低應(yīng)力下膨脹土的壓縮與剪切行為

周葆春,李 穎,馬全國,郎夢婷,趙鑫鑫,王少奇,韓靈靈, 張 斌,盧承東,陳翔宇,梁維云

(信陽師范學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院, 河南 信陽 464000)

0 引言

膨脹土是典型的特殊土[1],由于蒙脫石、伊利石等黏土礦物的存在,其與水及水中離子發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng),誘發(fā)土體脹縮與應(yīng)變軟化及因脹縮受約束會引起土體開裂,導(dǎo)致膨脹土強(qiáng)度與變形行為非常復(fù)雜,相關(guān)研究成果亦非常豐富[1-3]。

膨脹土工程中存在一個問題是:采用常規(guī)飽和抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行設(shè)計計算，不能保證其穩(wěn)定性[4-5]。最近10余年的研究表明,膨脹土抗剪強(qiáng)度的應(yīng)力相關(guān)性(應(yīng)力水平的影響)即低應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度的非線性是導(dǎo)致上述問題的原因之一。根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范,采用三軸試驗測定土體抗剪強(qiáng)度時一般采用50～400 kPa的圍壓[6]；采用直剪試驗一般采用100～400 kPa的垂直壓力[7]。然而,膨脹土變形與破壞問題大多發(fā)生在近地表區(qū)域,通常在3 m以內(nèi)[2],滑動面上法向應(yīng)力通常在50 kPa以內(nèi)[8]；程展林等[8]通過直剪試驗測定南陽中膨脹土抗剪強(qiáng)度、低應(yīng)力(垂直壓力為5、20、40 kPa)下抗剪強(qiáng)度明顯位于一般應(yīng)力水平(垂直壓力為60、100、200、400 kPa)對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度線之下,這意味著采用一般應(yīng)力狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)會高估低應(yīng)力狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度。為此,鄒維列等[5]、程展林等[8]、楊和平等[9]建議了分段線性形式,LADE[10]建議了冪函數(shù)形式的抗剪強(qiáng)度公式描述低應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度的非線性行為。但針對同一膨脹土樣,高、中、低應(yīng)力水平分別對其峰值強(qiáng)度[11]、完全軟化強(qiáng)度[12]與殘余強(qiáng)度[13]影響規(guī)律的研究并不系統(tǒng),對原狀與壓實(shí)弱膨脹土在低、中、高應(yīng)力水平下峰值、完全軟化與殘余強(qiáng)度間關(guān)系的認(rèn)知有待深化。

為此,本文以荊門棕褐色弱膨脹土為研究對象,開展泥漿固結(jié)樣、原狀樣、壓實(shí)樣的一維壓縮-卸荷試驗獲得壓縮特性,開展泥漿固結(jié)樣的固結(jié)慢剪試驗獲得完全軟化強(qiáng)度,開展原狀與壓實(shí)樣的排水反復(fù)直接剪切試驗獲得峰值與殘余強(qiáng)度,探討應(yīng)力水平與初始結(jié)構(gòu)對弱膨脹土壓縮與剪切行為的影響,試圖為原狀與壓實(shí)弱膨脹土工程設(shè)計計算的參數(shù)確定提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗土樣

試驗用土為荊門棕褐色膨脹土,原狀樣照片見圖1。其物理性質(zhì)指標(biāo)見表1,自由膨脹率為40%,陽離子交換量為254 mmol/kg[14],根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[15]判別為弱膨脹土。擊實(shí)試驗[7]獲得其最優(yōu)含水率為15.9%,最大干密度為1.85 g/cm3。

圖1 原狀、壓實(shí)、泥漿固結(jié)環(huán)刀試樣Fig. 1 Intact, compacted and reconstituted specimens

表1 試驗用土的物理性質(zhì)指標(biāo)Tab. 1 Physical property index of tested soil

原狀樣采用環(huán)刀在原狀土塊上切取而成。壓實(shí)樣采用與原狀樣相同的制樣控制含水率與干密度,用靜力壓實(shí)而成,具體制樣方法參見文獻(xiàn)[16],壓實(shí)樣照片見圖1。

1.2 試樣飽和

對于原狀樣與壓實(shí)樣,試驗前采用毛細(xì)管飽和法,將環(huán)刀試樣置于固結(jié)容器(固結(jié)試驗)/剪切盒(直剪試驗)中毛細(xì)飽和至體積不變?yōu)橹?；相對真空飽和?毛細(xì)飽和優(yōu)點(diǎn)參見文獻(xiàn)[19]。泥漿固結(jié)樣為飽和泥漿固結(jié)而成,試驗前不需飽和。

1.3 一維壓縮-卸荷試驗

在高壓固結(jié)儀上分別對原狀、壓實(shí)、泥漿固結(jié)樣開展一維壓縮-卸荷試驗,以獲得壓縮特性。試驗參照“標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗”方法[7]執(zhí)行,壓力等級為12.5、25、50、100、200、400、800、1600、3200、4000、3200、1600、800、400、200、100、50、25、12.5 kPa,每級壓力下穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為24 h。

1.4 原狀樣飽和-固結(jié)-排水反復(fù)直接剪切試驗

1.5 壓實(shí)樣飽和-固結(jié)-排水反復(fù)直接剪切試驗

在同一直剪儀上對壓實(shí)樣開展毛細(xì)飽和-固結(jié)-排水反復(fù)直接剪切試驗,以獲得壓實(shí)樣的峰值與殘余強(qiáng)度；試驗方案與原狀樣相同。

1.6 泥漿固結(jié)樣的固結(jié)-慢剪試驗

2 試驗結(jié)果分析

2.1 一維壓縮-卸荷試驗結(jié)果

試驗結(jié)果見表2與圖2,可見:原狀、壓實(shí)、泥漿固結(jié)樣壓縮曲線相交于壓力1200 kPa、孔隙比0.578對應(yīng)點(diǎn)；即小于1200 kPa應(yīng)力范圍內(nèi),相同應(yīng)力下原狀樣孔隙比 < 壓實(shí)樣孔隙比 < 泥漿固結(jié)樣孔隙比,這與結(jié)構(gòu)性軟黏土同一壓力下相對重塑樣具有高孔隙比的特征[20-22]迥異,是由于(原狀)弱膨脹土沉積過程中在膨脹壓力作用下反復(fù)壓密表現(xiàn)出的超固結(jié)性[23]造成。在大于1200 kPa應(yīng)力范圍內(nèi),相同應(yīng)力下原狀樣孔隙比 > 壓實(shí)樣孔隙比 > 泥漿固結(jié)樣孔隙比。同一應(yīng)力范圍內(nèi)原狀樣孔隙比變化更小,即其壓縮性更小,這亦是其超固結(jié)性的體現(xiàn)。

對于壓實(shí)樣,由于模擬的是填土過程中的壓實(shí)行為,系由千斤頂靜力壓實(shí)到與原狀樣相同的孔隙比,因而具有一定的似超固結(jié)性[24]；反映在一維壓縮曲線上,無論小于還是大于1200 kPa的應(yīng)力范圍內(nèi),壓實(shí)樣壓縮曲線總位于原狀樣與泥漿固結(jié)樣之間。

表2 一維壓縮-卸荷試驗結(jié)果Tab. 2 Results of one-dimensional compression-unload tests

此外,在圖2所示的單對數(shù)坐標(biāo)系中,泥漿固結(jié)樣壓縮曲線為非常理想的線性關(guān)系,其壓縮指數(shù)Cc為0.246；原狀樣與壓實(shí)樣的后半段大體為線性,其壓縮指數(shù)分別為0.133與0.151,表明原狀樣壓縮性 < 壓實(shí)樣壓縮性 < 泥漿固結(jié)樣壓縮性；用Butterfield方法[25]獲得原狀樣先期固結(jié)壓力為602 kPa,壓實(shí)樣固結(jié)屈服應(yīng)力為453 kPa,列在表3中。

圖2 一維壓縮-卸荷曲線Fig. 2 One-dimensional compression-unload line

從卸荷曲線(圖2與表2)看,從4000 kPa卸荷到12.5 kPa,泥漿固結(jié)樣具有更大的孔隙比變化,即具有更大的回彈指數(shù),而壓實(shí)樣的回彈指數(shù)略大于原狀樣(表3),即原狀樣回彈指數(shù) < 壓實(shí)樣回彈指數(shù) < 泥漿固結(jié)樣回彈指數(shù),這與壓縮曲線表現(xiàn)出的原狀、壓實(shí)、泥漿固結(jié)樣壓縮性依序增大具有很好的一致性。

表3 先期固結(jié)壓力、固結(jié)屈服應(yīng)力、壓縮指數(shù)與回彈指數(shù)Tab. 3 Values of preconsolidation pressure, consolidation yield stress, compression index and swelling index

下面采用Burland建議的孔隙比指數(shù)Iv[20]探討初始結(jié)構(gòu)對壓縮行為的影響:

(1)

(2)

圖3 孔隙比指數(shù)(Iv)-有效法向應(yīng)力關(guān)系Fig. 3 Relationship between void index (Iv) and

2.2 原狀樣飽和-固結(jié)-排水反復(fù)直接剪切試驗結(jié)果

原狀樣剪應(yīng)力(τ)、水平位移(dh)、垂直位移(dv)關(guān)系見圖4。

(a) τ-dh關(guān)系 (b) dv-dh關(guān)系 (c) τ-dh關(guān)系 (d) dv-dh關(guān)系

對于應(yīng)變軟化試樣采用剪應(yīng)力峰值作為峰值強(qiáng)度,對于應(yīng)變硬化的試樣,采用剪切位移為6 mm(約為試樣直徑61.8 mm的10%)對應(yīng)的剪應(yīng)力作為峰值強(qiáng)度[7，11],取值見表4；峰值強(qiáng)度對應(yīng)孔隙比ef亦列入表4中。

表4 原狀樣峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度Tab. 4 Peak and residual shear strengths of intact specimens

然后,分析原狀樣殘余強(qiáng)度,由圖4可見,隨剪切位移增大、剪切次數(shù)增加,剪應(yīng)力逐漸降低、趨于穩(wěn)定,取第5次剪切的剪應(yīng)力最后穩(wěn)定值[7](τ-dh曲線接近水平時[13])作為殘余強(qiáng)度,見表4；同時列出殘余強(qiáng)度對應(yīng)孔隙比ef。

2.3 壓實(shí)樣飽和-固結(jié)-排水反復(fù)直接剪切試驗結(jié)果

壓實(shí)樣τ-dh、dv-dh關(guān)系見圖5。

(a) τ-dh關(guān)系 (b) dv-dh關(guān)系 (c) τ-dh關(guān)系 (d) dv-dh關(guān)系

然后,分析壓實(shí)樣殘余強(qiáng)度,由圖5可見,隨剪切位移增大、剪切次數(shù)增加,剪應(yīng)力逐漸降低,至第3次剪切后趨于穩(wěn)定,取第5次剪切的剪應(yīng)力最后穩(wěn)定值[7]作為殘余強(qiáng)度,相應(yīng)取值及對應(yīng)ef見表5。

表5 壓實(shí)樣的峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度Tab. 5 Peak and residual shear strengths of compacted specimens

圖6 峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度比-有效法向應(yīng)力關(guān)系Fig. 6 Relationship between ratio of peak shear strength to residual shear strength and

圖7 排水反復(fù)直接剪切試驗結(jié)束后的剪切面Fig. 7 Slickensides formed in drained multiple reversal direct shear test on compacted specimen

2.4 泥漿固結(jié)樣的固結(jié)-慢剪試驗結(jié)果

(a) τ-dh關(guān)系 (b) dv-dh關(guān)系 (c) τ-dh關(guān)系 (d) dv-dh關(guān)系

表6 泥漿固結(jié)樣峰值強(qiáng)度Tab. 6 Peak shear strength of reconstructed specimens

3 試驗結(jié)果討論

3.1 排水抗剪強(qiáng)度-有效法向應(yīng)力-孔隙比關(guān)系

圖關(guān)系

下文討論泥漿固結(jié)樣峰值強(qiáng)度、原狀與壓實(shí)樣峰值強(qiáng)度、原狀與壓實(shí)樣殘余強(qiáng)度分別在整個低中高應(yīng)力水平下的分布規(guī)律,并給出取值建議。

3.2 泥漿固結(jié)樣峰值強(qiáng)度

圖10 泥漿固結(jié)樣峰值強(qiáng)度線Fig. 10 Peak shear strength envelope of reconstructed specimens

3.3 原狀樣與壓實(shí)樣的峰值強(qiáng)度

圖11 原狀、壓實(shí)、泥漿固結(jié)樣峰值強(qiáng)度線Fig. 11 Peak shear strength envelope of intact, compacted, and reconstituted specimens

綜合3.1節(jié)～3.3節(jié),在1～800 kPa有效法向應(yīng)力范圍內(nèi),泥漿固結(jié)樣峰值強(qiáng)度可用通過坐標(biāo)原點(diǎn)的Mohr -Coulomb抗剪強(qiáng)度直線擬合；在6.5～800 kPa有效法向應(yīng)力范圍內(nèi),原狀與壓實(shí)樣峰值強(qiáng)度亦可用Mohr -Coulomb抗剪強(qiáng)度直線擬合；即本文試驗結(jié)果表明,在整個低中高應(yīng)力水平,原狀、壓實(shí)、泥漿固結(jié)樣峰值強(qiáng)度線均為線性,且有效內(nèi)摩擦角基本一致,在25.0 °～ 25.7 °之間。原狀與壓實(shí)樣的結(jié)構(gòu)性體現(xiàn)在峰值強(qiáng)度有效凝聚力上[26],分別為29.6 kPa與15.2 kPa,體現(xiàn)原狀樣具有更大結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3.4 原狀樣與壓實(shí)樣的殘余強(qiáng)度

將表4與表5中原狀樣與壓實(shí)樣殘余強(qiáng)度繪制在圖12(a)可見,在6.5～ 800 kPa有效法向應(yīng)力范圍內(nèi)二者殘余強(qiáng)度值非常接近,可認(rèn)為原狀與壓實(shí)樣具有相同的殘余強(qiáng)度。

為此,采用通過原點(diǎn)的冪函數(shù)[10](式(3))描述殘余強(qiáng)度的非線性行為。

(3)

4 結(jié)論

(1)原狀、壓實(shí)、泥漿固結(jié)樣壓縮曲線相交于壓力1200 kPa對應(yīng)點(diǎn)；無論小于還是大于1200 kPa,壓實(shí)樣壓縮曲線總位于原狀樣與泥漿固結(jié)樣之間。原狀樣、壓實(shí)樣、泥漿固結(jié)樣壓縮指數(shù)分別為0.133、0.151、0.246,回彈指數(shù)分別為0.030、0.032、0.042。原狀樣先期固結(jié)壓力為602 kPa,壓實(shí)樣固結(jié)屈服應(yīng)力為453 kPa。

(2)泥漿固結(jié)樣壓縮曲線與固有壓縮線ICL經(jīng)驗公式(Burland, 1990)幾乎重合；原狀與壓實(shí)樣壓縮曲線均穿越ICL,為典型超固結(jié)土壓縮特征；原狀樣膨脹敏感性大于壓實(shí)樣,表明原狀樣顆粒間膠結(jié)更強(qiáng)。

(4)原狀樣與壓實(shí)樣剪切過程中,低應(yīng)力下剪脹,較高應(yīng)力水平下剪縮,剪脹/剪縮的幅度均隨剪切次數(shù)的增加而收窄。在整個剪切過程中,原狀樣的體積變化幅度明顯大于相應(yīng)壓實(shí)樣。

(6)整個低中高應(yīng)力水平,原狀、壓實(shí)、泥漿固結(jié)樣峰值強(qiáng)度線均為線性,且有效內(nèi)摩擦角基本一致,在25.0 °～ 25.7 °之間。原狀樣、壓實(shí)樣的結(jié)構(gòu)性體現(xiàn)在峰值強(qiáng)度有效凝聚力上,分別為29.6 kPa與15.2 kPa。

(7)整個低中高應(yīng)力水平,原狀樣與壓實(shí)樣具有相同的殘余強(qiáng)度。低應(yīng)力水平下,殘余強(qiáng)度線表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性；取一般應(yīng)力水平試驗數(shù)據(jù)獲得的抗剪強(qiáng)度參數(shù)明顯高估了低應(yīng)力水平殘余強(qiáng)度。采用冪函數(shù)可很好描述低中高應(yīng)力水平下原狀與壓實(shí)樣的殘余強(qiáng)度特征。

致謝感謝中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所特殊土力學(xué)課題組提供的膨脹土樣。