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        非飽和重塑膨脹土各向等壓加載試驗(yàn)研究

        2012-06-13 09:34:24劉敏捷姚志華覃小華汪龍
        重慶建筑 2012年9期
        關(guān)鍵詞:屈服應(yīng)力非飽和吸力

        劉敏捷,姚志華,覃小華,汪龍

        (1中鐵二十二局集團(tuán)第二工程有限公司,北京100043;2后勤工程學(xué)院軍事建筑工程系,重慶401331;3巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶401331)

        膨脹土對(duì)外界濕度的變化非常敏感,隨著濕度的變化而出現(xiàn)膨脹力,或者出現(xiàn)失水收縮并伴隨裂縫產(chǎn)生[1-2]。這主要由于膨脹土由強(qiáng)親水性礦物蒙脫石和伊利石組成,使其具備了超固結(jié)性、脹縮性和裂隙性3種獨(dú)特的力學(xué)特性[3-4]。膨脹土工程問(wèn)題已經(jīng)成為一個(gè)世界難題,而工程中出現(xiàn)的問(wèn)題往往由于水滲入膨脹土土體引發(fā)濕脹作用產(chǎn)生、又隨著水分逐漸散失而引起土體干縮。往復(fù)的干濕循環(huán)導(dǎo)致裂隙的產(chǎn)生和閉合,再加之雨水侵蝕,從而引發(fā)大量的膨脹土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施破壞。

        Alonso和Gens等人的非飽和土彈塑性模型[5]和膨脹土彈塑性模型框架(BExM)[6],均利用屈服特性及臨界狀態(tài)概念先后建立。陳正漢等[7]通過(guò)試驗(yàn)改進(jìn)了Barcelona模型,并確定三軸剪切條件下的屈服應(yīng)力的新方法,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料建立了一個(gè)考慮剪切因素的土水特征曲線;黃海等[8]通過(guò)試驗(yàn)提出了LC和SI屈服曲線為一條統(tǒng)一的屈服線,對(duì)非飽和土的屈服特性進(jìn)行新的認(rèn)識(shí)。然而,脹縮性和裂隙性如何影響膨脹土的屈服以及水量變化特性,這方面的研究還很少見(jiàn)。

        本文著力研究結(jié)構(gòu)損傷對(duì)屈服和水量變化的影響,以后勤工程學(xué)院研制成功的非飽和土多功能土工三軸儀為工具,首先對(duì)膨脹土進(jìn)行制造結(jié)構(gòu)損傷的干濕循環(huán)試驗(yàn),再對(duì)損傷后的膨脹土試樣進(jìn)行等吸力條件下各向等壓加載試驗(yàn),尋求干濕循環(huán)對(duì)其屈服和水量變化的影響,并對(duì)同一干濕循環(huán)和不同吸力條件下的膨脹土屈服和水量變化特性進(jìn)行比較,為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和了解非飽和膨脹土物理力學(xué)特性提供一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

        1 試驗(yàn)概況

        1.1 符號(hào)說(shuō)明

        本文采用非飽和土力學(xué)中的雙應(yīng)力狀態(tài)變量,即凈總應(yīng)力張量(σij-uaδij)和吸力張量(ua-uw)δij,(σij,ua和uw分別代表總應(yīng)力張量,孔隙氣壓力和和隙水壓力,δij是Kronecker記號(hào))。凈總應(yīng)力和吸力分別由以下2式代表:

        式中,為凈平均應(yīng)力,為吸力;,和分別是3個(gè)方向的主應(yīng)力。表示試樣的體應(yīng)變,表示水的體變,其定義如下:

        式中,△V為加載前后試樣體積之差,△Vw為試樣加載前后的水相體積變化,V0為試樣對(duì)應(yīng)的原始體積。

        試驗(yàn)體變和水相體變與試樣比容及含水率通過(guò)式(5)和(6)聯(lián)系,即:

        式中,e0是試樣的初始孔隙比,w0為初始含水率,Gs為土粒的相對(duì)密度。

        1.2 試驗(yàn)方案制定和制樣方法

        本文所用膨脹土取自南水北調(diào)中線工程陶岔引水渠坡,過(guò)2mm篩后,配制初始含水率為26.55%。重塑制樣后的試樣直徑為3.91cm,高度為8cm,試樣初始干密度控制在1.5g/cm3,土粒相對(duì)密度2.73。

        首先對(duì)重塑試樣進(jìn)行干濕循環(huán),控制烘箱溫度始終為為35℃,在無(wú)鼓風(fēng)狀態(tài)下干燥24h;試樣增濕控制時(shí),飽和度始終為88.58%。試樣增濕至目標(biāo)飽和度要通過(guò)多次增濕,直至試樣體積變化趨于穩(wěn)定,且達(dá)到飽和度要求。增濕時(shí)必須將試樣放在保濕罐中72h以上,已達(dá)到水分充分均勻。

        以多功能土工三軸儀為研究工具[9](如圖1所示),以6個(gè)重塑膨脹土試樣為對(duì)象,進(jìn)行不同干濕循環(huán)次數(shù)和控制吸力以及凈平均應(yīng)力為常數(shù)的各向等壓加載試驗(yàn),試驗(yàn)方案的選定以及試樣初始狀態(tài)參數(shù)參見(jiàn)表1。對(duì)0#試樣以及進(jìn)行干濕循環(huán)1次、2次、3次和4次的1至4#試樣分別進(jìn)行控制吸力為50kPa的各向等壓加載試驗(yàn),而對(duì)5號(hào)試樣干濕循環(huán)4次并進(jìn)行控制吸力為100kPa的各向等壓加載試驗(yàn)。凈平均應(yīng)力分級(jí)施加,施加的應(yīng)力分別是25、50、75、100、150、200、250和350kPa,荷載穩(wěn)定后同時(shí)記錄試樣的變形和排水量。試驗(yàn)過(guò)程中排水孔隙水壓力始終為0,所以試驗(yàn)只需控制凈圍壓。表中0#試樣為無(wú)干濕循環(huán)的初始試樣,即為初始的重塑狀態(tài)。

        圖1 非飽和土多功能土工三軸儀

        表1 試樣方案選定和初始狀態(tài)參數(shù)

        1.3 試驗(yàn)穩(wěn)定規(guī)定和校正排水量誤差

        根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)著作,各向等壓加載試驗(yàn)采用的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為:在2h內(nèi),試樣的體變小于0.0063cm3,排水量小于0.012cm3。各向等壓加載試驗(yàn)試驗(yàn)周期較長(zhǎng),完成一個(gè)試驗(yàn)大約需要半月左右(表2)。

        表2 試驗(yàn)過(guò)程中的排水量與校正值的比較[13]

        較長(zhǎng)的試驗(yàn)周期勢(shì)必導(dǎo)致水中溶解的氣體在陶土板底部出現(xiàn),多余的氣體會(huì)阻礙水分的順暢排出,記錄含水率時(shí)必須對(duì)排水量測(cè)值進(jìn)行校正。試驗(yàn)結(jié)束后,將試樣切為3段,快速量測(cè)各段的含水率,將其平均值作為校正標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)計(jì)算得到試樣的實(shí)際排水量,即可以得到校正值。各個(gè)試樣的含水率校正值如表2所示。本文均將校核值作為分析水量變化特征的基礎(chǔ)。

        2 試驗(yàn)結(jié)果分析

        2.1 干濕循環(huán)宏觀反映分析

        圖2 3#試樣干濕循環(huán)過(guò)程后的形態(tài)

        圖2(a)和(b)分別是3#試樣增濕和烘干時(shí)的狀態(tài),限于篇幅本文不再列出其他試樣干濕循環(huán)過(guò)程圖片。總體來(lái)看,試樣產(chǎn)生的裂隙主要集中在表層,這與試樣水份蒸發(fā)有關(guān);這也與實(shí)際情況完全符合,膨脹土地區(qū)土樣水份先通過(guò)地表蒸發(fā),會(huì)產(chǎn)生大量的微裂紋,地表處最先遭到破壞,從而產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象時(shí),初始裂隙延伸較短,開(kāi)裂深度較淺;隨著濕干循環(huán)的進(jìn)行,原有的主裂隙不斷擴(kuò)大并向試樣內(nèi)部不斷深入,在原有裂隙周邊產(chǎn)生新的次生裂隙向四周擴(kuò)散,次生裂隙的規(guī)模要小于主裂隙。主裂隙和次生裂隙在濕干循環(huán)過(guò)程中不斷擴(kuò)展、擴(kuò)散直至貫通。從以上分析來(lái)看,干濕循環(huán)過(guò)程中試樣裂隙產(chǎn)生呈現(xiàn)隨機(jī)性和不規(guī)則性。

        加水和失水導(dǎo)致膨脹和收縮對(duì)膨脹土裂隙的產(chǎn)生及閉合均產(chǎn)生較大影響。隨干濕循環(huán)過(guò)程,主裂隙不斷擴(kuò)展并向試樣內(nèi)部不斷楔入,次生裂隙逐漸形成葉脈狀并連接構(gòu)成網(wǎng)格狀分布。在無(wú)約束條件下,試樣浸濕和干燥都能引發(fā)裂隙的產(chǎn)生和閉合;試樣增濕過(guò)程小裂隙會(huì)閉合,大裂隙會(huì)擴(kuò)展;干燥過(guò)程小裂隙會(huì)擴(kuò)展,而大裂隙會(huì)收縮變窄。烘干后的試樣水份大量消散,試樣表面存在較多裂隙,這些裂縫為下次水份進(jìn)入試樣內(nèi)部提供了便利的通道,進(jìn)而使得膨脹土表層更易吸水而產(chǎn)生軟化[10-11]。

        2.2 干濕循環(huán)對(duì)屈服應(yīng)力、水量變化指標(biāo)的影響

        圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)試樣的v-lgp關(guān)系(吸力50kPa)

        圖3是0#至4#試樣比容與凈平均應(yīng)力(v-lgp)關(guān)系圖??蓪⒓虞d過(guò)程中的試驗(yàn)點(diǎn)近似歸一到直線上。根據(jù)文獻(xiàn)[12]可將交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的凈平均應(yīng)力作為屈服應(yīng)力。由該圖可知,0#至4#試樣的屈服應(yīng)力分別是150.34、134.58、116.61、94.25和82.14kPa,結(jié)合以上分析可知,同一吸力條件下,伴隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加,試樣屈服應(yīng)力則相應(yīng)地減小。

        屈服點(diǎn)前后直線段斜率可稱為壓縮指數(shù),通過(guò)最小二乘法擬合得到各試樣的壓縮指數(shù),并列于表3中。由該表可知,在試樣屈服前,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加其壓縮指數(shù)的絕對(duì)值逐漸增大;當(dāng)屈服發(fā)生后,5個(gè)試樣的直線段斜率,除1#試樣外基本變化不大,由以上分析可知,干濕循環(huán)對(duì)試樣屈服后的壓縮指數(shù)沒(méi)有質(zhì)的影響[13]。

        表3 與各向同性加載試驗(yàn)相關(guān)的壓縮指標(biāo)和水量指標(biāo)[13]

        干濕循環(huán)次數(shù)越多,試樣結(jié)構(gòu)損傷越大,裂隙和孔隙發(fā)育越加明顯,其抵御外部荷載的能力同時(shí)減小,造成了在同一凈平均應(yīng)力作用下,試樣變形越大,這也是屈服前干濕循環(huán)次數(shù)較多試樣壓縮指數(shù)偏大以及屈服發(fā)生提前的原因。

        圖4 不同干濕循環(huán)次數(shù)試樣的εw-p和w-p關(guān)系

        由圖4可知,相同吸力條件下,干濕循環(huán)對(duì)試樣的排水會(huì)產(chǎn)生一定的影響,突出表現(xiàn)在較多的干濕循環(huán)次數(shù)造成含水率下降更快。出現(xiàn)以上現(xiàn)象與試樣干濕循環(huán)次數(shù)越多含水率越大有關(guān),并且與干濕循環(huán)次數(shù)越多、試驗(yàn)每級(jí)荷載所需時(shí)間較長(zhǎng)有關(guān)。

        干濕循環(huán)次數(shù)越多,試樣結(jié)構(gòu)破壞越大,在同一吸力和凈平均應(yīng)力條件下,水分越容易沿著裂隙和孔洞流動(dòng)而被排除,這也是圖4中干濕循環(huán)次數(shù)越多的試樣排水越加容易的原因。

        圖5 相同干濕循環(huán)次數(shù)不同吸力試樣的v-lgp關(guān)系

        圖6 4#和5#試樣的εw-p和w-p關(guān)系

        圖4表示了0#至的εw-p和w-p關(guān)系。由該圖可知水量變化指標(biāo)和體變指標(biāo)與凈平均應(yīng)力之間的關(guān)系曲線可用一條直線代替,用最小二乘法擬合直線的斜率,其值分別用λ(s)和β(s)表示并列于表3中。 λw(s)和β(s)的關(guān)系可由式(2.8)對(duì)p兩邊求導(dǎo)得來(lái)。并滿足關(guān)系式(7):

        2.3 吸力對(duì)屈服應(yīng)力、水量變化指標(biāo)的影響

        本文除對(duì)比干濕循環(huán)對(duì)膨脹土力學(xué)特性的影響外,還對(duì)同一干濕循環(huán)次數(shù)不同吸力下的試樣進(jìn)行屈服和水量變化比較[13]。4#和5#試樣在干濕循環(huán)4次后進(jìn)行不同吸力下的均壓試驗(yàn),圖5、圖6(a)和6(b)分別是兩個(gè)試樣的v-lgp、εw-p和w-p關(guān)系。由圖5可知,5#試樣屈服應(yīng)力為166.74kPa,要稍大于4#試樣的屈服應(yīng)力,這與試樣受到的吸力有關(guān),說(shuō)明了吸力越大,屈服應(yīng)力越大。

        圖6與圖4較為相似,εw-p和w-p的關(guān)系也可采用直線代替,2條直線的斜率之間差距較小,由于本文只進(jìn)行了一個(gè)不同吸力以及干濕循環(huán)次數(shù)相同的均壓試驗(yàn),故只能初步認(rèn)為相同損傷不同吸力條件下的試樣水量變化指標(biāo)和體變指標(biāo)相等(其值見(jiàn)表3)。

        3 結(jié)語(yǔ)

        為研究裂隙和脹縮對(duì)非飽和重塑膨脹土屈服和水量變化特性的影響,首先對(duì)重塑膨脹土試樣進(jìn)行不同次數(shù)的干濕循環(huán),再以應(yīng)力控制式多功能土工三軸儀為工具,對(duì)干濕循環(huán)后的試樣進(jìn)行控制吸力和凈平均應(yīng)力為常數(shù)的各向等壓加載試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:

        (1)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,膨脹土試樣裂隙和孔洞發(fā)育愈加明顯;裂隙和孔洞為水分的運(yùn)移提供了捷徑,使得結(jié)構(gòu)損傷越大的試樣,排水能力顯著提高;

        (2)同一吸力條件下,屈服應(yīng)力隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大而減?。煌桓蓾裱h(huán)次數(shù)條件下,試樣所受吸力越大,屈服應(yīng)力越大;

        (3)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大,屈服前的壓縮指數(shù)一直增大,而屈服后的壓縮指數(shù)則近似為一常數(shù)。

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