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        不同固結(jié)時間崩崗?fù)馏w抗剪強度的差異

        2023-02-21 06:46:34徐廣澤李松陽鐘小燕蔣芳市葛宏力林金石黃炎和
        人民黃河 2023年2期

        徐廣澤,李松陽,鐘小燕,張 越,蔣芳市,葛宏力,林金石,黃炎和

        (1.廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司 福州分公司,福建 福州 350001;2.福建農(nóng)林大學(xué),福建 福州 350002)

        崩崗是我國南方紅壤丘陵區(qū)特有的復(fù)合侵蝕地貌類型,崩壁失穩(wěn)崩塌是崩崗的主要侵蝕過程[1],崩壁失穩(wěn)崩塌與土體抗剪強度下降有關(guān)[2-3],而土壤含水率及其固結(jié)條件是影響土體抗剪強度的主要因素[4]。因此,近年來許多學(xué)者對崩崗?fù)馏w抗剪強度指標(biāo)與土壤含水率、固結(jié)度的關(guān)系進行了研究[5-14]。由于崩崗各層土壤因孔隙和水分運動情況不同而固結(jié)條件不同,因此抗剪強度研究結(jié)果存在差異。為了給崩崗崩塌侵蝕過程研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論參考,筆者對典型崩崗各土層土壤進行不同時間預(yù)壓固結(jié),分析了固結(jié)時間與崩崗?fù)馏w抗剪強度、黏聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        研究區(qū)位于福建省安溪縣龍門鎮(zhèn)。據(jù)2005年調(diào)查統(tǒng)計,安溪縣崩崗數(shù)量達1.28萬個,占福建省崩崗總數(shù)量的49.28%;龍門鎮(zhèn)是安溪縣崩崗高度發(fā)育的區(qū)域,崩崗數(shù)量為1 228個,占安溪縣崩崗總數(shù)量的9.57%。研究區(qū)年均氣溫為18℃,年均降雨量1 800 mm。

        1.2 土樣采集

        研究區(qū)崩崗?fù)寥乐饕苫◢弾r經(jīng)長期風(fēng)化而成,在南方紅壤區(qū)花崗巖崩崗中具有較好的代表性。因此,在研究區(qū)內(nèi)選擇3處典型崩崗崩壁采集紅土層、砂土層、碎屑層土壤,每處采集土壤15~20 kg,帶回實驗室備用。

        1.3 試驗設(shè)計

        (1)試件制備。將土樣風(fēng)干后過2 mm篩,測定土壤含水率,然后按照質(zhì)量含水率(ω)分別為20%、24%、28%、32%噴灑水分進行土樣配置,將土樣裝入自封袋中放置24 h后用于試件制作。制作試件的環(huán)刀直徑為61.8 mm,高為20 mm,采用擊實法制備試件,在預(yù)壓儀上分別固結(jié)0.25、1、4、8、24、48 h,把制成的試件用自封袋密封保存以避免含水率發(fā)生變化。

        (2)直剪試驗[15-16]。采用固結(jié)快剪測定崩崗?fù)寥赖目辜魪姸?,四?lián)直剪儀型號為LH-DDS-4(南京泰克奧科技有限公司制造),在垂直壓強為50、100、200、300 kPa條件下進行試驗,剪切速率為0.8 mm/min,保證試件在5 min內(nèi)被剪損,每種試件重復(fù)試驗3次。試驗結(jié)束后再次測定每個試件的含水率,其值與預(yù)設(shè)值的差異應(yīng)在1%以內(nèi)。

        1.4 抗剪強度計算與統(tǒng)計分析

        根據(jù)試驗結(jié)果計算抗剪強度:

        式中:τf為抗剪強度,kPa;σ為法向應(yīng)力,kPa;φ為內(nèi)摩擦角,°;c為黏聚力,kPa。

        采用Excel2019進行數(shù)據(jù)處理,運用SPSS21.0等軟件進行統(tǒng)計分析。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 固結(jié)時間對崩崗?fù)馏w抗剪強度的影響

        (1)固結(jié)時間對崩崗紅土層土體抗剪強度的影響。如圖1所示:當(dāng)土壤含水率為20%時,抗剪強度相對較大但隨固結(jié)時間的延長呈減小趨勢,導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因可能是崩崗紅土層土壤類型為高液限黏土,此類土壤在含水率較低時土壤狀態(tài)較為堅硬[16],土壤顆粒微觀結(jié)構(gòu)在固結(jié)過程中遭到破壞、黏結(jié)力減?。?7],進而使土體抗剪強度減?。划?dāng)土壤含水率為24%時,土體抗剪強度受固結(jié)時間的影響較小,這可能與本研究所選土樣為重塑土有關(guān),在土壤擾動過程結(jié)束后土體結(jié)構(gòu)達到新的平衡狀態(tài),土體抗剪強度變化較小;當(dāng)土壤含水率為28%時,在垂直壓強為200 kPa和300 kPa情況下,土體抗剪強度隨固結(jié)時間的延長呈逐漸減小的趨勢;當(dāng)土壤含水率為32%時,土體抗剪強度隨固結(jié)時間的延長也呈逐漸減小趨勢,在土壤含水率大于自然含水率情況下抗剪強度指標(biāo)的主要影響因素是基質(zhì)吸力[9],而崩崗紅土層土壤顆粒以黏粒為主,在土壤含水率較大的情況下,隨著固結(jié)時間的延長,土壤顆粒吸水膨脹,土壤孔隙水壓力受土壤孔隙比減小影響而逐漸降低,進而造成崩崗紅土層土壤基質(zhì)吸力減小,土體抗剪強度隨之減小。

        圖1 不同水分條件下紅土層土體抗剪強度與固結(jié)時間的關(guān)系

        (2)固結(jié)時間對崩崗砂土層土體抗剪強度的影響。如圖2所示:不同含水率條件下土體抗剪強度隨固結(jié)時間的變化趨勢有所不同,當(dāng)土壤含水率為20%、24%和28%時,隨著固結(jié)時間延長,垂直壓強為50 kPa和300 kPa的土體抗剪強度變化趨勢并不明顯,垂直壓強為100 kPa和200 kPa的土體抗剪強度隨固結(jié)時間變化較大;當(dāng)含水率為32%時,土體抗剪強度在垂直壓強為50、200、300 kPa條件下呈逐漸增大的趨勢,但變化率較小,在垂直壓強為100 kPa條件下土體抗剪強度則呈逐漸減小趨勢。在垂直壓強為50 kPa和300 kPa條件下,隨著固結(jié)時間的延長,崩崗砂土層土體抗剪強度變化范圍較小,與陳秀云等[18]的研究結(jié)果一致,原因可能是崩崗砂土層在50 kPa垂直壓強作用下未產(chǎn)生有效應(yīng)力,而在垂直壓強達到300 kPa時土體因所受有效應(yīng)力大于土壤最大有效應(yīng)力而完全固結(jié),因此在這兩種情況下抗剪強度隨固結(jié)時間的變化較??;在垂直壓強為100 kPa和200 kPa條件下,土體固結(jié)過程影響因素較為復(fù)雜,土體抗剪強度隨固結(jié)時間變化較大。

        圖2 不同水分條件下砂土層土體抗剪強度與固結(jié)時間的關(guān)系

        (3)固結(jié)時間對崩崗碎屑層土體抗剪強度的影響。如圖3所示:在含水率分別為20%、24%、28%、32%情況下,隨著固結(jié)時間的延長土體抗剪強度均無明顯變化,這與劉天韻[19]的研究結(jié)果有所不同,這可能與土壤粒徑分布和孔隙結(jié)構(gòu)不同有關(guān)。崩崗碎屑層粗顆粒含量較高,比表面積較小,土壤膠結(jié)能力較差[20],且崩崗碎屑層所含大量石英、長石和云母的顆粒表面能較?。?1],與紅土層和砂土層相比,不易產(chǎn)生孔隙水壓力,因此土體抗剪強度隨固結(jié)時間的變化 較小。

        圖3 不同水分條件下碎屑層土體抗剪強度與固結(jié)時間的關(guān)系

        2.2 固結(jié)時間對崩崗?fù)馏w黏聚力的影響

        由表1可知:崩崗紅土層土體黏聚力在土壤含水率為20%時隨固結(jié)時間延長呈減小趨勢,在土壤含水率為24%、28%和32%時均呈增大趨勢。土體結(jié)構(gòu)和土壤顆粒是影響土體黏聚力的重要因素[22],隨著固結(jié)時間的延長,在垂直壓強和土壤水分的共同作用下,崩崗紅土層中的黏粒排列更加緊密,土壤顆粒間相互作用力增大,進而增大了土體黏聚力。崩崗紅土層土體黏聚力隨固結(jié)時間的變化是非線性的,與徐宏等[23]的研究結(jié)果相似。

        表1 不同固結(jié)時間的崩崗紅土層土體黏聚力

        由表2可知,隨著固結(jié)時間的延長,崩崗砂土層土體黏聚力存在較大范圍的波動,與張勇[7]的研究結(jié)果一致,其原因可能是崩崗砂土層毛管孔隙較多,弱結(jié)合水膜的潤滑作用降低了土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[24],土體中水分的流動具有隨機性且土壤細(xì)顆粒隨之發(fā)生無規(guī)律運移,導(dǎo)致土體黏聚力降低。

        表2 不同固結(jié)時間的崩崗砂土層土體黏聚力

        崩崗碎屑層土體黏聚力隨固結(jié)時間的變化情況(見表 3)與砂土層的相似,隨著固結(jié)時間的延長在一定范圍內(nèi)波動,但黏聚力整體上比砂土層的小,其可能原因是崩崗碎屑層黏粒和游離氧化鐵含量較低,土體結(jié)構(gòu)更為疏松,因此土體黏聚力較小[25]。

        表3 不同固結(jié)時間的崩崗碎屑層土體黏聚力

        2.3 固結(jié)時間對崩崗?fù)馏w內(nèi)摩擦角的影響

        不同固結(jié)時間的崩崗紅土層、砂土層、碎屑層土體內(nèi)摩擦角分別見表4、表5、表6。

        表4 紅土層不同固結(jié)時間的內(nèi)摩擦角

        表5 砂土層不同固結(jié)時間的內(nèi)摩擦角

        表6 碎屑層不同固結(jié)時間的內(nèi)摩擦角

        隨著固結(jié)時間的延長,崩崗紅土層土體內(nèi)摩擦角呈減小趨勢,主要原因是在固結(jié)時間逐漸延長的過程中,水分在土壤顆粒間產(chǎn)生一層具有潤滑作用的水膜(其厚度逐漸增大)[26],使土壤顆粒間的距離加大、摩擦力減小,導(dǎo)致內(nèi)摩擦角減小。有關(guān)研究表明[27],在水分進入土壤內(nèi)部的過程中,會溶解土壤中的可溶性膠結(jié)物質(zhì)和無機鹽,對土體抗剪強度造成影響,同時,溶解的膠結(jié)物質(zhì)和水膜結(jié)合,導(dǎo)致土壤顆粒間摩擦力減小,使得土體抗剪強度迅速下降,這也是崩崗侵蝕的成因之一[5]。

        在不同固結(jié)時間情況下,崩崗砂土層和碎屑層土體內(nèi)摩擦角變化相對較小,與趙建軍等[28]的研究結(jié)果一致,原因可能是崩崗砂土層和碎屑層土壤粗顆粒含量較高。

        3 結(jié) 論

        (1)崩崗紅土層土體抗剪強度在土壤含水率為20%時相對較大但隨固結(jié)時間的延長呈減小趨勢,在含水率為24%~32%時隨固結(jié)時間的延長變化相對較小;崩崗砂土層土體抗剪強度隨固結(jié)時間延長,在垂直壓強為100~200 kPa時變化較大,在垂直壓強為50、300 kPa時變化較??;在不同固結(jié)時間情況下,崩崗碎屑層土體抗剪強度變化均較小。

        (2)隨著固結(jié)時間的延長,崩崗紅土層土體黏聚力在含水率為24%~32%時呈增大的趨勢,崩崗砂土層土體黏聚力在一定范圍波動變化,崩崗碎屑層土體黏聚力受固結(jié)時間的影響較小。

        (3)隨著固結(jié)時間的延長,崩崗紅土層土體內(nèi)摩擦角呈減小趨勢,崩崗砂土層和碎屑層內(nèi)摩擦角變化較小。

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