含礫黏性土力學(xué)特性分析

韓 磊,曹 鵬,喻豪俊,劉恩龍

(1.國家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心,重慶400000;2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院,四川成都610065)

大多數(shù)滑坡在滑動體與滑床之間存在一個結(jié)構(gòu)被擾動、破壞的滑動帶。滑坡的發(fā)生與滑帶土的強度特征和滑動面上的應(yīng)力狀態(tài)息息相關(guān)[1]。不同排水條件下滑帶土的力學(xué)性質(zhì)和變形特性對邊坡的穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用。

目前國內(nèi)外已有很多學(xué)者對滑帶土的強度及其特性進(jìn)行了研究[2-6]。但是針對不同地區(qū),不同地質(zhì)條件下的滑帶土,其成因、物質(zhì)組成也不盡相同,使得其物理力學(xué)性質(zhì)有很大的差異。對于四川山區(qū)而言,地貌條件主要為覆蓋層下伏基巖。汶川地震后的調(diào)查表明,地震動引起山體層間錯動帶中巖體的碎裂化,加速了滑帶的形成并誘發(fā)滑坡[7]?；碌陌l(fā)生反過來進(jìn)一步加劇了巖體的碎裂化程度。并且通過探井和鉆孔也發(fā)現(xiàn),覆蓋層下伏基巖的黏性土滑坡滑動帶上的物質(zhì)組成為黏土夾雜礫石[8]。其中黏粒含量超過30%～40%。

因此,針對于這種顆粒粗細(xì)相差懸殊、級配分布廣,土粒中夾雜礫石的含礫黏土逐漸得到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。其中費康等[9-10]針對不同礫粒含量的含礫黏土的壓實及強度特性進(jìn)行了試驗研究。認(rèn)為級配、礫粒含量的不同對含礫黏土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征有著重要影響,具體可分為“懸浮-密實結(jié)構(gòu)”、“密實-骨架結(jié)構(gòu)”和“骨架-空隙結(jié)構(gòu)”。這些結(jié)構(gòu)特征的不同在很大程度上影響了其強度特性。聞瑋[11]在對不同含礫量的摻礫黏土固結(jié)不排水三軸剪切試驗的基礎(chǔ)上,對摻礫黏土進(jìn)行了數(shù)值模擬,得出在含礫量為20%時,礫粒在土中呈懸浮狀態(tài);當(dāng)含礫量為40%、60%時,礫粒的空間分布緊密,礫粒之間的土體較其它黏土更為密實,這有助于力的傳遞,與礫粒共同形成傳力骨架。Kyambadde[12]也認(rèn)為含礫黏土中粗粒料的含量在一定程度上影響了其不排水抗剪強度。Wang[13]針對礫石含量為30%～70%的含礫黏土進(jìn)行了不同圍壓下的三軸壓縮試驗,顯示隨著礫石含量的增加,含礫黏土的內(nèi)摩擦角和粘聚力也隨之增大,并且當(dāng)?shù)[石含量小于50%時,土體的剪切強度主要受黏土和礫石共同控制;隨著礫石含量的增大,土體的剪切強度主要受礫石控制。

以上研究中對于含礫黏土組成的混合體的力學(xué)性質(zhì)在不同排水條件下的研究仍相對較少,并且作為散粒體結(jié)構(gòu)的粗細(xì)粒混合土,大多是一部分顆粒相對另一部分顆粒沿某一分界面產(chǎn)生滑移而造成的失穩(wěn),即產(chǎn)生壓剪破壞。因此,有必要對含礫黏土在固結(jié)排水和固結(jié)不排水條件下的抗剪強度特性進(jìn)行研究,掌握其應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律和不同的細(xì)粒含量(或礫石含量)對土體的力學(xué)性質(zhì)的影響,對其機理進(jìn)行理論分析并做出合理解釋。

1 試驗內(nèi)容

按照《土工試驗規(guī)程》[14],進(jìn)行三軸試驗與等向壓縮試驗,主要進(jìn)行細(xì)粒土(粒徑<0.5 mm,Gs=2.68)與粗粒土(礫石,粒徑5～20 mm,ρ=2.76 g/cm3)不同配比的滑帶土三軸試驗(Φ101 mm×200 mm),配比按照細(xì)粒含量質(zhì)量百分?jǐn)?shù)分組,分別為:100%、80%、60%和40%。相同配比進(jìn)行4組等向壓縮試驗,壓縮過程中進(jìn)行了加載-卸載-再加載,最大固結(jié)壓力達(dá)到360 kPa。試驗內(nèi)容見表1。

表1 試驗內(nèi)容一覽表Tab.1 Summary of test

2 三軸試驗結(jié)果與分析

1) CD試驗

將同種土料不同圍壓下的偏應(yīng)力(σ1-σ3)及體應(yīng)變εv與軸向應(yīng)變εd關(guān)系曲線圖,及試驗試樣破壞型式一并列出,分別見圖1和圖2。

圖1 滑帶土CD試驗結(jié)果Fig.1 CD tests results of slip soils

圖2 CD試驗破壞型式Fig.2 Failure types of CD tests

圖1(a)顯示,100%細(xì)粒含量試樣在CD試驗中,隨著圍壓的增大,試樣的偏應(yīng)力與體變都不斷增大。在50 kPa圍壓下,偏應(yīng)力達(dá)到峰值后接近于塑性流動發(fā)展,而在相對較高的圍壓下,試樣呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特性,圍壓越高硬化特性越明顯。在2%軸向應(yīng)變之前,試樣的體變相差不明顯;軸向應(yīng)變超過2%之后,低圍壓下體變發(fā)展緩慢,高圍壓下體變發(fā)展迅速,尤其400 kPa圍壓下,體變幾乎呈直線發(fā)展。從試樣破壞型式看出,試樣均呈鼓屈變形,圍壓越高鼓屈越明顯。

對比圖1(b)～(d)與(a)發(fā)現(xiàn),其它3種不同細(xì)粒含量的試樣試驗結(jié)果與100%細(xì)粒含量試樣的結(jié)果相近。略有不同的是,60%細(xì)粒含量的試樣在同一圍壓下偏應(yīng)力較前兩種試樣有所提高,但提高幅度不大。在6%軸向應(yīng)變之前,50 kPa圍壓與100 kPa圍壓下試樣的體變相差不明顯。而40%細(xì)粒含量的試樣,同一圍壓下偏應(yīng)力較前三種黏粒試樣有所提高,提高幅度較大,相同圍壓下的偏應(yīng)力達(dá)到前三種試樣的2～3倍。從試樣破壞型式看出,試樣呈現(xiàn)微小的鼓屈變形,低圍壓下幾乎無鼓屈出現(xiàn),高圍壓下鼓屈情況較前三種試樣明顯減小。

2) CU試驗

圖3(a)顯示,100%細(xì)粒含量試樣在CU試驗中,隨著圍壓的增大,試樣的有效偏應(yīng)力與孔壓都不斷增大。

圖3 滑帶土CU試驗結(jié)果Fig.3 CU tests results of slip soils

圖4 CU試驗破壞型式Fig.4 Failure type of CU tests

從圖3(a)還可知，在50 kPa圍壓下,有效偏應(yīng)力達(dá)到峰值強度后接近于塑性流動發(fā)展,而在相對較高的圍壓下,試樣呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特性,圍壓越高硬化特性越明顯。在εd小于7%之前,試樣的孔壓上升較快,近乎直線上升,εd超過7%之后,孔壓發(fā)展緩慢、趨于穩(wěn)定。從試樣破壞型式看出,試樣均呈鼓屈變形,但鼓屈變形不及固結(jié)排水試驗明顯。

對比圖3(b)～(d)與(a)發(fā)現(xiàn),80%細(xì)粒含量的試樣的試驗結(jié)果與100%細(xì)粒含量試樣的結(jié)果相近。60%細(xì)粒含量試樣的試驗結(jié)果與前兩種試樣的試驗結(jié)果有所不同,但相差不大。而從圖3(d)看出,40%細(xì)粒含量試樣的試驗結(jié)果與前兩種試樣的試驗結(jié)果明顯不同,隨著圍壓的增大,試樣的有效偏應(yīng)力先增大,后呈現(xiàn)不同發(fā)展趨勢,而孔壓都不斷增大。在50 kPa與200 kPa圍壓下,有效偏應(yīng)力在較小εd下就達(dá)到峰值強度,后接近于塑性流動發(fā)展,而100 kPa圍壓下,在較小εd下就達(dá)到峰值強度,試樣略微呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化的特性,但軟化程度不大。從試樣破壞型式看出,50 kPa圍壓與200 kPa圍壓下的試樣均呈鼓屈變形,但變形不明顯,而100 kPa圍壓下有所不同。

3 等向壓縮試驗

土的壓縮性是土在靜力作用下體積縮小的特性,是有效應(yīng)力變化引起孔隙比的變化。在相同的受力情況下,土的壓縮性與土的組成、狀態(tài)、結(jié)構(gòu)等土的基本性質(zhì)有關(guān)。從圖5中看出,試樣的壓縮性與細(xì)粒含量大致呈線性關(guān)系,隨著細(xì)粒含量的增加,試樣的壓縮特性明顯增強,骨架的強度降低。試樣的回彈特性相差不大,40%細(xì)粒含量試樣礫石含量較高,顆粒間的摩擦咬合作用較強而回彈特性較弱,導(dǎo)致回彈曲線斜率較小。

圖5 等向壓縮與回彈曲線Fig.5 Isotropic compression and resilient curves

4 含礫黏性土力學(xué)特性

從試驗結(jié)果看出,相同圍壓CD和CU試驗,低圍壓時偏應(yīng)力(或有效偏應(yīng)力,下同)最大值隨黏粒含量的減少而增大;高圍壓時80%細(xì)粒含量試樣的偏應(yīng)力最小,40%細(xì)粒含量的偏應(yīng)力最大。相同圍壓固結(jié)不排水試驗,隨著礫石含量的增加,偏應(yīng)力依次增大,但100%細(xì)粒含量試樣試驗偏應(yīng)力與80%細(xì)粒含量試樣試驗偏應(yīng)力相差不大。因為當(dāng)細(xì)粒土中含有礫石時,礫石含量在30%以下,此時礫石顆粒完全被細(xì)粒土包圍,礫石顆粒形成不了骨架,礫石含量對細(xì)粒土無太大影響,主要由細(xì)粒土承擔(dān)荷載,主要表現(xiàn)為細(xì)粒土的特性。但是,當(dāng)?shù)[石含量達(dá)30%以上時,對細(xì)粒土的性質(zhì)就會起影響。

當(dāng)?shù)[石含量達(dá)30%以上后,礫石顆粒逐漸構(gòu)成土骨架,分擔(dān)細(xì)粒承受的荷載,試樣的偏應(yīng)力有所增大,即60%細(xì)粒含量較之100%細(xì)粒含量與80%細(xì)粒含量試樣偏應(yīng)力有所增大。當(dāng)?shù)[石含量超過50%時,礫石顆粒構(gòu)成土骨架,對試樣的物理力學(xué)性質(zhì)起決定性的作用,主要表現(xiàn)在礫石顆粒之間的摩擦與咬合作用。試驗用礫石為硬質(zhì)石灰?guī)r,粒徑在5～20 mm之間,形狀不規(guī)則、有尖角,故礫石之間的摩擦與咬合作用極強,以致40%細(xì)粒含量試樣偏應(yīng)力較其他三種試樣明顯增大。

另外,在CU試驗中,隨著礫石含量的增加,孔隙水壓力上升的速率明顯提高。100%細(xì)粒含量試樣與80%細(xì)粒含量試樣試驗結(jié)束時的孔隙水壓力相差不大,60%細(xì)粒含量與40%細(xì)粒含量試樣試驗結(jié)束時的孔隙水壓力顯著提高。黏性土中摻入少量的礫石,礫石完全被黏土顆粒所包裹,加之礫石顆粒本身透水性極弱,從而減小了土體的滲透面積,并延長了部分滲徑,滲透系數(shù)有輕微的減小,促使孔隙水壓力上升緩慢。但是,當(dāng)?shù)[石含量增加到30%以上后,由于礫石顆粒開始有局部接觸,局部形成骨架結(jié)構(gòu),滲透系數(shù)開始增大,孔隙水壓力上升較快。

最后,從試樣的破壞型式發(fā)現(xiàn),隨著礫石含量的增加,試樣表面越發(fā)凹凸不平,尤其40%細(xì)粒含量試樣。細(xì)粒含量較多時,試樣處于細(xì)粒包裹礫石,礫石之間無接觸、摩擦與咬合作用,屬于密實-懸浮狀態(tài),主要表現(xiàn)為黏性土的力學(xué)特性,細(xì)粒本身具有的黏聚力使土體的強度有所提高;當(dāng)細(xì)粒含量較少時,礫石形成骨架結(jié)構(gòu),黏粒無法完全填充粗礫石間的孔隙,屬于骨架-空隙狀態(tài),主要表現(xiàn)礫石土的力學(xué)特性;介于兩者之間的屬于骨架-密實狀態(tài),細(xì)粒與礫石共同作用。

5 修正劍橋模型參數(shù)確定

鑒于修正劍橋模型的特點,嘗試采用修正劍橋模型來驗證含礫黏性滑帶土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。修正劍橋模型是增量彈塑性本構(gòu)模型,其參數(shù)包含一個非線性彈性部分和一個由塑性體應(yīng)變確定的塑性部分。破壞包線在形狀上是自相似的,且與繞主應(yīng)力空間的平均應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的橢圓體對應(yīng)。包含3個參數(shù)和初始比容,見表2。

表2 修正劍橋模型材料參數(shù)表Tab.2 Material parameters of modified Cam-clay

5.1 υ0確定

三軸應(yīng)力狀態(tài)中下,初始比容:

υ0=1+e0

(1)

式中,e0為試樣的初始孔隙比,根據(jù)試樣干密度計算得到。初始孔隙比與初始比容見表3。

表3 孔隙比與初始比容匯總表Tab.3 Summary of void ratio and initial specific volume

5.2 M確定

在臨界狀態(tài)線q=Mp′上,可通過三軸壓縮試驗確定M值。試驗應(yīng)達(dá)到較大變形,確保最終的q與p′接近臨界狀態(tài)線。下面根據(jù)三軸壓縮試驗的有效應(yīng)力路徑選取系數(shù)M。

依據(jù)試驗結(jié)果,繪制三軸試驗的應(yīng)力路徑,見圖6,繪制過坐標(biāo)原點與應(yīng)力路徑頂點的直線,選取直線斜率為系數(shù)M的值。

取得不同圍壓下的M值見表4。

圖6 不同細(xì)粒含量M值確定圖Fig.6 Values of M with different fine contents

表4 M值匯總表Tab.4 Summary table of M values

從表4看出,隨著細(xì)粒含量的減少,礫石含量的增加,促使顆粒間的咬合作用加強,摩擦作用亦增加,直觀的表現(xiàn)就是M值的顯著增大。

5.3 λ和κ確定

υ-lnp′圖上,等向壓縮試驗得到的正常固結(jié)曲線斜率即為λ。卸載時,試樣發(fā)生回彈,回彈曲線斜率即為κ。根據(jù)試驗結(jié)果,添加趨勢線,提取曲線斜率。

等向壓縮曲線可表示為:

υ=N-λlnp′

(2)

式中,N為固結(jié)線在p=1 kPa下對應(yīng)的比容;λ為固結(jié)線斜率。

當(dāng)卸載時,試樣發(fā)生回彈,卸載時體積變化與p之間的關(guān)系可表示為:

υ=υκ-κlnp

(3)

式中,υκ為卸載曲線在卸載到p′=1 kPa時對應(yīng)的比容,κ為卸載回彈曲線斜率。

取得不同黏粒含量下的λ和κ值匯于表5中。

表5 λ和κ值匯總表Tab.5 Summary table of λ and κ

5.4 試驗驗證

根據(jù)提取的參數(shù),結(jié)合試驗過程,進(jìn)行三軸壓縮試驗的試驗驗證,以下是對驗證結(jié)果的羅列與分析。

5.4.1 CD試驗驗證

計算得到(σ1-σ3)與εv相對εd的關(guān)系曲線,見圖7(圖例同前,空心表示試驗結(jié)果,實心表示驗證結(jié)果)。從圖6中看出在確定修正劍橋模型的參數(shù)M時,直線不能很好的包絡(luò)應(yīng)力路徑曲線,有一定的偏差。加之等向壓縮試驗結(jié)果誤差較大,對驗證計算結(jié)果有較大影響,因此在驗證過程中對參數(shù)進(jìn)行了一定的試算,得出參數(shù)結(jié)果見表6～9。

圖7 CD試驗驗證Fig.7 CD Experimental test

圍壓/kPaM100%細(xì)粒含量80%細(xì)粒含量60%細(xì)粒含量40%細(xì)粒含量CDCUCDCUCDCUCDCU500.761.10.831.360.981.781.431.701000.641.00.631.160.741.271.431.602000.570.70.490.680.640.881.241.554000.44—0.42—0.52—1.03—

表7 試驗驗證λ值匯總表Tab.7 Summary table of λ

表8 試驗驗證κ值匯總表Tab.8 Summary table of κ

表9 試驗驗證μ值匯總表Tab.9 Summary table of μ

從上面驗證算結(jié)果與試驗結(jié)果的比較看出,偏應(yīng)力吻合較好,呈現(xiàn)應(yīng)變硬化的特征。總體來說,在較小的軸向應(yīng)變階段,驗證的偏應(yīng)力相對試驗值偏小,當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到6%以后,驗證的偏應(yīng)力與試驗值較接近。由于取得的參數(shù)偏重于模擬偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系,致使體應(yīng)變驗證值與試驗值偏差較大,體應(yīng)變驗證結(jié)果無體積膨脹出現(xiàn),即均表現(xiàn)為體縮。

5.4.2 CU試驗驗證

圖8 CU試驗驗證Fig.8 CU experimental test

從上面驗證結(jié)果與試驗結(jié)果的比較看出,驗證有效偏應(yīng)力與試驗吻合較好,呈現(xiàn)應(yīng)變硬化的特征。總體來說,在較小的軸向應(yīng)變階段,驗證的有效偏應(yīng)力相對試驗值偏小,偏差小于固結(jié)排水計算值,當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到4%以后,驗證的有效偏應(yīng)力與試驗值較接近,且驗證結(jié)果優(yōu)于CD驗證結(jié)果。同樣,孔隙水壓力驗證值與試驗值吻合較好,在較小軸向應(yīng)變階段存在較小的偏差,當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到2%以后,驗證的孔隙水壓力值與試驗值較接近。

6 結(jié) 論

1) 含礫黏性土在細(xì)粒含量低時,試樣主要表現(xiàn)礫石土的力學(xué)特性。礫石土中雖加入黏土顆粒,但黏土顆粒大多填充礫石之間的孔隙,表現(xiàn)出的黏聚作用甚微。

2) 隨著礫石含量的增加,試樣的排水性能先降低后增強。礫石含量較高時,試樣的排水性能明顯強于礫石含量低的試樣與黏性土試樣。從試樣的破壞型式看出,試樣均是鼓屈變形,無剪切帶出現(xiàn)。試樣的壓縮性與黏粒含量大致呈線性關(guān)系,隨著礫石含量的增加,試樣的壓縮特性明顯減弱,試樣的回彈特性相差不大。

3) 嘗試采用修正劍橋模型來驗證含礫黏性滑帶土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。不過認(rèn)為修正劍橋模型適用于含礫黏性滑帶土的效果一般。三軸試驗所得到的應(yīng)力路徑曲線,在確定修正劍橋模型的參數(shù)M時,直線不能很好的包絡(luò)應(yīng)力路徑曲線,有一定的偏差。

4) 根據(jù)提取的修正劍橋模型的相關(guān)參數(shù),對試驗結(jié)果進(jìn)行了驗證后得出,固結(jié)排水試驗主應(yīng)力差驗證與試驗吻合較好,體應(yīng)變驗證與試驗值偏差較大;固結(jié)不排水試驗主應(yīng)力差驗證與試驗吻合較好,孔隙水壓力驗證與試驗吻合較好,在較小軸向應(yīng)變階段存在著偏差。