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    不同含水率高填方黃土抗剪強度試驗研究

    2023-01-09 10:53:30王弘起孫杰龍李大衛(wèi)楊紅霞
    巖土工程技術(shù) 2022年6期
    關(guān)鍵詞:法向應力黏聚力填方

    王弘起 孫杰龍 李大衛(wèi) 楊紅霞 宋 濤

    (1. 陜西建工第十三建設有限公司,陜西延安 716000;2. 延安大學 建筑工程學院,陜西延安 716000)

    0 引 言

    黃土丘陵溝壑區(qū)最大的生態(tài)環(huán)境問題是水土流失,采用工程造地是治理水土流失的一種重要的方法。但因黃土丘陵溝壑區(qū)具有特殊的工程環(huán)境和地質(zhì)條件,工程造地一般選用“平山、填溝”等方法。由于挖填方區(qū)高差較大,此類工程屬于典型的濕陷性黃土地區(qū)的高填方工程,且黃土丘陵溝壑區(qū)處于半濕潤半干旱區(qū)的過渡帶,夏季高溫多雨,在雨水作用下高填方黃土力學特性變異較大,導致高填方邊坡穩(wěn)定性問題突出。

    近年來,國內(nèi)外眾多學者在黃土力學特性研究方面取得了豐碩的成果[1-4]。謝永利等[5]采用離心模型試驗對黃土公路路塹邊坡不同坡型變形與破壞的發(fā)展過程、破壞特征及設計相關(guān)參數(shù)的確定進行了研究。倪萬魁等[6]、肖東輝等[7]、董曉宏等[8]、李國玉等[9]、王鐵行[10]和宋春霞等[11]對凍融循環(huán)作用下黃土微觀結(jié)構(gòu)、孔隙率、強度劣化特性等方面進行了研究。雷勝友等[12]、王朝陽[13]和趙淑萍等[14]基于CT實時試驗對黃土微結(jié)構(gòu)變化、應力-應變及凍結(jié)損傷進行了分析。

    在前人研究的基礎(chǔ)上[15-19],本文以延安新區(qū)高填方黃土邊坡為工程背景,開展不同含水率下高填方黃土力學特性試驗研究,探究含水率對高填方黃土力學特性的影響,為黃土溝壑區(qū)高填方黃土邊坡的安全運行和長期穩(wěn)定性評價提供科學依據(jù)。

    1 試驗方案

    在延安新區(qū)B4-06、B4-25 高填方場地取樣,該場地北高南低,坡比為1∶1.5,原始地貌為黃土梁峁溝壑區(qū),經(jīng)大面積平山造地施工后形成現(xiàn)狀場地,絕大部分位于填方區(qū),最大填方厚度約60 m,僅局部位于挖方區(qū),最大挖方厚度約30 m?,F(xiàn)場取樣后按照《土工試驗方法標準》(GB T50123-2019)制成含水率分別為2%、4%、6%、10%、12%、15%、20%和25%的試樣,在制樣過程中控制試樣密度為1.667 g/cm3,如圖1 所示。

    圖1 試樣

    試樣制備完成后,采用DSJ-3 型應變控制式直剪儀(見圖2)開展剪切試驗,剪切速率為0.8 mm/min,法向應力分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa 和400 kPa。

    圖2 DSJ-3 型應變控制式直剪儀

    2 試驗結(jié)果分析

    根據(jù)試驗結(jié)果,繪制不同含水率下剪應力與法向應力關(guān)系曲線,如圖3 所示。對圖3 中不同含水率下剪應力與法向應力關(guān)系曲線進行線性擬合,得到不同含水率下高填方黃土黏聚力和內(nèi)摩擦角,見表1。

    表1 不同含水率下高填方黃土抗剪強度試驗結(jié)果

    圖3 不同含水率法向應力與剪應力關(guān)系

    2.1 不同含水率下抗剪強度變化規(guī)律

    不同含水率下高填方黃土抗剪強度變化規(guī)律如圖4 所示。

    圖4 不同含水率下高填方黃土抗剪強度

    由圖4 可知,不同含水率下高填方黃土的抗剪強度呈明顯的非線性,當含水率為2%~10%時,抗剪強度隨含水率逐漸增大;當含水率為10%~15%時,抗剪強度迅速增大,其曲線斜率較大,說明在此范圍內(nèi)含水率對高填方壓實黃土的抗剪強度影響較大;當含水率為15%~25%,抗剪強度開始減小。綜上所述,含水率為2%~25%時,高填方壓實黃土的抗剪強度隨含水率的變化呈現(xiàn)先增大而后減小變化規(guī)律。

    2.2 含水率對抗剪強度指標的影響

    不同含水率下抗剪強度指標變化規(guī)律見圖5。

    據(jù)圖5(a),含水率在2%~25%時內(nèi)摩擦角的變化范圍為13.98°~39.79°,其隨含水率變化增量見表2。

    表2 內(nèi)摩擦角隨含水率變化增量

    圖5 不同含水率下抗剪強度指標

    由表2 可知,含水率為2%~6%時,內(nèi)摩擦角先小幅度減小后增大,這是因為土中含水率較小時,起到了一定的潤滑作用,內(nèi)摩擦角先減??;隨著含水率增大土顆粒間的毛細水所引起的表面張力增大,導致作用在土顆粒接觸面的作用力增大,從而使內(nèi)摩擦角增大。含水率為6%~15%時,土顆粒間發(fā)生相對滑動時,不僅要克服土顆粒間的摩擦力,還要克服土顆粒間的黏聚力,從而導致土的內(nèi)摩擦角增大;含水率為15%~25%時,根據(jù)有效應力原理,土中的孔隙水壓力增大,有效應力減小,導致土顆粒間的作用力減小,內(nèi)摩擦角隨之減小。

    由圖5(b)可知,含水率在2%~25%時,黏聚力的變化范圍為3.86~80.57 kPa,且隨含水率增大呈先增大后減小的趨勢,其隨含水率變化增量見表3。

    表3 黏聚力隨含水率變化增量

    由表3 可知,含水率為2%~15%時,因為土中含水率的增大,土顆粒-水-電系統(tǒng)間的相互作用逐漸增強,從而導致土的黏聚力逐漸增大;當含水率為15%~25%時,因為含水率進一步增大,顆粒間的膠結(jié)力逐漸減小,黏聚力隨之減小。

    綜上所述,含水率在2%~25%時,土的內(nèi)摩擦角和黏聚力會隨含水率的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢;由圖5(a)和圖5(b)對比可知,黏聚力的增大和減小趨勢比內(nèi)摩擦角更加明顯,說明黏聚力對含水率更加敏感。

    2.3 不同含水率下剪切位移與剪應力關(guān)系

    不同含水率下高填方黃土剪切位移與剪應力關(guān)系如圖6 所示。

    由圖6 可知,在同一法向應力作用下,試樣含水率為12%和15%時,隨著剪切位移增大,剪應力會迅速增大到極限值,整個過程剪切位移和剪應力基本呈線性關(guān)系;含水率在2%~15%范圍內(nèi),隨著含水率增大,剪切位移與剪應力曲線斜率逐漸增大;法向應力較小時,不同含水率下剪切位移和剪應力關(guān)系曲線較“離散”,而隨著法向應力的增大,不同含水率下剪切位移與剪應力曲線逐漸聚集,說明法向應力的大小對剪切位移和剪應力關(guān)系有一定影響。

    圖6 不同含水率下剪切位移與剪應力關(guān)系

    3 結(jié)論

    (1)含水率在2%~25%時,高填方黃土的抗剪強度隨含水率的變化呈先增大而后減小變化規(guī)律,并在含水率為15%時達到峰值,因此在高填方黃土邊坡支護過程中,合理選擇含水率能夠有效降低發(fā)生滑坡的幾率。

    (2)含水率在2%~25%時,高填方黃土的內(nèi)摩擦角和黏聚力會隨含水率的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢,且含水率對黏聚力影響較大。

    (3)含水率在2%~15%時,隨著含水率增大,剪切位移與剪應力曲線斜率逐漸增大,其中含水率為12%和15%時,剪切位移和剪應力基本呈線性關(guān)系;法向應力的大小會影響剪切位移與剪應力關(guān)系曲線的“離散”程度。

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