易 軍
(四一四地質(zhì)隊(duì),湖南 益陽 413000)
殘積土作為一種孔隙率大、壓縮性高和抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn)的土體,工程性質(zhì)較差[1],在我國中南部山區(qū)分布廣泛[2].隨著我國對(duì)山區(qū)資源的開發(fā),受條件制約,許多工程以殘積土作為持力層.在后期運(yùn)營過程中受到外部荷載影響,特別是例如沖擊荷載和風(fēng)荷載等動(dòng)荷載作用下極易引發(fā)工程事故.國內(nèi)外學(xué)者從20世紀(jì)80年代開始對(duì)于殘積土的工程性能研究逐漸增多[3],并取得了許多有借鑒價(jià)值的研究成果.
室內(nèi)土工試驗(yàn)方面,黃志崙等[4]對(duì)深圳花崗殘積土進(jìn)行了一系列類土工試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)常規(guī)試驗(yàn)方法不能準(zhǔn)確反映殘積土的真實(shí)性狀,其針對(duì)一些參數(shù)(液性指數(shù)、土的單位容量、比重、顆粒分析等)總結(jié)了花崗巖殘積土的土工試驗(yàn)流程.原位試驗(yàn)方面,陽發(fā)清等[5]對(duì)廈門某建筑持力層進(jìn)行了原位測試實(shí)驗(yàn),通過比較常規(guī)地勘資料提出了垂直固結(jié)系數(shù)和變形特性之間的聯(lián)系,并提出了指標(biāo)要求.針對(duì)殘積土的崩解特性,張抒等[6]自制了崩解試驗(yàn)儀器對(duì)廣州片區(qū)花崗巖殘積土的崩解特性做了進(jìn)一步研究,從微觀角度分析了花崗巖殘積土的崩解機(jī)理.在三軸試驗(yàn)研究方面,方祥位[7]和蔣剛等[8]利用GDS三軸試驗(yàn),對(duì)花崗巖殘積土重塑土試樣進(jìn)行了剪切試驗(yàn),得出了不同加載條件下的應(yīng)力-軸應(yīng)變曲線,并且對(duì)其應(yīng)變特性進(jìn)行了總結(jié),其壓縮模量會(huì)隨軸壓升高而升高,試樣加載時(shí)有剪縮特性.
目前我國對(duì)于殘積土的研究集中在花崗巖殘積土,但是,不同殘積土的成因和礦物組成差異性較大,其抗剪特性也不盡相同.本文以黃家侖地區(qū)的擬建山區(qū)風(fēng)電場的殘積土層為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行了一系列的三軸試驗(yàn),研究了其動(dòng)靜力學(xué)特性,對(duì)指導(dǎo)此類土的工程設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)際意義.
國內(nèi)對(duì)于殘積土的分類一般參照劉立明[9]和張永波[10]等根據(jù)母巖類型和顆粒粒徑來劃分殘積土的類別,隨著研究深入,發(fā)現(xiàn)殘積土的細(xì)顆粒含量較多,許多學(xué)者參照細(xì)粒土的分類標(biāo)準(zhǔn)也將塑性指數(shù)作為分類標(biāo)準(zhǔn)[11].
通過區(qū)域勘查的方法揭露了黃家侖的地層主要為第四系殘坡積層(Q4el+dl)和石炭系(C1d)石英砂巖及灰?guī)r層,各地層特征分述如下:
(1)第四系殘坡積層(Q4el+dl)
主要由人工填土和礫質(zhì)黏性土組成,厚度0~10m,主要分布于山前坡麓地帶、斜坡坡面及平臺(tái)、谷底,土體結(jié)構(gòu)松散.
(2)石炭系(C1d)
石英砂巖分別在邊坡的巖土接觸面以下,沿深度向下呈強(qiáng)~中風(fēng)化,近地表呈強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài),風(fēng)化厚度約1~3m,裂隙發(fā)育,巖石破碎;石英砂巖以下為中風(fēng)化灰?guī)r,巖溶不發(fā)育,巖石完整,分布于整個(gè)滑坡區(qū).
根據(jù)地勘所揭露的地層情況來看,此區(qū)域的殘積土多由石英砂巖風(fēng)化而來,其特性可能遺留自石英砂巖[12],根據(jù)母巖性質(zhì)可以將黃家侖地區(qū)的殘積土劃分為泥沙質(zhì)巖殘積土.
從原地貌殘積土邊坡取回原狀土,挑出大塊碎石和草梗,將土樣風(fēng)干后碾碎,根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程SL 237-1999》[13],過10mm篩后取土2kg進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)篩分試驗(yàn),并根據(jù)篩分結(jié)果繪制級(jí)配曲線,如圖1所示.
根據(jù)上述篩分試驗(yàn)的結(jié)果,土樣中粒徑大于0.5mm的顆粒占土體總質(zhì)量的73.5%,大于界限值35%,判定此殘積土為砂礫質(zhì)土.
根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程SL 237-1999》,取具有天然含水率的原狀土樣,過0.5mm篩,制備三種接近液限、塑限和中間狀態(tài)三種不同稠度的土膏,并用濕潤的毛巾覆蓋,靜置24h后使用圓錐儀進(jìn)行試驗(yàn),記錄三個(gè)試樣的圓錐下沉刻度和含水率,并繪制入土深度和試樣含水率的對(duì)數(shù)曲線,如圖2所示.
由圖可知,對(duì)應(yīng)于圓錐探頭入土深度20mm的含水率為35.7%.根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程,此深度對(duì)應(yīng)的含水率即為該土體液限ωL.再通過查表可知該土體的塑限ωP,即圓錐錐入深度2mm對(duì)應(yīng)的含水率為22.1%.又因?yàn)榇送馏w的天然含水率為25.2%,通過公式計(jì)算可得該地區(qū)土體的塑性指數(shù)IP和液性指數(shù)IL分別為12.44和0.23,判定此土體屬于黏性土.
根據(jù)以上試驗(yàn)分析,可以將黃家侖地區(qū)的殘積土判定為砂礫質(zhì)黏性泥沙質(zhì)巖殘積土,并且此土體在自然狀態(tài)下處于硬塑狀態(tài)(0 三軸試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)土樣均來自于黃家侖地區(qū)山體邊坡的殘積土層,將其過2mm孔徑的篩,剔除碎石和草梗等雜質(zhì)對(duì)試樣的影響,并排除尺寸效應(yīng). 本次試驗(yàn)的方案是利用GDS動(dòng)三軸試驗(yàn)儀對(duì)黃家侖地區(qū)殘積土重塑土土樣進(jìn)行不同圍壓情況下的動(dòng)靜三軸試驗(yàn),研究砂礫質(zhì)黏性泥沙質(zhì)巖殘積土在圍壓改變的情況下力學(xué)特性的變化. 試樣的制備按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程SL 237-1999》中對(duì)于擾動(dòng)土樣的制備要求進(jìn)行處理.在土體的最優(yōu)含水率(26%)的條件下?lián)魧?shí),為了確保在最優(yōu)含水率時(shí)擊實(shí),土體在制樣前復(fù)測含水量;為了使試樣均勻擊實(shí),將土體等分為5層擊實(shí),并在模具和墊片上涂抹凡士林方便脫模. 試驗(yàn)考慮土的最不利狀況,所以需要將土體進(jìn)飽和處理,將制備好的試樣裝入飽和器中靜置24h,進(jìn)行100%飽和后取出立即裝樣,安裝好的試樣如圖3所示. 在進(jìn)行靜三軸試驗(yàn)時(shí)設(shè)置試驗(yàn)工況分為圍壓100kPa、200kPa和300kPa的不固結(jié)不排水試驗(yàn).實(shí)驗(yàn)采用控制軸壓控制器下沉速率的方法對(duì)試樣進(jìn)行加載,當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到20%時(shí)默認(rèn)試樣發(fā)生破壞,實(shí)驗(yàn)終止. 動(dòng)三軸試驗(yàn)選用的動(dòng)荷載為此區(qū)域主風(fēng)速(11m/s)所對(duì)應(yīng)的隨機(jī)風(fēng)荷載作用下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大基底壓力波動(dòng)曲線[14].由于動(dòng)三軸試驗(yàn)加載周期過長,試驗(yàn)圍壓設(shè)定為100kPa和300kPa,僅設(shè)置一組對(duì)照組.在進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)采用分級(jí)加載的方式進(jìn)行加載,為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整可靠,每一級(jí)加載都將荷載循環(huán)四次,具體的初始加載曲線如圖4所示,并假定初始加載曲線為第一級(jí)加載階梯,加載階梯差為15kPa,當(dāng)試樣累計(jì)應(yīng)變達(dá)到5%時(shí)停止加載,默認(rèn)試樣發(fā)生破壞. 在確定動(dòng)荷載的基礎(chǔ)上設(shè)置疲勞試驗(yàn),將初始荷載循環(huán)333次,實(shí)際沖擊試樣超10000次,測試此殘積土的疲勞特性. 按照試驗(yàn)方案得到了不同圍壓條件下的試樣的破壞形態(tài)數(shù)據(jù).具體的破壞情況如圖5所示. 如圖所示試樣出現(xiàn)了兩種破壞形式,在圍壓為100kPa和200kPa的情況下,試樣均在頂部出現(xiàn)鼓脹,但是在圍壓提升到300kPa后,試樣在下部出現(xiàn)鼓脹,出現(xiàn)剪切破壞初期特征. 圍壓的提升會(huì)在加載初期對(duì)實(shí)驗(yàn)起到約束顆粒移動(dòng)的作用,在荷載達(dá)到臨界點(diǎn)后,試樣內(nèi)部薄弱面會(huì)有裂隙發(fā)展誘發(fā)試樣破壞. 圖6是三種不同圍壓下的黃家侖地區(qū)殘積土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,應(yīng)力-應(yīng)變曲線除了可以直接表現(xiàn)試樣的變形特征和抗剪強(qiáng)度,還可以作為繪制摩爾應(yīng)力圓的依據(jù),進(jìn)一步得出土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù). 圖中可以看出,試樣的抗剪強(qiáng)度隨圍壓的上升而上升,其中圍壓100kPa至200kPa的抗剪強(qiáng)度提升明顯.圍壓300kPa下的應(yīng)力應(yīng)變曲線的偏壓在經(jīng)歷峰值后有小幅下降,在應(yīng)變?yōu)?0%的位置和圍壓200kPa下的應(yīng)力應(yīng)變曲線相交,說明黃家侖地區(qū)殘積土受土體承載力影響,圍壓對(duì)抗剪強(qiáng)度的提升存在邊際效應(yīng). 通過繪制摩爾應(yīng)力圓,以此分析土體的內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c.考慮到土的應(yīng)力應(yīng)變曲線較為光滑,破壞點(diǎn)不明確,根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線中出現(xiàn)的第一個(gè)空載點(diǎn)繪制摩爾應(yīng)力圓如圖6所示. 圖抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線中的切線夾角為土體的內(nèi)摩擦角φ大小,在y軸上的截距為土體的黏聚力c值,由圖可知黃家侖地區(qū)的殘積土內(nèi)摩擦角大小為13.12°,黏聚力大小為28.90kPa. 3.2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線分析 圍壓為100kPa和300kPa時(shí)的動(dòng)三軸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示. 圍壓為100kPa的應(yīng)力應(yīng)變曲線前期應(yīng)變很小,但在第六級(jí)階梯上出現(xiàn)明顯突變,應(yīng)變出現(xiàn)幾何式增長,并且出現(xiàn)“空載”現(xiàn)象,應(yīng)力無法有效施加,試樣微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)破壞.當(dāng)圍壓提升到300kPa后,應(yīng)力應(yīng)變曲線在經(jīng)過前期的小形變時(shí)期后,圍壓很好地約束了土體顆粒位移,后期形變穩(wěn)定增長,直至加載階梯到達(dá)第十級(jí),應(yīng)變達(dá)到5%,試驗(yàn)自然終止,破壞時(shí)試樣偏壓由228kPa上升至298kPa左右.并且相對(duì)于靜三軸試驗(yàn),圍壓為100kPa時(shí)試樣的動(dòng)抗剪強(qiáng)度得到了大幅提升,提升幅度為63%,當(dāng)圍壓提升至300kPa后,應(yīng)變?yōu)?%時(shí)動(dòng)靜三軸對(duì)應(yīng)的偏壓基本一致. 根據(jù)國內(nèi)學(xué)者的研究,風(fēng)荷載作用下,風(fēng)力發(fā)電機(jī)持力層的動(dòng)力響應(yīng)范圍有限,在1~1.5倍基礎(chǔ)半徑范圍內(nèi)[15].根據(jù)黃家侖地區(qū)的主要風(fēng)速情況,一般會(huì)選用的風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)型號(hào)為湘電風(fēng)能XE93-2000 型,基礎(chǔ)半徑為9.25m.由此可知黃家侖擬建風(fēng)電場在動(dòng)力響應(yīng)范圍內(nèi)的土體在動(dòng)荷載作用下的固結(jié)效果顯著,抗剪強(qiáng)度大幅提升,地基穩(wěn)定性可以得到保障. 3.2.2 動(dòng)彈性模量分析 由于動(dòng)彈模隨動(dòng)應(yīng)變的變化而變化,并且動(dòng)彈模的倒數(shù)和動(dòng)應(yīng)變存在線性關(guān)系.根據(jù)土的動(dòng)彈性模量的定義,繪制動(dòng)彈模的倒數(shù)和動(dòng)應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖8所示,在數(shù)據(jù)的選取上為了避免加載階梯對(duì)曲線曲率的影響,去除實(shí)驗(yàn)中前期應(yīng)變?cè)鲩L較快的壓實(shí)階段,對(duì)應(yīng)變平穩(wěn)增長的每級(jí)加載階梯的最后一次循環(huán)取代表數(shù)據(jù),直至曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折,試樣進(jìn)入塑性應(yīng)變.土的彈性模量定義式如下所示[16]: Ed=σd/εd (1) 其中:Ed表示動(dòng)彈性模量;σd和εd分別表示軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變. 由上圖易知,圍壓為100kPa和300kPa時(shí),此殘積土試樣的動(dòng)彈模的倒數(shù)基本保持一致,和一般研究所得的土體動(dòng)彈性模量隨圍壓上升而上升有明顯區(qū)別[17].這是由于選取的動(dòng)荷載為波動(dòng)規(guī)律不顯的風(fēng)力發(fā)電機(jī)基底壓力,選取的應(yīng)力應(yīng)變點(diǎn)是在加載階梯末期,應(yīng)變基本達(dá)到極限,圍壓對(duì)于前期應(yīng)變的影響較小,所以在此曲線中圍壓的增加對(duì)土體的動(dòng)彈性模量的影響十分有限. 3.2.3 動(dòng)泊松比分析 動(dòng)泊松比的定義為動(dòng)彈性模量Ed和動(dòng)環(huán)向彈性模量Edr的比值,根據(jù)泊松比的定義繪制動(dòng)泊松比和應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖9所示,其中動(dòng)環(huán)向彈性模量的定義式和動(dòng)彈性模量類似,如下所示: Edr=σdr/εdr (2) 式中:σdr和εdr分別表示滯回曲線環(huán)向應(yīng)力和滯回曲線環(huán)向應(yīng)變. 動(dòng)泊松比的分布較為離散,泊松比和軸向應(yīng)變間不存在線性關(guān)系,圍壓也沒有明顯的改變動(dòng)泊松比的大小,泊松比的波動(dòng)范圍為0.33~0.37,和黏性土在不排水條件下的泊松比經(jīng)驗(yàn)取值基本一致. 利用GDSLAB記錄試樣的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)繪制成的曲線圖如圖10所示.試樣在加載初期應(yīng)變上升較快,但進(jìn)入第二個(gè)循環(huán)后試驗(yàn)應(yīng)變明顯減小,加載后期試樣基本不發(fā)生形變,應(yīng)變維持在同一數(shù)值附近波動(dòng),由此可以判定此殘積土在疲勞荷載下不易出現(xiàn)大幅值形變,對(duì)疲勞荷載響應(yīng)不敏感,在主風(fēng)速作用下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)不會(huì)發(fā)生疲勞破壞. 由于隨機(jī)風(fēng)荷載引起的風(fēng)力發(fā)電機(jī)基底壓力曲線的波動(dòng)較大,并且不具有規(guī)律性,所以在繪制滯回曲線時(shí)滯回圈的形狀并不圓潤,在計(jì)算面積時(shí)會(huì)有較大的誤差,所以本文沒有進(jìn)行分析. 受篇幅限制,本文選用的動(dòng)荷載單一并且具有一定的局限性,有待在今后進(jìn)行更加系統(tǒng)的分析. 通過對(duì)黃家侖地區(qū)的殘積土進(jìn)行了一系列的室內(nèi)土工試驗(yàn)和三軸試驗(yàn),分析了其物理力學(xué)特性,得出以下主要結(jié)論: (1)黃家侖地區(qū)的殘積土屬于砂礫質(zhì)黏性泥沙質(zhì)巖殘積土; (2)圍壓的提升能在一定程度上提升土體的靜抗剪強(qiáng)度,但黃家侖地區(qū)殘積土受土體承載力影響,圍壓對(duì)抗剪強(qiáng)度的提升存在邊際效應(yīng); (3)動(dòng)荷載作用下,淺層土體的抗剪強(qiáng)度得到顯著提升,但對(duì)于深層土體的影響有限;圍壓的提升對(duì)動(dòng)強(qiáng)度的提升十分明顯,主要約束了加載后期試樣顆粒里的位移;在基底壓力作用下的土體動(dòng)彈模不隨圍壓發(fā)生明顯變化;動(dòng)泊松比分布呈離散分布,分布范圍為0.33~0.37; (4)疲勞荷載對(duì)黃家侖地區(qū)殘積土的應(yīng)變影響有限,土體不會(huì)出現(xiàn)大幅形變; (5)此區(qū)域殘積土在天然狀態(tài)下處于硬塑狀態(tài),靜荷載作用下的抗剪強(qiáng)度較大,并且在基底壓力作用下抗剪強(qiáng)度會(huì)得到進(jìn)一步提升,可以考慮作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的持力層.2 試驗(yàn)方案
2.1 試驗(yàn)材料
2.2 試驗(yàn)步驟
3 試驗(yàn)結(jié)果分析
3.1 靜三軸試驗(yàn)試樣破壞形態(tài)及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系
3.2 動(dòng)力特性分析
3.3 疲勞特性分析
4 討論
5 結(jié)論