馬金蓮 , 鐘秀梅, 王 謙 , 王 平, 劉釗釗

(1. 中國地震局黃土地震工程重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000;2. 中國地震局蘭州地震研究所, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

黃土是干旱、半干旱地區(qū)風(fēng)成的第四紀沉積物,世界上黃土分布總面積大約有1 300萬km2,我國黃土的分布面積達64萬km2,約占全國土地面積的6%[1]。受形成環(huán)境及自然條件等因素的影響,黃土具有特殊的結(jié)構(gòu)性,顆粒之間連接松散,具有明顯肉眼可見的大孔隙和豎向節(jié)理,致使其具有強烈的水敏性和動力易損性,對工程的設(shè)計、施工及安全運營具有重要的影響[1-2]。

隨著“一帶一路”戰(zhàn)略不斷推進和“韌性城鄉(xiāng)”建設(shè)的迫切需求,黃土地區(qū)公路、機場、隧道及基礎(chǔ)工程建設(shè)中難免涉及填筑工程,而黃土作為我國西部地區(qū)分布廣泛的填筑材料之一,因取材方便和運輸成本經(jīng)濟等優(yōu)勢,被廣泛使用。填筑工程施工中會采取多種手段對土體進行人工處理,如加水拌和、動靜機械碾壓等,人工填筑處理會破壞土體原來的結(jié)構(gòu)組成,使得填筑土體較原狀土體性質(zhì)發(fā)生較大改變,因此,針對重塑壓實黃土力學(xué)性質(zhì)開展試驗研究,凸顯出其必要性。

土體的抗剪強度反映了土體抵抗剪切破壞的能力,工程中常見的建筑地基的破壞,土坡、深基坑及擋土墻地基的穩(wěn)定性等均與土的強度指標有關(guān)。因此,開展重塑壓實黃土抗剪強度試驗研究,對保障黃土地區(qū)工程建設(shè)設(shè)計、施工和后期的安全運營,意義重大。

文獻[3-9]針對不同地區(qū)、不同類型重塑壓實黃土,基于室內(nèi)三軸試驗、壓縮試驗,得到了制樣含水率和干密度(壓實度)對重塑壓實黃土抗剪強度、變形特性等的影響規(guī)律;文獻[10-12]基于室內(nèi)三軸剪切試驗,研究了制樣方法、含水率、圍壓、基質(zhì)吸力對黃土抗剪強度指標的影響規(guī)律,并得到了一定結(jié)論性研究成果;王鐵行等[13]考慮干濕循環(huán)影響,研究建立了干濕循環(huán)次數(shù)與強度劣化指標之間的關(guān)系表達;吳旭陽等[14]通過黃土抗拉強度試驗研究,探討了原狀與重塑黃土在強度參數(shù)比方面的差異性;巴亞東等[15]基于室內(nèi)試驗研究,明確了原狀黃土的固結(jié)剪切體積變形與圍壓和吸力之間的規(guī)律性。上述針對重塑壓實黃土強度和變形特性的研究雖得到了含水率、干密度(壓實度)與土體抗剪強度、壓縮指標之間的關(guān)系,但因土體自身性質(zhì)差異、試驗方法、參數(shù)取值標準等不同,關(guān)于重塑壓實黃土抗剪強度與初始制樣含水率、壓實度、孔隙特性間關(guān)系的研究目前尚未形成統(tǒng)一的定論。

本文以甘肅省臨夏某機場場址黃土為研究對象,考慮初始含水率和壓實度的影響,開展抗剪強度試驗研究工作,并結(jié)合室內(nèi)電鏡掃描試驗得到的重塑壓實黃土細觀結(jié)構(gòu)圖像,提取重塑壓實黃土細觀孔隙特性參數(shù),定量研究重塑壓實黃土破壞強度與孔隙含量之間的關(guān)系,從細觀角度揭示了較高壓實度可提高重塑黃土抗剪強度的內(nèi)在原因,研究成果可為該地區(qū)工程設(shè)計、施工提供參考。

1 試驗方法

1.1 基本物理參數(shù)取值

本文試驗用土取自甘肅省臨夏某機場場址,比重瓶法測定的天然土體比重為2.65,利用液塑限聯(lián)合測定儀測得天然土體液、塑限分別為28.6%和19.4%,室內(nèi)擊實試驗測定的黃土體最大干密度為1.75 g/cm3,顆分試驗得到的天然土體的顆粒組成為:黏粒24.4%,粉粒69.1%,砂粒6.5%。

1.2 試驗方法

三軸剪切試驗是將取來的原狀試樣敲碎碾壓,經(jīng)自然風(fēng)干后過2 mm篩,測定其含水率。本文以天然土體含水率為基礎(chǔ),設(shè)定4種含水率(5%、7%、9%、11%)配置所需含水率條件下的土樣,并用塑料袋密封后悶料24 h,待土樣含水率均勻后用兩端靜壓的方法制備試驗所需試樣,試樣直徑為39.1 mm,高度為80 mm?？紤]到填方工程中多以無量綱參數(shù)壓實度作為填筑工程控制系數(shù),故本文設(shè)定了4種壓實度(80%、85%、90%、95%)作為重塑壓實黃土干密度的控制標準。試驗考慮填筑體深度不同,設(shè)置3種不同圍壓(80 kPa、140 kPa、200 kPa),利用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的應(yīng)變控制式三軸儀完成了16組試樣在固結(jié)不排水(CU)條件下的剪切試驗。試驗中若應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)峰值,則取主應(yīng)力差值的峰值作為破壞點;若無峰值,取15%軸向應(yīng)變時的主應(yīng)力差值作為峰值點[11]。

電鏡掃描試驗則通過將不同壓實度條件下的黃土體試樣風(fēng)干,按照試驗儀器要求選擇平整斷面,用砂紙打磨試樣底面,將試樣制成2 mm厚度的薄片并進行噴金處理,以使試樣表面易于導(dǎo)電,再利用電鏡掃描技術(shù)得到重塑黃土在4種不同壓實度條件下的SEM圖像,考慮要提取孔隙特性參數(shù),選用放大500倍的SEM圖像作為分析研究的對象。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 重塑黃土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

本文基于16組試樣的室內(nèi)靜三軸剪切試驗,得到重塑壓實黃土在不同初始含水率和壓實度下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(圖1)。限于篇幅,這里僅給出了140 kPa圍壓時重塑壓實黃土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。

圖1 壓實黃土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves of compacted loess

由圖1可見:140 kPa圍壓下，不同初始含水率和壓實度重塑壓實黃土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系形式表現(xiàn)為軟化型、弱硬化型和強硬化型。本文主要考慮初始含水率和壓實度2個變量,故對不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線不作討論。本文研究范圍內(nèi),5%、7%含水率對應(yīng)的90%和95%壓實度條件下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線為軟化型;7%含水率對應(yīng)的80%、85%壓實度及9%含水率對應(yīng)的90%、95%壓實度條件下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線為弱硬化型;其余含水率和壓實度條件下則呈現(xiàn)為強硬化型,特別是11%含水率所對應(yīng)的4種壓實度條件下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均為強硬化型。

且由圖1可見:重塑壓實黃土偏應(yīng)力值隨壓實度增大呈現(xiàn)出明顯的增長趨勢,隨含水率增大呈現(xiàn)出減小的趨勢。結(jié)合Duncan-Chang模型,其偏應(yīng)力值與應(yīng)變之間滿足雙曲線關(guān)系,即重塑壓實黃土應(yīng)力-應(yīng)變之間滿足:

(1)

式中:a、b為擬合參數(shù),ε為軸向應(yīng)變,σ1-σ3為偏應(yīng)力。

2.2 重塑壓實黃土應(yīng)力路徑關(guān)系

由于土的變形和強度不僅與受力大小有關(guān),還與土的應(yīng)力歷史有關(guān),土的應(yīng)力路徑可以模擬土體實際的應(yīng)力歷史、全面研究應(yīng)力變化過程對土力學(xué)性質(zhì)的影響[11]?；谑覂?nèi)靜三軸試驗數(shù)據(jù)得到的試樣p-q曲線如圖2所示,其中:

(2)

式中:p為平均主應(yīng)力;q為偏應(yīng)力。由圖2可見:應(yīng)力路徑曲線形式幾乎不受含水率和壓實度影響。這是因為本文研究范圍內(nèi)含水率較小,土體在剪切重塑壓實黃土的應(yīng)力路徑曲線為不同斜率的直線,應(yīng)力路徑曲線形式幾乎不受含水率和壓實度影響。這是因為本文研究范圍內(nèi)含水率較小,土體在剪切破壞過程中孔隙壓力響應(yīng)不明顯所致,這與文獻[11]得到的結(jié)論是一致的;且由圖可見:應(yīng)力路徑在較大變形(15%應(yīng)變)下依然沒有出現(xiàn)紊亂的現(xiàn)象,表明在本文研究含水率范圍內(nèi)土體的強度是比較高的。

圖2 不同條件下壓實黃土應(yīng)力路徑曲線Fig.2 Stress path curves of compacted loess under different conditions

2.3 重塑壓實黃土抗剪強度指標

由Mohr-Coulomb強度準則:土體抗剪強度指標c、φ的取值直接決定土體抗剪強度的大小。通過室內(nèi)三軸剪切試驗,本文得到了考慮初始含水率和壓實度影響的16組重塑壓實黃土的抗剪強度指標(圖3)。由圖3可見:隨著壓實度的增加,重塑黃土的抗剪強度指標c、φ均有所增大,且黏聚力c的增長速度較內(nèi)摩擦角φ更快,表明較高壓實度對提升強度指標c的效果更為顯著;隨著含水率的增加抗剪強度指標c、φ均呈現(xiàn)出減小的趨勢,且隨著含水率的增加黏聚力c的減小趨勢較內(nèi)摩擦角φ更為明顯。由此可見:重塑黃土抗剪強度指標c對初始含水率和壓實度的敏感程度較內(nèi)摩擦角φ更高,填筑工程壓實施工中應(yīng)重視對強度指標c的試驗監(jiān)測,以更好確保施工質(zhì)量。

圖3 壓實黃土抗剪強度指標取值Fig.3 Shear strength indexes of compacted loess

2.4 重塑壓實黃土破壞強度

結(jié)合16組重塑壓實黃土試樣的靜三軸剪切試驗,得到了不同初始含水率和壓實度條件下重塑黃土破壞強度(σ1-σ3)f與圍壓σ3之間的關(guān)系曲線(圖4)。由圖可知:重塑壓實黃土的破壞強度(σ1-σ3)f隨著壓實度的增大而增大,隨含水率的增大而減小,與抗剪強度指標隨壓實度和含水率的變化規(guī)律一致。通過回歸發(fā)現(xiàn):重塑壓實黃土破壞度(σ1-σ3)f與圍壓σ3之間滿足線性關(guān)系,即考慮初始含水率和壓實度,重塑壓實黃土的破壞強度(σ1-σ3)f和圍壓之間的關(guān)系可以表達為:

(σ1-σ3)f=σ3f(ω,k)+g(ω,k)

(3)

圖4 壓實黃土破壞強度取值Fig.4 Value of failure strength of compacted loess

式中:f(ω,k)、g(ω,k)是與初始含水率及壓實度有關(guān)的函數(shù)。

為了進一步研究分析重塑壓實黃土抗剪強度特性,本文根據(jù)Mohr-Coulomb強度準則式(4)、(5),并結(jié)合式(1)得到了考慮初始含水率和壓實度條件下f(ω,k)、g(ω,k)與重塑黃土強度參數(shù)指標c、φ之間的關(guān)系表達,見式(6)。

τf=(σ1-σ3)f=c+σtanφ

(4)

(5)

(6)

式中:τf為抗剪強度;c為黏聚力;φ為內(nèi)摩擦角;σ為總應(yīng)力。

基于式(6),結(jié)合上述得到的16組重塑黃土試樣抗剪強度指標取值。本文計算得到了16組試樣與初始含水率和壓實度相關(guān)的f(ω,k)、g(ω,k)的取值(圖5)。

圖5 壓實黃土f(ω,k)、g(ω,k)取值Fig.5 The vaule of f(ω,k)、g(ω,k) of compacted loess

通過對得到的與初始含水率和壓實度有關(guān)f(ω,k)、g(ω,k)取值的分析發(fā)現(xiàn):f(ω,k)、g(ω,k)的取值與初始含水率和壓實度之間有較好的規(guī)律性,且這種規(guī)律與強度指標c、φ隨初始含水率和壓實度的變化規(guī)律基本一致。這可利用式(6)來解釋:f(ω,k)的計算變量只與內(nèi)摩擦角φ相關(guān),故f(ω,k)表現(xiàn)出與內(nèi)摩擦角一致的變化規(guī)律;而g(ω,k)的計算變量為黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ,但由于黏聚力c對初始含水率和壓實度的敏感度更高,因此g(ω,k)函數(shù)對黏聚力c的敏感度高于內(nèi)摩擦角φ,故g(ω,k)表現(xiàn)出與強度指標c較為一致的變化規(guī)律。

2.5 重塑壓實黃土孔隙特性

由上述三軸剪切試驗研究分析發(fā)現(xiàn):重塑黃土的抗剪強度指標c、φ、破壞強度(σ1-σ3)f隨壓實度的增加均表現(xiàn)出不同程度的增長趨勢。由于土的孔隙特性也是反映土的抗剪強度的基本內(nèi)容之一,因此,本文結(jié)合常規(guī)土工試驗測得的重塑壓實黃土基本物性參數(shù),分別建立了不同壓實度下重塑壓實黃土的孔隙比e、破壞強度(σ1-σ3)f與壓實度之間的關(guān)系曲線(圖6)。限于篇幅,這里給出了5%含水率、圍壓80 kPa條件下重塑黃土不同壓實度下的破壞強度(圖8亦是如此,后續(xù)將不再贅述)。

圖6 壓實黃土孔隙比Fig.6 Void ratio of compacted loess

由圖6可見,重塑壓實黃土的孔隙比隨壓實度的增大呈現(xiàn)出明顯的減小趨勢,與破壞強度(σ1-σ3)f隨壓實度的變化規(guī)律相反,這也從側(cè)面揭示了重塑壓實黃土抗剪強度隨壓實度增加而增大的內(nèi)在原因,即:較高壓實度可以有效減小重塑黃土土體孔隙含量。通過回歸發(fā)現(xiàn)重塑壓實黃土孔隙比e與壓實度k之間可以線性表達為:e=-0.020 1k+2.504 5,其中相關(guān)系數(shù)R2=0.994 2。

現(xiàn)階段的研究也表明:黃土的細觀結(jié)構(gòu)特性與其力學(xué)宏觀表現(xiàn)緊密相關(guān)[16-17]。為了進一步深入分析重塑黃土內(nèi)部孔隙特性與壓實度之間的關(guān)系,本文通過室內(nèi)電鏡掃描試驗得到不同壓實度下重塑黃土的細觀結(jié)構(gòu)圖像,利用南京大學(xué)研發(fā)的圖像處理軟件PCAS對重塑壓實黃土的SEM圖像進行二值化處理,見圖7。結(jié)合文獻[18-19]中關(guān)于像素與微、小、中、大、特大孔隙的定義,確定了微、小、中、大、特大孔隙對應(yīng)的面積。在此基礎(chǔ)上,提取了不同壓實度下重塑黃土內(nèi)孔隙特性參數(shù):不同尺寸范圍內(nèi)孔隙含量、平均孔隙面積、平均孔隙周長。

圖7 二值化處理后壓實黃土SEM圖Fig.7 SEM image of compacted loess after binarization treatment

根據(jù)上述孔隙尺寸范圍的劃分,本文得到了不同壓實度條件下重塑黃土體中微、小、中、大、特大孔隙的含量分布見圖8。

圖8 某尺度范圍內(nèi)孔隙含量Fig.8 Pore content in a certain scale

由圖8可見:重塑壓實黃土60%以上的孔隙含量為小孔隙,隨著壓實度增加,土體內(nèi)微、小孔隙含量增多,中、大、特大孔隙含量減少。為了進一步分析孔隙特性與重塑壓實黃土強度間的關(guān)系,本文結(jié)合細觀結(jié)構(gòu)分析提取得到的4種壓實度下不同類型孔隙含量、孔隙平均周長、平均面積取值,分別建立了其與重塑壓實黃土破壞強度(σ1-σ3)f之間的關(guān)系(圖9)。

圖9 壓實黃土孔隙特性與破壞強度間關(guān)系Fig.9 Relationship between pore characteristics and failure strength of compacted loess

由圖9所示:重塑壓實黃土破壞強度與其微、小孔隙含量間成正比例關(guān)系,在小孔隙含量為61.24%、微孔隙含量15.91%時破壞強度增長尤為明顯;重塑壓實黃土破壞強度與其中、大、特大孔隙含量、孔隙平均周長、平均面積之間呈反比例關(guān)系,孔隙平均周長小于16.83 μm、平均面積小于18.43 μm2時黃土體的破壞強度增長更為明顯。

綜合上述分析,可進一步明確:較高壓實度可增加黃土體內(nèi)微、小顆粒含量,減少中、大、特大孔隙含量、孔隙平均周長和面積,這是較高壓實度可提高重塑黃土抗剪強度的細觀原因。

3 結(jié)論

(1) 不同初始含水率和壓實度條件下重塑黃土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線形式為軟化型、弱硬化型和強硬化型。7%含水率以下、90%壓實度以上條件下為軟化型，7%含水率、85%壓實度以下，9%含水率、90以上壓實度條件下為弱硬化型，其余條件下則為強硬化型。

(2) 重塑壓實黃土應(yīng)力路徑呈斜直線形式,且曲線形式基本不受壓實度和含水率影響;

(3) 重塑壓實黃土抗剪強強度指標c、φ、破壞強度(σ1-σ3)f均表現(xiàn)為隨著初始含水率的增加而減小,隨壓實度的增加而增大;

(4) 重塑壓實黃土破壞強度與微、小孔隙含量間成正比例關(guān)系,與中、大、特大孔隙含量、孔隙平均周長和面積間成反比例關(guān)系。

針對11%含水率以上重塑壓實黃土抗剪強度特性的研究有待于進一步開展。