m左右。打開(kāi)進(jìn)水管與排水管閥門(mén)，使水在水頭差的作用下從底部進(jìn)入試樣，從試樣的頂部流出，排除試樣內(nèi)的空氣，直到流入水量與流出水量相等，可以認(rèn)為試樣已經(jīng)飽和。試樣飽和后關(guān)閉進(jìn)水管閥門(mén)，對(duì)其施加要求的圍壓，待排水管讀數(shù)穩(wěn)定后即認(rèn)為固結(jié)完成。

由于不加土工布的三軸試驗(yàn)橡皮膜易刺破，因此對(duì)比試驗(yàn)只能在相對(duì)較低圍壓下進(jìn)行，故分別進(jìn)行圍壓為50，100，150，200，300和400 kPa的常規(guī)三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，高圍壓下土工布對(duì)試樣強(qiáng)度特性和變形特性的影響可由低圍壓下的規(guī)律類比得出。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 強(qiáng)度特性分析

表3圍壓與峰值強(qiáng)度的關(guān)系

Tab.3 Relationships between confining pressure and peak strength

圍壓/kPa峰值強(qiáng)度/kPa無(wú)土工布有土工布峰值強(qiáng)度差/kPa峰值強(qiáng)度增加率/%50442.0713.4271.461.4100738.7951.4212.728.8150999.61 168.1168.516.92001 231.21 373.0141.811.53001 699.31 778.779.44.74002 042.82 130.787.94.3注:峰值強(qiáng)度增加率=峰值強(qiáng)度差/無(wú)土工布的峰值強(qiáng)度×100%。

2.1.1峰值強(qiáng)度 圖1給出了包裹土工布與未包裹試樣的應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比曲線。由圖1可見(jiàn)，在相同圍壓下，包裹土工布試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線位于未包裹土工布試樣曲線的上方，說(shuō)明包裹土工布提高了試樣強(qiáng)度。因此，在實(shí)際工程中，施加相同的σ1-σ3，包裹土工布條件下產(chǎn)生的軸向應(yīng)變?chǔ)?比未包裹土工布條件下的要小。

表3總結(jié)了各圍壓下包裹土工布與未包裹土工布試樣的峰值強(qiáng)度，即(σ1-σ3)f。當(dāng)圍壓為50 kPa時(shí)，包裹土工布試樣的峰值強(qiáng)度比未包裹時(shí)提高了61.4%，但是隨著圍壓的增加，兩組試樣之間的峰值強(qiáng)度差值顯著減小，且差值所占的比例也快速減??；在圍壓為400 kPa時(shí)，峰值強(qiáng)度僅僅相差4.3%。根據(jù)這一趨勢(shì)，繪制了峰值強(qiáng)度增加值與圍壓之間的散點(diǎn)圖，發(fā)現(xiàn)兩者之間的關(guān)系可以利用冪函數(shù)進(jìn)行擬合(見(jiàn)圖2)，相關(guān)系數(shù)R2=0.982。由此可以推測(cè)，當(dāng)圍壓更高時(shí)，可認(rèn)為兩組試樣的峰值強(qiáng)度相等，即土工布對(duì)于峰值強(qiáng)度的影響可以忽略。

圖1 (σ1-σ3)-ε1關(guān)系對(duì)比曲線Fig.1 Relationship curves of (σ1-σ3)-ε1

圖2 峰值強(qiáng)度增加率與圍壓的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between increase rates of peak strength and confining pressure

Tab.4 Comparison between strength indexes with or without geotextile

試樣線性非線性c/kPaφ/°φo/°Δφ/°加土工布128.541.655.615.1無(wú)土工布70.643.451.99.6

2.1.2強(qiáng)度指標(biāo) 通過(guò)表3中的圍壓及峰值強(qiáng)度，計(jì)算得到包裹土工布與未包裹土工布試樣的強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表4。從表4可以看出，線性情況下，包裹土工布試樣的黏聚力c是未包裹土工布試樣的1.8倍，而內(nèi)摩擦角φ則減小了1.8°；非線性情況下，包裹土工布試樣的φ0是未包裹土工布試樣的1.07倍，Δφ增加了5.5°。

綜上所述，土工布對(duì)不同圍壓下試樣的峰值強(qiáng)度及土體強(qiáng)度指標(biāo)都有不同程度的提高。其原因在于，當(dāng)試樣發(fā)生側(cè)向變形時(shí)，包裹在試樣表面的土工布會(huì)被拉伸，從而產(chǎn)生限制試樣變形的應(yīng)力，本質(zhì)上等同于對(duì)試樣施加了附加圍壓。當(dāng)試驗(yàn)圍壓較小時(shí)，附加圍壓所占的比例較大，因而能顯著提高峰值強(qiáng)度；當(dāng)試驗(yàn)圍壓逐漸加大時(shí)，附加圍壓所占比例逐漸減小，對(duì)峰值強(qiáng)度的提高效果也顯著降低直至可以忽略。針對(duì)本文的粗粒料和土工布，是否包裹土工布的界限圍壓可以確定為400 kPa(400 kPa及以下時(shí)不需包裹土工布)，因?yàn)榇藭r(shí)峰值強(qiáng)度差僅為4.3%，且無(wú)土工布時(shí)橡皮膜也不會(huì)被刺破。

2.2 變形特性分析

2.2.1體積變形 圖3給出了包裹土工布與未包裹土工布試樣的εv-ε1對(duì)比曲線。由圖3可見(jiàn)，隨著軸向應(yīng)變?chǔ)?的增加，試樣的體積應(yīng)變?chǔ)舦從剪縮向剪脹發(fā)展。在相同圍壓下，包裹土工布試樣的εv-ε1關(guān)系曲線位于未包裹土工布試樣曲線的下方，說(shuō)明包裹土工布提高了試樣的剪脹性，即產(chǎn)生相同的軸向應(yīng)變?chǔ)臿，包裹土工布條件下產(chǎn)生的體積應(yīng)變比未包裹土工布條件下的大。

表5總結(jié)了各圍壓下包裹與未包裹土工布試樣在軸向應(yīng)變?chǔ)?達(dá)到15%時(shí)的體積應(yīng)變。由表5可見(jiàn)，圍壓為50 kPa時(shí)，試樣產(chǎn)生的體積應(yīng)變較大，包裹土工布試樣的體積應(yīng)變比未包裹土工布試樣的體積應(yīng)變?cè)跀?shù)值上提高了16.25%，但是隨著體積應(yīng)變數(shù)值的減小，體變變化率顯著增加；在圍壓為400 kPa時(shí)，試樣產(chǎn)生的體積應(yīng)變較小，體變變化率達(dá)到了122.53%。但是，體積應(yīng)變差在此過(guò)程中變化較小，在不同圍壓下基本維持在1%(體積應(yīng)變差的平均值)。

圖3 εv-ε1關(guān)系對(duì)比曲線Fig.3 Relationship curves of εv-ε1

圍壓/kPa體積應(yīng)變/%無(wú)土工布有土工布體積應(yīng)變差/%體變變化率/%圍壓/kPa體積應(yīng)變/%無(wú)土工布有土工布體積應(yīng)變差/%體變變化率/%50-7.93-9.241.3116.52200-4.04-5.211.1728.96100-7.48-8.350.8711.64300-2.52-3.400.8834.92150-5.50-6.410.9116.55400-0.71-1.580.87122.53注:體變變化率=體積應(yīng)變差/無(wú)土工布的體積應(yīng)變×100%。

2.2.2側(cè)向變形 圖4給出了包裹土工布與未包裹土工布試樣的ε3-ε1對(duì)比曲線，由圖4可見(jiàn)，包裹土工布與未包裹土工布試驗(yàn)得到的ε3-ε1曲線都具有以下特征：側(cè)向應(yīng)變?chǔ)?都是負(fù)值，即側(cè)向都發(fā)生膨脹。在相同圍壓下，包裹土工布試樣的ε3-ε1曲線位于未包裹土工布試樣曲線的下方，這說(shuō)明在相同的ε1下，包裹土工布條件下的側(cè)向膨脹量比未包裹土工布條件下的大。

表6總結(jié)了各圍壓下包裹與未包裹土工布試樣軸向應(yīng)變?chǔ)?達(dá)到15%時(shí)的側(cè)向應(yīng)變。由表6 可見(jiàn)，包裹土工布試樣與未包裹土工布試樣的側(cè)向應(yīng)變差以及側(cè)變變化率隨著圍壓的變化，沒(méi)有發(fā)生顯著改變，分別維持在0.5%(側(cè)向應(yīng)變差平均值)和5.17%(側(cè)變變化率平均值)。

圖4 ε3-ε1關(guān)系對(duì)比曲線Fig.4 Relationship curves of ε3-ε1

綜上所述，土工布致使試樣的體積膨脹和側(cè)向膨脹都有一定程度的增加，且增加的量受圍壓的影響較小。理論上講，土工布增加了對(duì)試樣變形的約束，體積膨脹變形、側(cè)向膨脹變形都應(yīng)該減小，包裹土工布試驗(yàn)的εv-ε1關(guān)系、ε3-ε1曲線都應(yīng)在未包裹土工布試驗(yàn)的相應(yīng)曲線的上方，但本試驗(yàn)得出的結(jié)果恰恰相反，袁鐵柱[12]也得出了與本試驗(yàn)相同的結(jié)果。筆者分析認(rèn)為，土工布的增加，只是包裹試樣一周，并沒(méi)有縫合，提供的側(cè)向約束有限；但是，土工布阻擋了橡皮膜向土顆粒間嵌入，即減小了橡皮膜的嵌入量，使得測(cè)得試樣排出水的體積減小，即體積應(yīng)變?chǔ)舦在數(shù)值上是減小的，而側(cè)向應(yīng)變?chǔ)?是通過(guò)ε3=(εv-ε1)/2換算得到的，所以ε3在數(shù)值上也是減小的。

表6 圍壓與側(cè)向應(yīng)變(ε1=15%)的關(guān)系Tab.6 Relationships between confining pressure and lateral strain (ε1=15%)

3 結(jié) 語(yǔ)

用中型三軸儀對(duì)包裹土工布與未包裹土工布的粗粒料試樣進(jìn)行了常規(guī)三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，研究了土工布對(duì)其強(qiáng)度特性和變形特性的影響，得到如下結(jié)論：

(1)三軸試樣包裹土工布后，對(duì)試樣的強(qiáng)度影響較大，低圍壓下的影響不可忽略；試樣包裹土工布對(duì)其體積變形也有顯著影響。

(2)對(duì)于相同的σ3，包裹土工布的試樣的(σ1-σ3)-ε1關(guān)系曲線位于未包裹土工布試樣曲線的上方，包裹土工布提高了試樣強(qiáng)度。

(3)包裹土工布與未包裹土工布試樣的峰值強(qiáng)度差在低圍壓下較大，但隨圍壓的增加呈冪函數(shù)形式減小，直至接近于0。

(4)線性情況下，包裹土工布試樣的黏聚力c是未包裹土工布試樣的1.8倍，而內(nèi)摩擦角φ則減小了1.8°；非線性情況下，包裹土工布試樣的φ0是未包裹土工布試樣的1.07倍，Δφ增加了5.5°。

(5)對(duì)于相同的σ3，包裹土工布試樣的εv-ε1，ε3-ε1關(guān)系曲線位于未包裹土工布試樣曲線的下方，包裹土工布限制了橡皮膜的嵌入。

(6)包裹土工布與未包裹土工布試樣的體積應(yīng)變差和側(cè)向應(yīng)變差受圍壓變化的影響較小。