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        土、巖及接觸面力學(xué)特性研究

        2012-02-23 07:40:16馬治國
        地下水 2012年2期
        關(guān)鍵詞:粘聚力原狀摩擦角

        馬治國

        (中國水電十五局,陜西 西安710068)

        寶天高速路段隧道位于陜甘交界的秦嶺山區(qū),地形相對高差較大,山頂海拔一般在1 000~1 400 m之間,為中低山~低山區(qū)地貌特征。山區(qū)植被稀少,隧道址高程介于629.70~1 035.46 m之間,全線隧道最大埋深294.02 m。路線所經(jīng)區(qū)域?qū)儆邳S河流域渭河流域水系,其大部分路段又沿渭河干流布設(shè)。土、巖接觸地層是淺埋隧道開挖過程經(jīng)常遇到的一種地層條件。通過試驗(yàn)揭示這一地質(zhì)特征及附近發(fā)生顯著的力學(xué)特性變化和物理力學(xué)性質(zhì)。

        1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

        根據(jù)項(xiàng)目要求及中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-2001),對采取的土樣進(jìn)行了土的基本物理性質(zhì)、滲透性及剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。所有試驗(yàn)操作均按水電部頒發(fā)的《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123—1999進(jìn)行。

        2 基本物理性質(zhì)測試結(jié)果

        由試驗(yàn)確定的土的各項(xiàng)物理性質(zhì)如表1,黑嶺隧道采取黃土的干重度為 15.65~16.32 kN/m3,砂巖的干密度 20.46~24.08 kN/m3;黃土的天然含水量在 19.22% ~ 20.06%;砂巖的天然含水量在5.58% ~8.01%;黃土的液性指數(shù)均小于1,呈堅(jiān)硬狀態(tài),黃土的塑性指數(shù)在10.56~15.57,黃土屬于粉土或粉質(zhì)粘土,砂巖呈全風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化

        表1 土、巖接觸面上覆黃土及砂巖基本物理特性

        3 三軸試驗(yàn)結(jié)果

        原狀土樣固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果,表明:1)土在小圍壓50-100kPa下應(yīng)力達(dá)到峰值后隨應(yīng)變的增加而減小,土產(chǎn)生較為明顯的軟化現(xiàn)象;2)雖在200 kPa也有軟化現(xiàn)象產(chǎn)生,當(dāng)固結(jié)壓力為300 kPa時(shí),具有明顯的硬化現(xiàn)象。3)由于原狀土存在結(jié)構(gòu)性,隨著較弱結(jié)構(gòu)單元的變形破壞,較強(qiáng)結(jié)構(gòu)單元的強(qiáng)度將逐漸發(fā)揮出來,不論是應(yīng)變軟化曲線還是以應(yīng)變硬化曲線,在剪切過程中表現(xiàn)出抗剪應(yīng)力的跳躍性增長。4)固結(jié)圍壓在50~200 kPa之間變化時(shí),盡管固結(jié)圍壓增長明顯,但由于原狀結(jié)構(gòu)性的存在,不同固結(jié)圍壓下土的主應(yīng)力差的最大值相差不多,而當(dāng)固結(jié)圍壓達(dá)300 kPa時(shí),應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)發(fā)生了改變,這說明了土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力在200~300 kPa之間。土體上層覆蓋應(yīng)屬于中淺層覆蓋,這也與采樣土體的實(shí)際情況也相符。

        飽和重塑土的應(yīng)力應(yīng)變曲線表明,由于重塑土是將原狀土樣天然結(jié)構(gòu)破壞后過2 mm篩,并以天然干密度為控制條件制備配的,盡管密實(shí)度與原狀樣一致,但其原有的膠結(jié)作用已被破壞,吸力作用消失,因此土體所表現(xiàn)出來的力學(xué)特性與原狀土樣也就具有很大的差異。一是不同圍壓下飽和重塑黃土的應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈雙曲線形態(tài),即使在較小的固結(jié)圍壓(50 kPa)下土樣已具有很明顯的硬化特征,且隨著固結(jié)圍壓的增大,土所表現(xiàn)出的抗剪切強(qiáng)度也在增大。二是由于剪切過程中不排水,雖在固結(jié)時(shí)土樣內(nèi)孔壓消散為零,但在剪切開始后,孔壓隨著軸向應(yīng)變的增大而增大,且固結(jié)圍壓越大,孔壓增加量也就越大。三是與原狀土樣不排水剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線比較,低圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線沒有軟化特征,原狀土的抗剪切強(qiáng)度明顯大于飽和重塑土樣的抗剪強(qiáng)度。

        天然黃土覆蓋層下伏的砂巖盡管密實(shí)度大,但風(fēng)化嚴(yán)重,易碎散,難以采取原狀樣,因此,采取擾動(dòng)樣,在室內(nèi)制備重塑樣來近似確定全風(fēng)化砂巖的變形特性參數(shù)。制備砂樣的干密度為16.08 kN/m3,重塑砂土樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線的測試結(jié)果可以看出,不同圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線均呈硬化型,隨著固結(jié)圍壓增大,破壞時(shí)土的抗剪切強(qiáng)度在不斷增大。在50~100 kPa的圍壓下,土在不排水剪切作用下,孔壓隨著應(yīng)變的增長而出現(xiàn)負(fù)值,也就是說土樣由于剪應(yīng)力引起顆粒間相互位置的變化,加大了砂土顆粒間的孔隙,體積也就隨著剪切過程增大,出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象,可以看到較為明顯的剪切帶;固結(jié)圍壓在200 kPa、300 kPa時(shí),不排水剪切過程中土中孔隙水壓力在不斷增長,呈剪縮性狀。將原狀土樣擾動(dòng)后,控制與原狀土相同的干密度,采用壓樣法制備成重塑土樣,然后飽和,進(jìn)行固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)。根據(jù)破壞應(yīng)變條件下的應(yīng)力狀態(tài)繪制莫爾應(yīng)力圓,確定強(qiáng)度包線及其相應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)。

        依據(jù)飽和重塑土的固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)結(jié)果可以看到,土的強(qiáng)度參數(shù)與原狀土樣有較大的區(qū)別,內(nèi)摩擦角小值均值由21.180降低到18.340,粘聚力的小值均值由55.7 kPa降低至20.54 kPa。土強(qiáng)度指標(biāo)的變化與原狀土樣重塑結(jié)構(gòu)破壞關(guān)系密切。這是由于土原狀結(jié)構(gòu)被破壞后,制備成的重塑土土粒間的膠結(jié)連接被破壞,孔隙分布均勻,且土樣飽和后含水狀態(tài)發(fā)生變化,粒間吸力消失。一方面膠結(jié)作用破壞、吸力作用消失;另一方面原狀土中存在的結(jié)構(gòu)單元形成的團(tuán)粒、凝塊碎散,因此,飽和重塑土的摩擦角及粘聚力均小于原狀土的強(qiáng)度指標(biāo)。

        全風(fēng)化砂巖擾動(dòng)重塑后,控制干密度(16.08 kN/m3)制備砂樣的三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果得到的莫爾應(yīng)力圓及強(qiáng)度包線如圖2.53所示。重塑砂土的粘聚力為24 kPa,摩擦角為38°。由于砂土干容重較實(shí)際全風(fēng)化砂巖的干容重(22.27 kN/m3)小得多,因此,實(shí)際全風(fēng)化砂巖的強(qiáng)度指標(biāo),尤其是粘聚力較測試結(jié)果可能要大許多。

        依據(jù)各組原狀土及重塑土不同固結(jié)圍壓下破壞應(yīng)變時(shí)的主應(yīng)力差,分別求其均值及小值均值,如表2.10所示。繪制莫爾應(yīng)力圓及其強(qiáng)度包線,分別確定得到了原狀土固結(jié)不排水條件下均值強(qiáng)度的粘聚力138 kPa和摩擦角15°,以及小值均值強(qiáng)度的粘聚力115 kPa和摩擦角15°;飽和重塑土固結(jié)不排水均值強(qiáng)度的粘聚力15 kPa和摩擦角18.7°,以及小值均值強(qiáng)度的粘聚力20 kPa和摩擦角15.3°。同樣表明飽和重塑土較原狀土的粘聚力有較大的減小,摩擦角較接近。也說明原狀土結(jié)構(gòu)性的喪失主要是其粘聚力的減小。與前述強(qiáng)度指標(biāo)的小值均值比較,對于原狀土,前者的粘聚力較后者小,摩擦角較后者的大;對于重塑土,兩者的粘聚力基本一致,前者的摩擦角較后者大。

        圖2.53 重塑砂土的抗剪強(qiáng)度包線

        巖土工程問題分析中簡單實(shí)用的彈塑性模型為D-P模型,前述的強(qiáng)度指標(biāo)可以用來確定模型的屈服面,在剪切變形未出現(xiàn)塑性屈服以前,材料呈彈性變形。因此,還需要確定土的彈性變形參數(shù)。一般,可以將土應(yīng)力應(yīng)變曲線的初始剪切模量E0視為彈性模量。原狀土在不同固結(jié)圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線在原點(diǎn)的切線斜率如表2.11所示,除黑嶺5號樣之外,隨著固結(jié)圍壓增大,土的初始切線模量逐漸減小。由于初始切線模量較大,隨著剪切應(yīng)力水平的發(fā)展,難以反映土實(shí)際的非線性剪切變形,因此人們將剪應(yīng)力達(dá)最大值50%的割線模量(表示為E50)代替彈性模量,引入D-P模型進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。原狀土在不同固結(jié)圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線在剪應(yīng)力達(dá)最大值50%的割線模量。同樣,除黑嶺5號樣之外,隨著固結(jié)圍壓增大,各土樣的E50逐漸減小。將不同固結(jié)圍壓下的E0和E50均取均值或者小值均值,它們也隨固結(jié)圍壓的增大而減小。由此表明,盡管隨著固結(jié)圍壓增大,土的抗剪強(qiáng)度在逐漸增大,但由于固結(jié)圍壓的作用,壓縮破壞了部分結(jié)構(gòu)單元,圍壓越大破壞的結(jié)構(gòu)單元越多,土樣宏觀上表現(xiàn)為剛度逐漸降低。

        為了揭示土、巖接觸面上的強(qiáng)度特性,在直接剪切儀的下盒制備全風(fēng)化砂巖,上盒制備重塑黃土樣,同時(shí)考慮接觸面上黃土可能存在的增濕變化,進(jìn)行了不同濕度上覆黃土的接觸面剪切測試。上覆黃土含水量為15%時(shí),接觸面的摩擦角為5.85°,粘聚力為 190.8 kPa;上覆黃土含水量為 23%時(shí),接觸面的摩擦角為 6.81°,粘聚力為31.9 kPa;上覆黃土含水量為26%時(shí),接觸面的摩擦角為9.91°,粘聚力為38.9 kPa。表明含水量變化對土、巖接觸面的粘聚特性有顯著影響,含水量較低時(shí),黃土與模擬砂巖有較強(qiáng)的粘結(jié)作用;含水量較高時(shí),黃土與模擬砂巖的粘結(jié)作用較弱。與相同含水量的重塑黃土比較,土、巖接觸面主要依賴于軟弱介質(zhì)的強(qiáng)度特性;土、巖接觸面易形成剪切滑動(dòng)面,其摩擦作用明顯減小。

        為了揭示土的壓縮變形特性,選擇其中黑嶺-1號、黑嶺-2號土樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn),測試得到了e~p曲線和e~log p曲線,確定得到了不同壓縮應(yīng)力增量段的壓縮系數(shù)、壓縮模量及回彈模量,黑嶺-1號土樣的壓縮指數(shù)為0.222 2,回彈指數(shù)為0.006 4;黑嶺 -2號土樣的壓縮指數(shù)為0.216 7,回彈指數(shù)為 0.005 4。

        通過現(xiàn)場波速法可以測得小應(yīng)變波動(dòng)在巖土介質(zhì)中傳播的縱波和橫波,其測試原理就是根據(jù)測得的震源與接收器之間的距離及波(剪切波或壓縮波)到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間算出波速cs(cp),之后再求取彈性模量。彈性參數(shù)的計(jì)算如式2-10、2 -11、2 -12。

        測試波速及彈性參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2.14-表2.15所示,與三軸試驗(yàn)測試的初始模量比較,依據(jù)波速確定的彈性模量接近于低圍壓下的初始剪切模量,這是由于低壓縮應(yīng)力引起土結(jié)構(gòu)的破損程度較小。因此,基于波速確定的彈性參數(shù)反映了原狀黃土結(jié)構(gòu)性未遭受改變時(shí)的力學(xué)特性。兩座隧道上覆黃土及下伏砂巖的彈性參數(shù)比較接近,屬于同一個(gè)數(shù)量級。

        表2.14 槐樹嶺隧道不同地層的彈性參數(shù)表

        表2.15 黑嶺隧道不同地層的彈性參數(shù)表

        4 結(jié)論

        土、巖接觸地層是淺埋隧道開挖過程經(jīng)常遇到的一種地層條件。從試驗(yàn)結(jié)果可以看到這一地質(zhì)特征使得隧道圍巖在土、巖接觸面附近發(fā)生顯著的力學(xué)特性變化。

        通過對上覆黃土的基本物理特性研究、室內(nèi)常規(guī)三軸剪切試驗(yàn)、室內(nèi)直剪試驗(yàn)及固結(jié)試驗(yàn),對于上覆黃土的土、巖接觸面的物理力學(xué)性質(zhì)有以下認(rèn)識:

        1)土、巖接觸面易形成剪切破壞面,接觸面的剪切強(qiáng)度主要取決于軟弱黃土的強(qiáng)度特性。

        2)隨著土、巖接觸面處上覆黃土含水量的增加,接觸面的粘聚力顯著減小;摩擦角衰減較小,但較黃土的摩擦角小。

        3)土、巖接觸面處兩種介質(zhì)的含水量差異較大,黃土的天然含水量均值19.74%,全風(fēng)化砂巖的天然含水量均值6.79%??梢?,全風(fēng)化砂有顯著地阻水作用,一旦有水浸入時(shí),易形成滯水層。

        4)飽和重塑黃土與原狀黃土比較,由于擾動(dòng)重塑及飽和作用,土的結(jié)構(gòu)性基本喪失,土的粘聚力顯著減小;土的變形參數(shù)也顯著減小。因此,考慮浸水入滲引起含水量增大造成黃土圍巖變形發(fā)展是非常必要的。

        5)測試確定了D-P模型及劍橋模型相關(guān)的參數(shù)。

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