吳道祥, 熊福才, 郭靜芳, 沈啟鵬, 胡雪婷

(合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

不同含水率膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度-電阻率試驗(yàn)研究

吳道祥, 熊福才, 郭靜芳, 沈啟鵬, 胡雪婷

(合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

文章通過對不同含水率的合肥膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度-電阻率試驗(yàn),獲取了不同含水率條件下合肥膨脹土的應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率全過程變化曲線;分析了含水率對膨脹土強(qiáng)度的影響、膨脹土受壓過程中應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率的變化規(guī)律;探討了膨脹土受壓過程中導(dǎo)致電阻率變化的3種效應(yīng)——壓密效應(yīng)、水連通效應(yīng)和結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng),試驗(yàn)中不同含水率膨脹土試樣電阻率的不同變化是3種效應(yīng)的疊加和綜合反映;探討了不同含水率條件下,膨脹土初始電阻率、破壞電阻率與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。研究結(jié)果有助于探索利用電阻率法評價(jià)膨脹土的強(qiáng)度特性,建立土體地球物理參數(shù)與強(qiáng)度特性之間的關(guān)系。

膨脹土;電阻率;含水率;無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

0 引 言

膨脹土是一種富含親水性礦物的高塑性黏土,因其特殊的礦物組成,對水分的敏感性特別強(qiáng)烈,在干濕交替頻繁的氣候環(huán)境中,具有顯著的吸水膨脹、失水收縮和反復(fù)脹縮變形、浸水強(qiáng)度減弱等性質(zhì),抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的“變動”特性[1-4],對房屋建設(shè)、公路、橋梁、鐵路等工程經(jīng)常造成強(qiáng)烈的破壞。

在實(shí)際工程中,對膨脹土工程特性的研究方法有很多,如原位測試、室內(nèi)試驗(yàn)等。電阻率法是巖土工程工作者研究土壤性質(zhì)的一種新方法,電阻率是土的固有物性參數(shù)之一,可反映土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及結(jié)構(gòu)特征等,具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值[5-6]。文獻(xiàn)[7-8]對電阻率與土的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)、物理力學(xué)性質(zhì)以及土體環(huán)境污染等方面進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[9]通過對飽和土體和非飽和土體的電阻率特性影響因素的研究,指出影響土的電阻率的因素十分復(fù)雜,但主要來自土體因素、土顆粒因素和環(huán)境因素3個方面;文獻(xiàn)[10-11]研究了土的顆粒組成和微觀結(jié)構(gòu)特征對電阻率的影響;文獻(xiàn)[12]通過對重塑膨脹土的電阻率進(jìn)行測試研究,提出了一種飽和/非飽和土的假想電阻率模型。

從已有研究成果來看,影響膨脹土電阻率的諸多因素也同樣影響著膨脹土的強(qiáng)度,電阻率參數(shù)應(yīng)能很好地反映膨脹土的強(qiáng)度特性。膨脹土是一類區(qū)域性特殊土,對特定區(qū)域的膨脹土而言,其物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造等基本相同,含水率和干濕循環(huán)條件就成了影響其強(qiáng)度、電阻率特性等性質(zhì)的2個主要因素。由于現(xiàn)有設(shè)備尚無法在直剪試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)過程中測試土體的電阻率,本文以合肥膨脹土為研究對象,開展了不同含水率條件下合肥膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及與之同步的電阻率測試試驗(yàn),獲取了不同含水率條件下合肥膨脹土的應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率全過程變化曲線,分析了含水率對膨脹土強(qiáng)度的影響、膨脹土受壓過程中應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率的變化規(guī)律,以及不同含水率條件下,膨脹土初始電阻率、破壞電阻率與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。研究結(jié)果有助于探索利用電阻率法評價(jià)膨脹土的強(qiáng)度特性,建立土體地球物理參數(shù)與強(qiáng)度特性之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自合肥新蚌埠路某工地,深度為6.0～8.0 m,顏色為灰黃色,硬塑狀態(tài),含有少量鐵錳結(jié)核及氧化鐵,其基本物理性質(zhì)指標(biāo)如下:含水率w=23.2%,天然密度ρ=1.91 g/cm3,自由膨脹率Fs=52.0%,液限wL=44.9%,塑限wP=20.6%,塑性指數(shù)IP=24.3。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 儀器設(shè)備

電阻率測試采用ESEU-1型土電阻率測試儀,儀器采用交流、低頻、二相電極。儀器的測試原理如圖1所示[13],儀器的有效量程為0.1～111 111.1 Ω。

在進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過程中,在試樣的頂、底面分別放置1個定制的電極片,電極片的面積比試樣的橫截面積稍大,在電極片與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀接觸的2個面上各放1個很薄的塑料膜,使得電極片與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀絕緣。再用導(dǎo)線連接電阻率測試儀器和電極片,從而在進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的同時測得試樣的電阻率。

圖1 電路原理圖

1.2.2 試驗(yàn)方法

按照文獻(xiàn)[14]的規(guī)定,制備了含水率分別為10%、15%、20%、25%、27%的5種重塑試樣,進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),與此同時測試土樣的電阻率,獲得了土樣的應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率全過程變化曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 含水率與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

不同含水率試樣試驗(yàn)后的破壞情況如圖2所示。

從圖2可以看出,含水率為10%的試樣破壞程度非常大,發(fā)生了明顯的脆性破壞;含水率為15%和20%的試樣破壞程度較大,有明顯的裂縫;含水率為25%和27%的試樣破壞程度較小,表面僅有幾條細(xì)小的裂縫。

不同含水率試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可看出，合肥地區(qū)膨脹土重塑土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著含水率的增大而減小。當(dāng)含水率小于20%時,土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的增大而迅速減小;含水率大于20%后,土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度仍隨含水率的增大而減小,但其衰減幅度變緩。

圖2 不同含水率試樣試驗(yàn)后的破壞情況

從圖3可知,在不同含水率條件下,膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水率呈指數(shù)關(guān)系,擬合公式為:

qu=3 112.2e-0.105 4w

(1)

其中,qu為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度;w為試樣含水率。由圖3可見,實(shí)測曲線與擬合曲線相當(dāng)吻合,近乎重合,相關(guān)系數(shù)R=0.997。擬合結(jié)果表明,經(jīng)過重塑,膨脹土的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造等其他影響強(qiáng)度的因素完全均一化后,含水率與強(qiáng)度的關(guān)系凸顯,兩者基本上可以用定量的函數(shù)關(guān)系加以表達(dá)。

圖3 膨脹土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水率的關(guān)系曲線

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率全過程變化曲線

膨脹土重塑樣的應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率全過程變化曲線如圖4所示。含水率較低時,膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)明顯的應(yīng)變軟化特性,含水率越低,破壞時的軸向應(yīng)變越小(含水率為10%時,其破壞時的軸向應(yīng)變僅為1.5%左右;而含水率為25%時,破壞時的軸向應(yīng)變達(dá)5.5%),應(yīng)變軟化特性越明顯,其破壞也呈明顯的脆性破壞(圖2a、圖2b、圖2c);當(dāng)其含水率較高時則轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性,其破壞也呈現(xiàn)明顯的塑形破壞(圖2d、圖2e)。

在土樣破壞前,應(yīng)力均隨應(yīng)變的增大而迅速增大,與此對應(yīng)的電阻率則迅速降低;隨后,當(dāng)含水率較低(≤25%) 時,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)變軟化特性,應(yīng)力隨應(yīng)變的增長而降低,而電阻率則隨應(yīng)變的增長而有所增大;而當(dāng)含水率較高時,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈應(yīng)變硬化,應(yīng)力隨應(yīng)變增大而仍緩慢增長,電阻率則隨應(yīng)變增大而慢慢降低。由此可見,受壓過程中,膨脹土的應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率變化情況非常吻合,證明了利用電阻率法研究和評價(jià)膨脹土強(qiáng)度的可行性。

試樣在受壓全過程中,其電阻率有增有減,導(dǎo)致電阻率變化的原因有:

(1) 土樣受壓顆粒接觸更加緊密,電傳導(dǎo)更易,電阻率下降,可稱之為電阻率變化的“壓密效應(yīng)”。

(2) 土樣受壓,孔隙中的氣體排出,土樣含水率不變而飽和度增大,孔隙中水連通性增強(qiáng),電阻率也會降低,稱之為電阻率變化的“水連通效應(yīng)”。

(3) 土樣受壓,隨著應(yīng)力的增大,土體中破壞裂隙開始發(fā)育、發(fā)展,土體結(jié)構(gòu)逐漸破壞,裂隙和裂縫的存在使得電傳導(dǎo)受阻,電阻率增大,稱之為電阻率變化的“結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)”。試驗(yàn)過程中土樣電阻率的增、減變化,就是這3種效應(yīng)的疊加綜合反映。

不同含水率條件下,土樣破壞前,當(dāng)應(yīng)力較小時,結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)尚未出現(xiàn),隨著應(yīng)力、應(yīng)變的增大,土體壓密,孔隙氣體和水排出而水連通性增強(qiáng),土樣的裂隙發(fā)育不明顯,壓密效應(yīng)和水連通效應(yīng)明顯,電阻率隨著應(yīng)力的增大而迅速減小,電阻率變化曲線陡降。應(yīng)力進(jìn)一步增大接近峰值,此時壓密效應(yīng)和水連通效應(yīng)的發(fā)揮已接近其極限,而土樣中破壞裂隙開始逐漸發(fā)育、發(fā)展,結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)開始顯現(xiàn),電阻率仍然隨應(yīng)力的增大而減小,但其減小的幅度已大大降低,電阻率變化曲線相對趨緩。應(yīng)力進(jìn)一步增大,試樣受壓破壞,含水率不同的試樣電阻率呈現(xiàn)出2種不同的變化規(guī)律:① 含水率較低時,土樣呈脆性破壞(圖2a、圖2b、圖2c),試樣中裂隙、裂縫數(shù)量多、寬度大、貫通性強(qiáng),結(jié)構(gòu)破壞明顯,結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)明顯,而此前壓密效應(yīng)和水連通效應(yīng)已經(jīng)達(dá)到極致,此時,隨著應(yīng)力的增大,結(jié)構(gòu)破壞更加強(qiáng)烈,結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)更加凸顯,電阻率隨之增大,由圖4a、圖4b、圖4c可見,含水率越低,脆性破壞越明顯,電阻率增長幅度越大;② 含水率較高時,土樣塑性破壞,破壞時僅見少量細(xì)小的裂縫,結(jié)構(gòu)破壞不明顯,結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)也相應(yīng)較弱,在3種效應(yīng)的綜合作用下,電阻率仍隨應(yīng)力的增大而緩慢降低(圖4e)。

圖4 不同含水率膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率關(guān)系曲線

由上述分析可見,受壓過程中,膨脹土試樣的電阻率與應(yīng)力-應(yīng)變變化基本協(xié)調(diào)一致,說明采用電阻率方法研究和評價(jià)膨脹土的強(qiáng)度應(yīng)該是完全可行的。

2.3 膨脹土電阻率與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

膨脹土試樣初始電阻率(即試樣未受壓前所測定的電阻率)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線如圖5所示?？梢钥闯?不同含水率條件下,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與初始電阻率呈線性關(guān)系,隨著初始電阻率的增大而線性增大。其線性擬合公式為:

qu=17.406ρ初始-216.7

(2)

其中,qu為試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度;ρ初始為初始電阻率。由圖5可見,實(shí)測點(diǎn)基本與擬合的直線重合,相關(guān)系數(shù)R=0.999,表明膨脹土試樣的初始電阻率和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系非常穩(wěn)定,兩者呈現(xiàn)出線性相關(guān)的特性,由此再次證明了采用電阻率方法評價(jià)膨脹土的強(qiáng)度是完全可行的。

圖5 初始電阻率與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線

不同含水率的情況下,試樣的破壞電阻率(試樣破壞時測定的電阻率)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可知,當(dāng)含水率較大(>25%)時,試樣破壞時的電阻率基本保持不變；當(dāng)含水率較低(≤25%)時,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和破壞電阻率在同步增大。

圖6 破壞電阻率與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線

與初始電阻率和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系不同,不同含水率條件下,膨脹土試樣破壞時的電阻率和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系更為復(fù)雜,不再表現(xiàn)出簡單的線性關(guān)系,但不同試樣破壞時電阻率的變化仍可根據(jù)壓密效應(yīng)、水連通效應(yīng)和結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)等加以解釋。當(dāng)含水率較高時,壓密效應(yīng)和水連通效應(yīng)對不同含水率土樣的影響基本相同,而高含水率土樣破壞時為塑性破壞,結(jié)構(gòu)破壞不明顯,結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)微弱,因此土樣在破壞時的電阻率很接近。土樣含水率較低時,壓密效應(yīng)對不同含水率土樣的影響基本相同,水連通效應(yīng)則對含水率更低的土樣在破壞前影響更大,土樣破壞后水連通效應(yīng)對于不同含水率土樣的影響也基本相似,但含水率更低的土樣其結(jié)構(gòu)破壞更明顯,結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)凸顯,所以含水率越低,膨脹土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高,土樣破壞時其破壞電阻率也越高。

3 結(jié) 論

通過對合肥膨脹土在不同含水率下進(jìn)行的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度-電阻率試驗(yàn),獲得了試驗(yàn)過程中應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率的關(guān)系曲線,得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1) 合肥膨脹土重塑樣的含水率與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度具有很好的定量關(guān)系,擬合公式為qu=3 112.2e-0.105 4w,相關(guān)系數(shù)R=0.997。

(2) 膨脹土受壓過程中導(dǎo)致電阻率變化的原因主要有如下3種效應(yīng)：壓密效應(yīng)、水連通效應(yīng)和結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)。試驗(yàn)中不同含水率的膨脹土試樣電阻率的不同變化就是這3種效應(yīng)的疊加和綜合反映。

(3) 不同含水率條件下,膨脹土初始電阻率與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈線性關(guān)系。而膨脹土試樣破壞時的電阻率和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系更為復(fù)雜,不再表現(xiàn)出簡單的線性關(guān)系,但仍可根據(jù)壓密效應(yīng)、水連通效應(yīng)和結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)等加以解釋。

(4) 電阻率法是研究膨脹土強(qiáng)度問題較為有效的方法。

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(責(zé)任編輯 張淑艷)

Unconfined compressive strength and resistivity test of expansive soil with different water content

WU Daoxiang, XIONG Fucai, GUO Jingfang, SHEN Qipeng, HU Xueting

(School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009， China)

Through the unconfined compressive strength and resistivity test of expansive soil in Hefei with different water content, the whole change curves of stress-strain and resistivity of Hefei expansive soil under different water content conditions are obtained. The influence of water content on expansive soil strength and the change rule of stress-strain and resistivity in the process of expansive soil compression are analyzed. Three effects that arouse the change of resistivity in the process of expansive soil compression are discussed, including compaction effect, water connection effect and structural damage effect. The different changes of resistivity of expansive soil samples with different water content are the superposition and comprehensive reflection of these three effects. Meanwhile, the relationship between the initial resistivity, damage resistivity and the unconfined compressive strength of expansive soil under different water content conditions is discussed. The research results are helpful to explore the strength of expansive soil by using the electrical resistivity method, and establish the relationship between soil body’s geophysical parameters and strength characteristics.

expansive soil; resistivity; water content; unconfined compressive strength

2015-11-23；

2016-02-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41002117;40872190)

吳道祥(1975-),男,湖北洪湖人,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.12.019

TU411.6

A

1003-5060(2016)12-1688-05