發(fā)布時(shí)間：所屬分類：建筑師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:通過殘余強(qiáng)度試驗(yàn)儀對合肥地區(qū)弱膨脹土進(jìn)行四次反復(fù)剪切，可以證明弱膨脹土殘余強(qiáng)度受初始含水率和豎向應(yīng)力的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示:初始含水率越高，豎向應(yīng)力越大，殘余強(qiáng)度下降幅度越大，高達(dá)60.4%。豎向應(yīng)力為100kPa、200kPa作用下，初始含水率與弱膨脹
摘要:通過殘余強(qiáng)度試驗(yàn)儀對合肥地區(qū)弱膨脹土進(jìn)行四次反復(fù)剪切，可以證明弱膨脹土殘余強(qiáng)度受初始含水率和豎向應(yīng)力的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示:初始含水率越高，豎向應(yīng)力越大，殘余強(qiáng)度下降幅度越大，高達(dá)60.4%。豎向應(yīng)力為100kPa、200kPa作用下，初始含水率與弱膨脹土殘余強(qiáng)度呈線性關(guān)系;豎向應(yīng)力為300kPa、400kPa作用下，初始含水率與弱膨脹土殘余強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，初始含水率較低時(shí)，通過反復(fù)剪切試驗(yàn)可以得到弱膨脹土穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度;初始含水率較高時(shí)，通過反復(fù)剪切試驗(yàn)不能得到穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度，建議采用環(huán)剪試驗(yàn)。合肥地區(qū)弱膨脹土初始含水率分布范圍在主要集中在18%～21%，可采用反復(fù)直剪試驗(yàn)測得弱膨脹土殘余強(qiáng)度。該試驗(yàn)結(jié)果對合肥地區(qū)膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析以及滑坡防治等具有重要意義。
關(guān)鍵詞:初始含水率;豎向應(yīng)力;殘余強(qiáng)度;剪切位移;弱膨脹土
0引言
膨脹土邊坡的變形破壞演變是指邊坡土體的抗剪強(qiáng)度由峰值向殘余值強(qiáng)度逐漸衰減的過程。因此，在進(jìn)行膨脹土邊坡穩(wěn)定分析時(shí)，應(yīng)采用殘余強(qiáng)度而不是峰值強(qiáng)度[1]。殘余強(qiáng)度反映的是土體內(nèi)部發(fā)生剪損后剪切面上殘留的剪應(yīng)力值，研究殘余強(qiáng)度的目的便是探求土體遭受破壞后強(qiáng)度衰減的變化規(guī)律，也就是研究大應(yīng)變條件下強(qiáng)度降低的問題[2]。
土殘余強(qiáng)度的室內(nèi)試驗(yàn)測定方法，目前主要有三軸壓縮試驗(yàn)、環(huán)剪儀做環(huán)形剪切試驗(yàn)和反復(fù)剪切試驗(yàn)。反復(fù)剪切試驗(yàn)簡單易行，對多數(shù)土均能測得較好的結(jié)果。
反復(fù)直剪試驗(yàn)是應(yīng)變控制式直剪儀在慢速(排水)條件下，對試樣反復(fù)剪切至剪應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定值，以測得土樣的殘余強(qiáng)度。BISHOP等[3]認(rèn)為當(dāng)有效法向應(yīng)力小于150kPa時(shí)，黏土殘余強(qiáng)度與有效法向應(yīng)力之間具有較強(qiáng)的非線性關(guān)系。孫濤等[4]采用環(huán)形剪切試驗(yàn)認(rèn)為超固結(jié)黏土殘余強(qiáng)度的增加依賴于豎向應(yīng)力的增加。閆芙蓉等[5]通過對黃土進(jìn)行反復(fù)剪切試驗(yàn)測出穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度，提出非飽和狀態(tài)下的殘余強(qiáng)度是高于飽和狀態(tài)下的，豎向應(yīng)力的增加使得殘余強(qiáng)度在升高。吳迪等[2]利用環(huán)剪儀對殘積土進(jìn)行殘余強(qiáng)度的測定，認(rèn)為殘積土含水量的增加，會使得殘余黏聚力升高，殘余內(nèi)摩擦角降低，但是殘余內(nèi)摩擦角是殘余強(qiáng)度最大的影響因素，因此，整體上殘積土殘余強(qiáng)度還是降低的。張曉麗[6]通過直剪儀對膨脹土進(jìn)行反復(fù)剪切四次，提出膨脹土殘余強(qiáng)度和土顆粒含量相關(guān)，非飽和狀態(tài)的殘余強(qiáng)度值高于飽和狀態(tài)的殘余強(qiáng)度值。
相關(guān)期刊推薦：《中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)》創(chuàng)刊于1991年。是經(jīng)原國家科委正式批準(zhǔn)，由中華人民共和國國土資源部主管，中國地質(zhì)災(zāi)害研究會主辦，專門登載有關(guān)自然和人類工程-經(jīng)濟(jì)活動(dòng)誘發(fā)的崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降、地裂縫、地震、黃土濕陷、粘性土脹縮、凍土融陷、地下水污染、海水入侵、礦井突水、巖爆、瓦斯爆炸、水土流失、土地沙漠化、鹽漬化等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生、發(fā)展機(jī)制、規(guī)律、監(jiān)測、預(yù)報(bào)，地質(zhì)災(zāi)害防治新技術(shù)、新方法以及地質(zhì)環(huán)境保護(hù)等方面的科研成果或?qū)W術(shù)論文。本刊物是我國從事地質(zhì)災(zāi)害研究，特別是地質(zhì)災(zāi)害防治及地質(zhì)環(huán)境保護(hù)方面的權(quán)威性刊物。
目前多數(shù)學(xué)者對于膨脹土殘余強(qiáng)度的研究集中在不同豎向應(yīng)力作用下，非飽和狀態(tài)和飽和狀態(tài)殘余強(qiáng)度的變化，得出的結(jié)論是膨脹土在非飽和狀態(tài)的殘余強(qiáng)度是高于飽和狀態(tài)的。那么膨脹土達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，不同的初始含水率，不同的豎向應(yīng)力作用，對殘余強(qiáng)度的影響會呈現(xiàn)哪些特點(diǎn)，這是筆者本次試驗(yàn)?zāi)康摹１敬卧囼?yàn)采取反復(fù)剪切試驗(yàn)。左巍然等[1]、肖杰等[7]提出反復(fù)直剪試驗(yàn)測定膨脹土殘余強(qiáng)度是可行的，但是有些試驗(yàn)組會出現(xiàn)殘余強(qiáng)度的不穩(wěn)定。分析原因如下，一是剪切位移不夠大，不能在同一方向連續(xù)剪切使土體顆粒完成重新定向排列;二是剪切面暴露導(dǎo)致土體受到豎向應(yīng)力不均勻。鑒于反復(fù)剪切試驗(yàn)的缺點(diǎn)，本次試驗(yàn)裝置進(jìn)行了一些改進(jìn)，采用全自動(dòng)殘余強(qiáng)度試驗(yàn)儀進(jìn)行試驗(yàn)，每次剪切位移最大可達(dá)10mm。
1試驗(yàn)方案
1.1試驗(yàn)土樣
試樣為原狀土。為了使本次試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用范圍更廣，土樣分別來自合肥瑤海區(qū)、包河區(qū)、蜀山區(qū)、廬陽區(qū)，這四個(gè)區(qū)處于合肥的東南西北四個(gè)方向。四區(qū)弱膨脹土屬性基本相同(表1)。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在不同區(qū)有相同或近似初始含水率時(shí)，均進(jìn)行殘余強(qiáng)度試驗(yàn)。
通過京探高速100型鉆機(jī)，結(jié)合不同區(qū)域的埋置深度和厚度[8]，每個(gè)區(qū)選擇5個(gè)代表性鉆孔點(diǎn)，每個(gè)孔取四個(gè)土樣，共計(jì)80個(gè)土樣，每個(gè)土樣高度20cm。土樣以灰黃色、褐黃色為主，硬塑-堅(jiān)硬狀態(tài)，光滑，干強(qiáng)度及韌性較高。含直徑1～3mm的球形鐵錳質(zhì)結(jié)核，其膨脹性礦物主要為伊利石，比重較高，但由于其中所含雜質(zhì)(指非膨脹性礦物)含量高，降低了其膨脹勢，因此，合肥膨脹土絕大多數(shù)為弱膨脹土[9-10]。土樣初始含水率分布范圍在16.4%～25.6%。以初始含水率為17.8%，20.5%，22.6%，25.6%的土樣作為研究對象，分別來自廬陽區(qū)、包河區(qū)、瑤海區(qū)、蜀山區(qū)。不同區(qū)相近初始含水率也一起做殘余強(qiáng)度，作為研究對象的四組初始含水率的參考。選擇土樣密封，并放入恒溫保濕箱進(jìn)行保存，以待備用。土樣的基本屬性見表1和表2。
1.2方案設(shè)計(jì)
《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GBT50123-1999)提出黏質(zhì)土需剪切3～4次，總剪切位移達(dá)30～40mm;SKEMPTON[11]認(rèn)為過峰值強(qiáng)度后繼續(xù)剪切位移至25～50mm，可達(dá)到土體的殘余強(qiáng)度;HLNOBLE用內(nèi)徑4.8cm試樣，以0.004mm/min的速率進(jìn)行反復(fù)剪切10～15次，每次剪切位移2.5mm，總剪切位移在50～75mm，可達(dá)到土體的殘余強(qiáng)度。長江科學(xué)院在對軟弱夾層的試驗(yàn)中，用直徑為6.4cm試驗(yàn)，以0.0244mm/min的速率進(jìn)行反復(fù)剪切試驗(yàn);提出不同顆粒組成的試樣，需要的剪切位移是不一樣的。黏土一般需要24～32mm[12]。左巍然等用直徑6.18cm試樣，以0.02mm/min的速率進(jìn)行反復(fù)剪切三次，每次正向剪切位移控制在7mm，膨脹土可達(dá)到穩(wěn)定殘余值;并通過對原狀土、靜壓土和擊實(shí)土三腫不同制樣方式試驗(yàn)進(jìn)行比較分析，殘余強(qiáng)度接近。張曉麗[6]用直徑6.18cm試樣，以0.02mm/min的速率進(jìn)行反復(fù)剪切四次，每次正向剪切位移控制在6mm，膨脹土可達(dá)到殘余強(qiáng)度。通過以上文獻(xiàn)的調(diào)研，本次試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下。
首先對土樣進(jìn)行抽氣真空飽和，《土工試驗(yàn)規(guī)范》提出細(xì)粒土的飽和時(shí)間宜為10h，一些相關(guān)文獻(xiàn)提出飽和時(shí)間為24h[1，6-7]。筆者通過大量土樣的飽和過程觀察，弱膨脹土飽和時(shí)間控制在12～14h，飽和度均能達(dá)到95%以上。時(shí)間過長，膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于松散，進(jìn)行反復(fù)剪切時(shí)試樣容易成稀泥狀而導(dǎo)致試驗(yàn)不能進(jìn)行。真空抽氣時(shí)間為1h。
試驗(yàn)采用全自動(dòng)殘余強(qiáng)度試驗(yàn)儀(圖1)，土樣直徑為61.8mm，高度為20mm，豎向應(yīng)力為100kPa，200kPa，300kPa，400kPa。以0.02mm/min的剪切速度進(jìn)行剪切，最大剪切位移達(dá)到8～10mm;反推速率為0.4mm/min，第一次剪切完成需停留半個(gè)小時(shí)再進(jìn)行第二次剪切，需進(jìn)行反復(fù)剪切，直至最后兩次剪切時(shí)強(qiáng)度峰值接近為止。本試驗(yàn)膨脹土土樣剪切次數(shù)為四次，總位移在32～40mm，每個(gè)土樣試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為四天。第一次的剪切峰值為慢剪抗剪強(qiáng)度，第四次剪應(yīng)力的峰值為殘余強(qiáng)度。土樣剪切結(jié)果見圖2。
2試驗(yàn)結(jié)果分析
不同初始含水率、不同豎向應(yīng)力的試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表3容易看出，在相同豎向應(yīng)力作用下，隨著初始含水率的增加，抗剪強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均呈現(xiàn)降低的趨勢;在相同含水率下，隨著豎向應(yīng)力的增加，抗剪強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度均呈現(xiàn)升高的趨勢。這點(diǎn)和吳迪等[2]，孫濤等[4]，許業(yè)順等[13]利用環(huán)剪儀對飽和黏土殘余強(qiáng)度的結(jié)論是一致的，即隨著豎向應(yīng)力的增加而增大。這是由于豎向應(yīng)力的增加可以增大土顆粒間的摩擦力，從而提高強(qiáng)度。為了尋求初始含水率與豎向應(yīng)力對飽和弱膨脹土殘余強(qiáng)度的共同影響，表2中引入Δmax，表達(dá)式如(1)所示。
2.1殘余強(qiáng)度參數(shù)分析
根據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，膨脹土強(qiáng)度參數(shù)如表4所示。隨著初始含水率的增加，抗剪強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度都呈降低趨勢。其中抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ值下降幅度不大，由22.9°下降到20.7°，差值2.2°;黏聚力c值下降幅度較大，由67.5kPa下降到53.9kPa，差值13.6kPa。殘余強(qiáng)度指標(biāo)φ值下降幅度較大，下降了8.4°;c值下降不大，c值下降了1.7kPa。表3中顯示，殘余強(qiáng)度是低于抗剪強(qiáng)度，通過表4的計(jì)算結(jié)果顯示，主要是表現(xiàn)為φ值顯著降低，c值變化不大。如初始含水率為22.6%時(shí)，φ值由20.7°降低至7°，下降幅達(dá)66.2%，而φ值越小，越容易引起弱膨脹土邊坡淺表層的坍滑。因此考慮不同初始含水率下飽和弱膨脹土的殘余強(qiáng)度是具有重要的意義。試驗(yàn)結(jié)果中，初始含水率為25.6%時(shí)，殘余內(nèi)摩擦角φ為8°，反而出現(xiàn)了上升，這是因?yàn)闅堄鄰?qiáng)度直剪儀反復(fù)四次剪切沒有達(dá)到其殘余強(qiáng)度，具體原因在本文后面有重點(diǎn)分析。
2.2剪應(yīng)力-剪位移曲線分析
由圖4(a)、(b)、(c)、(d)可以看出，隨著初始含水率的增加，膨脹土的抗剪強(qiáng)度在下降，剪應(yīng)力-剪位移曲線由應(yīng)變軟化型-軟化不明顯-應(yīng)變硬化型。初始含水率為17.8%和20.5%時(shí)，第一次剪切曲線均呈現(xiàn)應(yīng)變軟化型，初始含水率為22.6%時(shí)，應(yīng)變軟化現(xiàn)象并不明顯，當(dāng)初始含水率增加至25.6%時(shí)，第一次剪切曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化型。主要是因?yàn)槌跏己试礁撸蛎浲廖υ叫。瑥?qiáng)度貢獻(xiàn)越低，在吸水飽和后，吸力更顯著降低，土體受到豎向應(yīng)力作用后，強(qiáng)度下降不明顯，因此剪切曲線呈現(xiàn)出不同程度的軟化現(xiàn)象和硬化現(xiàn)象。
由圖5～6可以看出，初始含水率為17.8%，20.5%時(shí)，第二次剪切相對于第一次剪切強(qiáng)度下降幅度較大，可高達(dá)35.7%。第三次和第四次剪切峰值比較接近，差值幅度均值在3%左右，最小在0.07%。因此以第四次剪切峰值為殘余強(qiáng)度。因?yàn)榈谝淮渭羟泻螅蛎浲脸霈F(xiàn)剪切錯(cuò)動(dòng)面，黏聚力下降，抗剪強(qiáng)度主要有內(nèi)摩擦角提供;隨著剪切次數(shù)的增加，剪切面顆粒不斷發(fā)生定向排列現(xiàn)象，直至剪切面趨于光滑，最終達(dá)到膨脹土的殘余強(qiáng)度。
由圖7～8可以看出，在300kPa，400kPa作用下，初始含水率為22.6%和25.6%的剪應(yīng)力-剪位移曲線呈應(yīng)變硬化型。第三次和第四次剪切曲線沒有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，如果以第四次剪切峰值作為殘余強(qiáng)度是不準(zhǔn)確的。換言之采用殘余強(qiáng)度剪切儀作較高含水率膨脹土的殘余強(qiáng)度是不合適的，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，較高初始含水率膨脹土要達(dá)到穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度，需要更大的剪切位移，這也是殘余強(qiáng)度試驗(yàn)儀的缺點(diǎn)，直剪的剪切位移是有限的，最大剪切位移為10mm，不能完全滿足黏粒成分的重新定向排列。測定較高初始含水率的膨脹土殘余強(qiáng)度，可借助環(huán)剪儀進(jìn)行研究[14-16]。這也是后續(xù)課題研究的一大重點(diǎn)。但是在200kPa作用下，初始含水率為22.6%試樣卻達(dá)到了穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度，主要是因?yàn)樵嚇邮艿捷^小的豎向應(yīng)力，膨脹性相對較大，使得土粒間的水膜變厚，同時(shí)反復(fù)剪切過程中剪切面水膜進(jìn)繼續(xù)增厚，土粒的排列更整齊且易滑動(dòng)，導(dǎo)致強(qiáng)度進(jìn)一步降低，并隨剪切位移不斷增大最終趨于穩(wěn)定。
2.3剪切位移的分析
表6顯示，在較低初始含水率(17.8%、20.5%)下，第一次剪切峰值(抗剪強(qiáng)度)對應(yīng)的剪切位移在4mm以內(nèi)。第二次剪切位移明顯大于第一次剪切位移，進(jìn)行第三次、第四次剪切后，剪切位移并沒有呈現(xiàn)持續(xù)增加或者持續(xù)減少的規(guī)律。同時(shí)豎向應(yīng)力的增加，也沒有發(fā)生剪切位移的規(guī)律性。較高初始含水率(22.6%、25.6%)下，第一次剪切峰值(抗剪強(qiáng)度)對應(yīng)的剪切位移都超過了4mm，除了初始含水率為22.6%，在300kPa豎向應(yīng)力作用下，剪切位移為2.89mm。雖然剪切位移與初始含水率、豎向應(yīng)力沒有準(zhǔn)確的規(guī)律性變化，但是從表5中可以得出，初始含水率為17.8%和20.5%時(shí)，其殘余強(qiáng)度所對應(yīng)的剪切位移不超過8mm。因此，采用反復(fù)剪切試驗(yàn)測定較低初始含水率殘余強(qiáng)度時(shí)，最大剪切位移可以8mm作為參考值。
3小結(jié)
(1)初始含水率對弱膨脹土的抗剪強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度都有影響，呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。殘余強(qiáng)度時(shí)低于抗剪強(qiáng)度的，降低的原因主要是內(nèi)摩擦角的降低。初始含水率越高，豎向應(yīng)力越大，殘余強(qiáng)度相對于抗剪強(qiáng)度的降低幅度也就越大。
(2)研究初始含水率與殘余強(qiáng)度的關(guān)系，通過線性擬合、對數(shù)擬合和指數(shù)擬合比較，得出豎向應(yīng)力為100kPa、200kPa作用下，初始含水率與弱膨脹土殘余強(qiáng)度呈線性關(guān)系;豎向應(yīng)力為300kPa、400kPa作用下，初始含水率與弱膨脹土殘余強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系，為合肥地區(qū)弱膨脹土殘余強(qiáng)度的計(jì)算提供理論依據(jù)。
(3)隨著初始含水率的增大，豎向應(yīng)力的增加，弱膨脹土的剪應(yīng)力-剪位移曲線由應(yīng)變軟化型-軟化不明顯型-應(yīng)變硬化型，主要是由于吸水飽和，吸力下降的原因。在四次反復(fù)剪切過程中，不管初始含水率及豎向應(yīng)力的變化，四次剪切位移并沒有呈現(xiàn)規(guī)律性的變化。
(4)初始含水率較低時(shí)，采用殘余強(qiáng)度直剪儀可以確定弱膨脹土穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度;初始含水率較高時(shí)，可考慮環(huán)剪儀進(jìn)行殘余強(qiáng)度的測定。合肥地區(qū)膨脹土的初始含水率主要分布在18%～21%，采用反復(fù)直剪試驗(yàn)是可以得出穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度，殘余強(qiáng)度的最大剪切位移可以8mm作為參考。