考慮孔隙特性的壓實黃土抗剪強度試驗研究

馬金蓮 , 鐘秀梅, 王 謙 , 王 平, 劉釗釗

(1. 中國地震局黃土地震工程重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000;2. 中國地震局蘭州地震研究所, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

黃土是干旱、半干旱地區風成的第四紀沉積物,世界上黃土分布總面積大約有1 300萬km2,我國黃土的分布面積達64萬km2,約占全國土地面積的6%[1]。受形成環境及自然條件等因素的影響,黃土具有特殊的結構性,顆粒之間連接松散,具有明顯肉眼可見的大孔隙和豎向節理,致使其具有強烈的水敏性和動力易損性,對工程的設計、施工及安全運營具有重要的影響[1-2]。

隨著“一帶一路”戰略不斷推進和“韌性城鄉”建設的迫切需求,黃土地區公路、機場、隧道及基礎工程建設中難免涉及填筑工程,而黃土作為我國西部地區分布廣泛的填筑材料之一,因取材方便和運輸成本經濟等優勢,被廣泛使用。填筑工程施工中會采取多種手段對土體進行人工處理,如加水拌和、動靜機械碾壓等,人工填筑處理會破壞土體原來的結構組成,使得填筑土體較原狀土體性質發生較大改變,因此,針對重塑壓實黃土力學性質開展試驗研究,凸顯出其必要性。

土體的抗剪強度反映了土體抵抗剪切破壞的能力,工程中常見的建筑地基的破壞,土坡、深基坑及擋土墻地基的穩定性等均與土的強度指標有關。因此,開展重塑壓實黃土抗剪強度試驗研究,對保障黃土地區工程建設設計、施工和后期的安全運營,意義重大。

文獻[3-9]針對不同地區、不同類型重塑壓實黃土,基于室內三軸試驗、壓縮試驗,得到了制樣含水率和干密度(壓實度)對重塑壓實黃土抗剪強度、變形特性等的影響規律;文獻[10-12]基于室內三軸剪切試驗,研究了制樣方法、含水率、圍壓、基質吸力對黃土抗剪強度指標的影響規律,并得到了一定結論性研究成果;王鐵行等[13]考慮干濕循環影響,研究建立了干濕循環次數與強度劣化指標之間的關系表達;吳旭陽等[14]通過黃土抗拉強度試驗研究,探討了原狀與重塑黃土在強度參數比方面的差異性;巴亞東等[15]基于室內試驗研究,明確了原狀黃土的固結剪切體積變形與圍壓和吸力之間的規律性。上述針對重塑壓實黃土強度和變形特性的研究雖得到了含水率、干密度(壓實度)與土體抗剪強度、壓縮指標之間的關系,但因土體自身性質差異、試驗方法、參數取值標準等不同,關于重塑壓實黃土抗剪強度與初始制樣含水率、壓實度、孔隙特性間關系的研究目前尚未形成統一的定論。

本文以甘肅省臨夏某機場場址黃土為研究對象,考慮初始含水率和壓實度的影響,開展抗剪強度試驗研究工作,并結合室內電鏡掃描試驗得到的重塑壓實黃土細觀結構圖像,提取重塑壓實黃土細觀孔隙特性參數,定量研究重塑壓實黃土破壞強度與孔隙含量之間的關系,從細觀角度揭示了較高壓實度可提高重塑黃土抗剪強度的內在原因,研究成果可為該地區工程設計、施工提供參考。

1 試驗方法

1.1 基本物理參數取值

本文試驗用土取自甘肅省臨夏某機場場址,比重瓶法測定的天然土體比重為2.65,利用液塑限聯合測定儀測得天然土體液、塑限分別為28.6%和19.4%,室內擊實試驗測定的黃土體最大干密度為1.75 g/cm3,顆分試驗得到的天然土體的顆粒組成為:黏粒24.4%,粉粒69.1%,砂粒6.5%。

1.2 試驗方法

三軸剪切試驗是將取來的原狀試樣敲碎碾壓,經自然風干后過2 mm篩,測定其含水率。本文以天然土體含水率為基礎,設定4種含水率(5%、7%、9%、11%)配置所需含水率條件下的土樣,并用塑料袋密封后悶料24 h,待土樣含水率均勻后用兩端靜壓的方法制備試驗所需試樣,試樣直徑為39.1 mm,高度為80 mm?？紤]到填方工程中多以無量綱參數壓實度作為填筑工程控制系數,故本文設定了4種壓實度(80%、85%、90%、95%)作為重塑壓實黃土干密度的控制標準。試驗考慮填筑體深度不同,設置3種不同圍壓(80 kPa、140 kPa、200 kPa),利用南京土壤儀器廠生產的應變控制式三軸儀完成了16組試樣在固結不排水(CU)條件下的剪切試驗。試驗中若應力-應變曲線出現峰值,則取主應力差值的峰值作為破壞點;若無峰值,取15%軸向應變時的主應力差值作為峰值點[11]。

電鏡掃描試驗則通過將不同壓實度條件下的黃土體試樣風干,按照試驗儀器要求選擇平整斷面,用砂紙打磨試樣底面,將試樣制成2 mm厚度的薄片并進行噴金處理,以使試樣表面易于導電,再利用電鏡掃描技術得到重塑黃土在4種不同壓實度條件下的SEM圖像,考慮要提取孔隙特性參數,選用放大500倍的SEM圖像作為分析研究的對象。

2 試驗結果分析

2.1 重塑黃土應力-應變關系

本文基于16組試樣的室內靜三軸剪切試驗,得到重塑壓實黃土在不同初始含水率和壓實度下的應力-應變關系曲線(圖1)。限于篇幅,這里僅給出了140 kPa圍壓時重塑壓實黃土試樣的應力-應變關系曲線。

圖1 壓實黃土應力-應變曲線Fig.1 Stress-strain curves of compacted loess

由圖1可見:140 kPa圍壓下，不同初始含水率和壓實度重塑壓實黃土應力-應變關系形式表現為軟化型、弱硬化型和強硬化型。本文主要考慮初始含水率和壓實度2個變量,故對不同圍壓下的應力-應變關系曲線不作討論。本文研究范圍內,5%、7%含水率對應的90%和95%壓實度條件下應力-應變關系曲線為軟化型;7%含水率對應的80%、85%壓實度及9%含水率對應的90%、95%壓實度條件下應力-應變關系曲線為弱硬化型;其余含水率和壓實度條件下則呈現為強硬化型,特別是11%含水率所對應的4種壓實度條件下應力-應變關系曲線均為強硬化型。

且由圖1可見:重塑壓實黃土偏應力值隨壓實度增大呈現出明顯的增長趨勢,隨含水率增大呈現出減小的趨勢。結合Duncan-Chang模型,其偏應力值與應變之間滿足雙曲線關系,即重塑壓實黃土應力-應變之間滿足:

(1)

式中:a、b為擬合參數,ε為軸向應變,σ1-σ3為偏應力。

2.2 重塑壓實黃土應力路徑關系

由于土的變形和強度不僅與受力大小有關,還與土的應力歷史有關,土的應力路徑可以模擬土體實際的應力歷史、全面研究應力變化過程對土力學性質的影響[11]?；谑覂褥o三軸試驗數據得到的試樣p-q曲線如圖2所示,其中:

(2)

式中:p為平均主應力;q為偏應力。由圖2可見:應力路徑曲線形式幾乎不受含水率和壓實度影響。這是因為本文研究范圍內含水率較小,土體在剪切重塑壓實黃土的應力路徑曲線為不同斜率的直線,應力路徑曲線形式幾乎不受含水率和壓實度影響。這是因為本文研究范圍內含水率較小,土體在剪切破壞過程中孔隙壓力響應不明顯所致,這與文獻[11]得到的結論是一致的;且由圖可見:應力路徑在較大變形(15%應變)下依然沒有出現紊亂的現象,表明在本文研究含水率范圍內土體的強度是比較高的。

圖2 不同條件下壓實黃土應力路徑曲線Fig.2 Stress path curves of compacted loess under different conditions

2.3 重塑壓實黃土抗剪強度指標

由Mohr-Coulomb強度準則:土體抗剪強度指標c、φ的取值直接決定土體抗剪強度的大小。通過室內三軸剪切試驗,本文得到了考慮初始含水率和壓實度影響的16組重塑壓實黃土的抗剪強度指標(圖3)。由圖3可見:隨著壓實度的增加,重塑黃土的抗剪強度指標c、φ均有所增大,且黏聚力c的增長速度較內摩擦角φ更快,表明較高壓實度對提升強度指標c的效果更為顯著;隨著含水率的增加抗剪強度指標c、φ均呈現出減小的趨勢,且隨著含水率的增加黏聚力c的減小趨勢較內摩擦角φ更為明顯。由此可見:重塑黃土抗剪強度指標c對初始含水率和壓實度的敏感程度較內摩擦角φ更高,填筑工程壓實施工中應重視對強度指標c的試驗監測,以更好確保施工質量。

圖3 壓實黃土抗剪強度指標取值Fig.3 Shear strength indexes of compacted loess

2.4 重塑壓實黃土破壞強度

結合16組重塑壓實黃土試樣的靜三軸剪切試驗,得到了不同初始含水率和壓實度條件下重塑黃土破壞強度(σ1-σ3)f與圍壓σ3之間的關系曲線(圖4)。由圖可知:重塑壓實黃土的破壞強度(σ1-σ3)f隨著壓實度的增大而增大,隨含水率的增大而減小,與抗剪強度指標隨壓實度和含水率的變化規律一致。通過回歸發現:重塑壓實黃土破壞度(σ1-σ3)f與圍壓σ3之間滿足線性關系,即考慮初始含水率和壓實度,重塑壓實黃土的破壞強度(σ1-σ3)f和圍壓之間的關系可以表達為:

(σ1-σ3)f=σ3f(ω,k)+g(ω,k)

(3)

圖4 壓實黃土破壞強度取值Fig.4 Value of failure strength of compacted loess

式中:f(ω,k)、g(ω,k)是與初始含水率及壓實度有關的函數。

為了進一步研究分析重塑壓實黃土抗剪強度特性,本文根據Mohr-Coulomb強度準則式(4)、(5),并結合式(1)得到了考慮初始含水率和壓實度條件下f(ω,k)、g(ω,k)與重塑黃土強度參數指標c、φ之間的關系表達,見式(6)。

τf=(σ1-σ3)f=c+σtanφ

(4)

(5)

(6)

式中:τf為抗剪強度;c為黏聚力;φ為內摩擦角;σ為總應力。

基于式(6),結合上述得到的16組重塑黃土試樣抗剪強度指標取值。本文計算得到了16組試樣與初始含水率和壓實度相關的f(ω,k)、g(ω,k)的取值(圖5)。

圖5 壓實黃土f(ω,k)、g(ω,k)取值Fig.5 The vaule of f(ω,k)、g(ω,k) of compacted loess

通過對得到的與初始含水率和壓實度有關f(ω,k)、g(ω,k)取值的分析發現:f(ω,k)、g(ω,k)的取值與初始含水率和壓實度之間有較好的規律性,且這種規律與強度指標c、φ隨初始含水率和壓實度的變化規律基本一致。這可利用式(6)來解釋:f(ω,k)的計算變量只與內摩擦角φ相關,故f(ω,k)表現出與內摩擦角一致的變化規律;而g(ω,k)的計算變量為黏聚力c和內摩擦角φ,但由于黏聚力c對初始含水率和壓實度的敏感度更高,因此g(ω,k)函數對黏聚力c的敏感度高于內摩擦角φ,故g(ω,k)表現出與強度指標c較為一致的變化規律。

2.5 重塑壓實黃土孔隙特性

由上述三軸剪切試驗研究分析發現:重塑黃土的抗剪強度指標c、φ、破壞強度(σ1-σ3)f隨壓實度的增加均表現出不同程度的增長趨勢。由于土的孔隙特性也是反映土的抗剪強度的基本內容之一,因此,本文結合常規土工試驗測得的重塑壓實黃土基本物性參數,分別建立了不同壓實度下重塑壓實黃土的孔隙比e、破壞強度(σ1-σ3)f與壓實度之間的關系曲線(圖6)。限于篇幅,這里給出了5%含水率、圍壓80 kPa條件下重塑黃土不同壓實度下的破壞強度(圖8亦是如此,后續將不再贅述)。

圖6 壓實黃土孔隙比Fig.6 Void ratio of compacted loess

由圖6可見,重塑壓實黃土的孔隙比隨壓實度的增大呈現出明顯的減小趨勢,與破壞強度(σ1-σ3)f隨壓實度的變化規律相反,這也從側面揭示了重塑壓實黃土抗剪強度隨壓實度增加而增大的內在原因,即:較高壓實度可以有效減小重塑黃土土體孔隙含量。通過回歸發現重塑壓實黃土孔隙比e與壓實度k之間可以線性表達為:e=-0.020 1k+2.504 5,其中相關系數R2=0.994 2。

現階段的研究也表明:黃土的細觀結構特性與其力學宏觀表現緊密相關[16-17]。為了進一步深入分析重塑黃土內部孔隙特性與壓實度之間的關系,本文通過室內電鏡掃描試驗得到不同壓實度下重塑黃土的細觀結構圖像,利用南京大學研發的圖像處理軟件PCAS對重塑壓實黃土的SEM圖像進行二值化處理,見圖7。結合文獻[18-19]中關于像素與微、小、中、大、特大孔隙的定義,確定了微、小、中、大、特大孔隙對應的面積。在此基礎上,提取了不同壓實度下重塑黃土內孔隙特性參數:不同尺寸范圍內孔隙含量、平均孔隙面積、平均孔隙周長。

圖7 二值化處理后壓實黃土SEM圖Fig.7 SEM image of compacted loess after binarization treatment

根據上述孔隙尺寸范圍的劃分,本文得到了不同壓實度條件下重塑黃土體中微、小、中、大、特大孔隙的含量分布見圖8。

圖8 某尺度范圍內孔隙含量Fig.8 Pore content in a certain scale

由圖8可見:重塑壓實黃土60%以上的孔隙含量為小孔隙,隨著壓實度增加,土體內微、小孔隙含量增多,中、大、特大孔隙含量減少。為了進一步分析孔隙特性與重塑壓實黃土強度間的關系,本文結合細觀結構分析提取得到的4種壓實度下不同類型孔隙含量、孔隙平均周長、平均面積取值,分別建立了其與重塑壓實黃土破壞強度(σ1-σ3)f之間的關系(圖9)。

圖9 壓實黃土孔隙特性與破壞強度間關系Fig.9 Relationship between pore characteristics and failure strength of compacted loess

由圖9所示:重塑壓實黃土破壞強度與其微、小孔隙含量間成正比例關系,在小孔隙含量為61.24%、微孔隙含量15.91%時破壞強度增長尤為明顯;重塑壓實黃土破壞強度與其中、大、特大孔隙含量、孔隙平均周長、平均面積之間呈反比例關系,孔隙平均周長小于16.83 μm、平均面積小于18.43 μm2時黃土體的破壞強度增長更為明顯。

綜合上述分析,可進一步明確:較高壓實度可增加黃土體內微、小顆粒含量,減少中、大、特大孔隙含量、孔隙平均周長和面積,這是較高壓實度可提高重塑黃土抗剪強度的細觀原因。

3 結論

(1) 不同初始含水率和壓實度條件下重塑黃土應力-應變關系曲線形式為軟化型、弱硬化型和強硬化型。7%含水率以下、90%壓實度以上條件下為軟化型，7%含水率、85%壓實度以下，9%含水率、90以上壓實度條件下為弱硬化型，其余條件下則為強硬化型。

(2) 重塑壓實黃土應力路徑呈斜直線形式,且曲線形式基本不受壓實度和含水率影響;

(3) 重塑壓實黃土抗剪強強度指標c、φ、破壞強度(σ1-σ3)f均表現為隨著初始含水率的增加而減小,隨壓實度的增加而增大;

(4) 重塑壓實黃土破壞強度與微、小孔隙含量間成正比例關系,與中、大、特大孔隙含量、孔隙平均周長和面積間成反比例關系。

針對11%含水率以上重塑壓實黃土抗剪強度特性的研究有待于進一步開展。