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      含水率對非飽和土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究

      2020-04-17 13:20:54李義衡許譽(yù)浩
      河南城建學(xué)院學(xué)報 2020年1期
      關(guān)鍵詞:黏聚力非飽和吸力

      閆 奇,李義衡,許譽(yù)浩

      (1.黑龍江科技大學(xué) 建筑工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱150022;2.黃河勘測設(shè)計院研究院有限公司 巖土工程事業(yè)部工程公司,河南 洛陽 471000)

      滑坡是常見且頻發(fā)的工程問題之一。18世紀(jì),莫爾(Mohr)在庫倫(Coulomb)建立土強(qiáng)度理論的基礎(chǔ)上建立了土的莫爾-庫倫強(qiáng)度理論,自此奠定了土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)。近年來,許多工程實(shí)例表明,非飽和土抗剪強(qiáng)度的變化是產(chǎn)生滑坡的主要原因,大雨、冰雪融化影響下的滑坡災(zāi)害更是頻頻發(fā)生。對此,國內(nèi)外針對滑坡體含水量的變化導(dǎo)致滑坡體抗剪強(qiáng)度及其參數(shù)指標(biāo)下降問題進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究及理論分析。在試驗(yàn)研究方面,黃琨[1]等對欠固結(jié)第三系粉砂土進(jìn)行不同含水率狀態(tài)下的直剪試驗(yàn),研究不同含水率對內(nèi)摩擦角、黏聚力等抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響;Soonkie Nam[2]等采用多級直剪試驗(yàn)法測定非飽和土的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律;穆銳[3]、張培培[4]等分別對紅黏土進(jìn)行不均勻含水率、不同含水率條件下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)研究,并提出含水率20%是紅黏土抗剪強(qiáng)度減小快慢的分界點(diǎn);何江[5]通過控制非飽和膨脹土基質(zhì)吸力三軸剪切試驗(yàn),驗(yàn)證擬合關(guān)系表達(dá)式合理性及適用性。理論研究方面:方薇[6]針對廣泛使用Fredlund 非飽和土抗剪強(qiáng)度包絡(luò)面,考慮抗剪強(qiáng)度與凈法向應(yīng)力、基質(zhì)吸力非線性關(guān)系,提出非飽和土非線性強(qiáng)度包絡(luò)殼模型;劉昭希[7]采用室內(nèi)土工試驗(yàn)與理論分析方法,擬合出抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨含水率變化曲線表達(dá)式,得出荊江河岸黏土黏聚力在臨界含水率存在峰值。

      綜合分析前人對不同含水率下非飽和土抗剪性質(zhì)試驗(yàn)及成果,以哈爾濱某邊坡黏土為主要研究對象,利用室內(nèi)土工試驗(yàn)對取樣黏土進(jìn)行基本物理力學(xué)性質(zhì)測試。在此基礎(chǔ)上依據(jù)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[8]制備不同含水率的環(huán)刀試樣,分別對不同含水率試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)、濾紙法測定土水特征曲線試驗(yàn),計算出不同含水率下黏土抗剪強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo),繪制不同含水率下抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力變化關(guān)系曲線,定量分析非飽和黏土抗剪強(qiáng)度隨含水率變化曲線。

      1 黏土基本物理力學(xué)性質(zhì)

      試驗(yàn)土樣取自哈爾濱地區(qū)某黏土邊坡,對所取黏土試樣進(jìn)行一系列土力學(xué)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

      表1 土樣基本物理力學(xué)參數(shù)表

      對所取天然土樣進(jìn)行烘干處理,用橡皮錘錘擊大顆粒土塊,然后過規(guī)格為2 mm篩,2 mm篩下土樣占總土樣90%以上。對篩下的細(xì)顆粒部分進(jìn)行細(xì)篩分析,采用孔徑2.0、1.0、0.5、0.25、0.1 mm標(biāo)準(zhǔn)篩對烘干土樣進(jìn)行篩分試驗(yàn)。

      黏土試樣粒徑范圍占總質(zhì)量百分比如表2所示,粒徑級配累積曲線如圖1所示。計算得其不均勻系數(shù)Cu=14.8和曲率系數(shù)Cc=0.828,屬不連續(xù)級配,缺失0.1~0.25 mm中間粒徑。

      表2 不同粒徑范圍質(zhì)量百分比

      圖1 黏土的粒徑級配曲線

      2 非飽和土抗剪強(qiáng)度理論

      2.1莫爾-庫倫強(qiáng)度理論

      莫爾-庫倫破壞準(zhǔn)則認(rèn)為破裂面上土的抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力為單值函數(shù):

      τf=F(σ)

      (1)

      當(dāng)正應(yīng)力未達(dá)到破壞值時,則表現(xiàn)為線性函數(shù)關(guān)系,表達(dá)式為:

      τf=c+σtanφ

      (2)

      式中:τf為土的抗剪強(qiáng)度;c為黏聚力;σtanφ為摩擦強(qiáng)度;φ為內(nèi)摩擦角。

      2.2 擴(kuò)展的莫爾-庫倫準(zhǔn)則

      莫爾-庫倫準(zhǔn)則理論,由于其計算簡單得到廣泛的應(yīng)用。大量試驗(yàn)結(jié)果表明,無論是黏性土還是非黏性土試樣的破壞形式都比較接近這一強(qiáng)度理論,但仍存在一些差別。人們逐漸發(fā)現(xiàn)莫爾-庫倫準(zhǔn)則的局限性,通過對三軸、直剪等設(shè)備進(jìn)行改進(jìn),研究土的抗剪強(qiáng)度與孔隙氣壓力、孔隙水壓力關(guān)系變化關(guān)系。在原來基礎(chǔ)上,總結(jié)提出擴(kuò)展的莫爾-庫倫準(zhǔn)則。

      τf=c′+ (σ-ua)ftanφ′+(ua-uw)ftanφb

      (3)

      式中:(σ-ua)f為破裂面凈法向應(yīng)力;(ua-uw)為基質(zhì)吸力;c′,φ′分別為有效黏聚力、內(nèi)摩擦角;φb為對應(yīng)基質(zhì)吸力的內(nèi)摩擦角,反映抗剪強(qiáng)度增長率與基質(zhì)吸力的關(guān)系。

      3 試樣制備方法

      對重塑土樣先制備一定含水率的環(huán)刀試樣,在烘干或浸潤過程中環(huán)刀試樣整體含水率難以均勻下降或上升,可能導(dǎo)致環(huán)刀試樣在“吸水”“失水”過程中出現(xiàn)不均勻含水率環(huán)刀試樣,故采用“控制干密度法”制備試樣。測得所取土天然含水率為13.7%,將天然土樣放入恒溫干燥箱進(jìn)行烘干處理,將烘干土樣過2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩進(jìn)行篩分試驗(yàn)并稱量分組。稱量出5組烘干土樣,用燒杯量取所需水量,分別配置含水率為13%、16%、19%、22%、25%的土樣。每組試樣制備5個,用玻璃棒將烘干土樣與水充分接觸。最后將制備好的土樣置于準(zhǔn)備好的恒溫保濕瓶中靜置7 d,盡可能讓烘干土樣與水浸潤,以達(dá)到含水量均勻分布。為了確保每組所取土樣的含水率相同,本文通過控制濕土樣干密度法,利用公式(4)計算所需濕土樣,將稱量出的濕土樣通過“壓樣法”制備環(huán)刀土樣,對環(huán)刀試樣表面處理,并將制備環(huán)刀試樣上下表面蓋上玻璃片在恒溫保濕瓶中靜置一晝夜。

      m0=(1+0.01ω0)ρdV

      (4)

      式中ρd為試樣干密度;V為試樣體積(環(huán)刀體積);ω0為制樣要求含水率;m0為制樣所需濕土質(zhì)量。

      4 結(jié)果分析

      利用Origin制圖軟件對5組不同含水率峰值采樣點(diǎn)進(jìn)行線性擬合,擬合度相關(guān)系數(shù)分別為0.985、0.995 4、0.977 7、0.993 1、0.986 2,均接近于1,說明采樣點(diǎn)線性相關(guān)。根據(jù)摩爾-庫倫強(qiáng)度理論,擬合直線在剪應(yīng)力坐標(biāo)軸截距為黏聚力c,直線斜率為內(nèi)摩擦角φ的正切值,結(jié)果見圖2。最后將直剪完成后的土樣對備用試樣做含水率的測定,結(jié)果分別為12.87%、16.10%、18.94%、20.73%、24.8%,同時說明5組試樣含水率符合設(shè)定含水率的要求。

      4.1 不同含水率對黏聚力的影響

      黏土屬于工程細(xì)粒土類,依據(jù)抗剪強(qiáng)度的庫侖定律,與無黏性土相比最大的區(qū)別在于是否存在黏聚力。黏土土粒間黏聚力包括靜電引力、范德華力、顆粒間膠結(jié)力等,這些力在宏觀研究方面統(tǒng)稱為黏聚力。含水率對黏聚力的影響見圖3。

      由圖3可知:土樣在天然含水率(13.7%)狀態(tài)附近時,隨著含水率的增加波動幅度較??;含水率上升至19%左右時,黏聚力值在30 kPa左右平緩波動;當(dāng)含水率繼續(xù)上升,試樣的狀態(tài)發(fā)生明顯的變化,此時黏土試樣在可塑狀態(tài)附近,在含水率上升至22%時,黏聚力下降幅度50%;當(dāng)含水率上升至28%左右時,制備試樣快接近軟塑狀態(tài),已經(jīng)無法承受300 kPa的法向壓力,不能進(jìn)行常規(guī)直剪試驗(yàn)。

      4.2 不同含水率對內(nèi)摩擦角的影響

      內(nèi)摩擦角則廣泛存在于黏性土及無黏性土,主要包括土顆粒間的表面摩擦力以及顆粒間緊密排列的咬合力。含水率對內(nèi)摩擦角的影響見圖4。

      圖3 黏聚力與含水率關(guān)系曲線 圖4 內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系曲線

      由圖4可知:黏土試樣受剪時,試樣土中間受剪面的上下顆粒間存在宏觀方面的摩擦力,其三相特征在含水率增加時,孔隙逐漸被水填充,隨著含水率的增加內(nèi)摩擦角呈逐漸下降趨勢。含水率13%時,內(nèi)摩擦角最大約為18.3°。隨著含水率的不斷增加,內(nèi)摩擦角變化與黏聚力表現(xiàn)不同,主要呈對數(shù)線關(guān)系下降,無峰值點(diǎn)出現(xiàn)。含水率從13%下降至20%時,內(nèi)摩擦角下降較快,當(dāng)試樣土到達(dá)可塑狀態(tài)附近時,含水率增量相同,內(nèi)摩擦角的下降幅度降低,符合陳高峰[9]等廣義內(nèi)摩擦角隨含水率的變化情況。

      4.3 土水特征曲線測定

      為了探究不同含水率下基質(zhì)吸力對非飽和黏土抗剪強(qiáng)度的影響。采用國產(chǎn)“雙圈”定量No.203慢速濾紙對非飽和黏土試樣進(jìn)行土水特征曲線測定,參考學(xué)者白福清[10]測得的No.203率定曲線,計算并繪制不同含水率下基質(zhì)吸力關(guān)系曲線,如圖5所示。

      4.4 不同含水率對基質(zhì)吸力的影響

      隨著人們對非飽和土強(qiáng)度的深入研究,利用現(xiàn)代科技手段對直剪、三軸等設(shè)備進(jìn)行改善,通過控制非飽和土孔隙氣壓力和孔隙水壓力,對抗剪強(qiáng)度變化和基質(zhì)吸力狀態(tài)變量做進(jìn)一步研究。

      由圖5可知:含水率上升時,黏土基質(zhì)吸力主要呈現(xiàn)下降趨勢。為了進(jìn)一步分析變化趨勢進(jìn)行Origin數(shù)據(jù)非線性擬合,擬合關(guān)系曲線表達(dá)式為:

      lgh=1.80+0.051ω0-0.00346ω02

      (5)

      式中:h為基質(zhì)吸力。

      由式(5)可知:含水率較低時,基質(zhì)吸力取決于擬合公式常數(shù)項;含水率較高時,基質(zhì)吸力則取決于二次項部分;試驗(yàn)土樣含水率測得范圍內(nèi),基質(zhì)吸力整體呈凹線下降趨勢。

      4.5 基質(zhì)吸力對非飽和土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

      為了進(jìn)一步研究含水率上升過程中,非飽和土抗剪強(qiáng)度參數(shù)與基質(zhì)吸力的關(guān)系。繪制不同含水率下黏聚力、內(nèi)摩擦角與基質(zhì)吸力變化曲線,如圖6所示。

      圖5 黏土總吸力、基質(zhì)吸力與含水率關(guān)系曲線 圖6 黏聚力、內(nèi)摩擦角及基質(zhì)吸力與含水率關(guān)系曲線

      由圖6可知:含水率上升時,基質(zhì)吸力對黏土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響程度主要分為兩部分:當(dāng)含水率為13%~19%時,含水率增加,基質(zhì)吸力和內(nèi)摩擦角下降程度相近,黏聚力變化較為平緩,此時抗剪強(qiáng)度下降主要因內(nèi)摩擦角下降;當(dāng)含水率大于19%時,基質(zhì)吸力、黏聚力、內(nèi)摩擦三者下降趨勢相近,此時抗剪強(qiáng)度下降與基質(zhì)吸力下降程度一致。

      5 結(jié)論

      通過對不同含水率下非飽和土抗剪強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究,得出以下結(jié)論:

      (1)含水率上升時,非飽和黏土黏聚力和內(nèi)摩擦角變化并非單一曲線關(guān)系,黏聚力比內(nèi)摩擦角受含水率影響更嚴(yán)重,當(dāng)含水率在19%~22%間上升時,內(nèi)摩擦角下降約25%,而黏聚力下降幅度則為2倍;從施加50 kPa法向應(yīng)力來看,含水率大于19%時,黏土抗剪強(qiáng)度參數(shù)及抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線低于穩(wěn)定狀態(tài)。

      (2)含水率對非飽和土的抗剪強(qiáng)度影響主要體現(xiàn)在黏聚力指標(biāo)參數(shù)方面,當(dāng)黏土含水率在13%~19%附近時,黏聚力較穩(wěn)定;含水率通過基質(zhì)吸力對抗剪強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在內(nèi)摩擦角方面,對非飽和黏土抗剪強(qiáng)度影響較??;含水率為19%~25%時,黏土試樣接近可塑狀態(tài),此時含水率通過基質(zhì)吸力對非飽和黏土抗剪強(qiáng)度下降影響較大,三者同步快速下降。

      (3)非飽和黏土含水率上升時,基質(zhì)吸力變化可作為重要參考因素,含水率為19%~25%時,基質(zhì)吸力是含水率對黏土抗剪強(qiáng)度變化的重要影響因素。受試驗(yàn)制樣過程中壓實(shí)度、試驗(yàn)設(shè)備等限制因素影響,并未對不同含水率下凈法向應(yīng)力及孔隙氣壓力進(jìn)行測定,所測得的含水率通過基質(zhì)吸力影響抗剪強(qiáng)度的關(guān)系曲線有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

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