李立宇,陳遠中,徐思遠

(1.深圳市公明供水調(diào)蓄工程管理處,廣東 深圳 518107;2.南京水利科學研究院巖土工程研究所,江蘇 南京 210024; 3.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

通常情況下道路工程中的土體會在其最優(yōu)含水率附近進行壓實,并保證相對壓實度不低于95%。但研究表明,路基土服役期間其含水率會逐漸上升至最優(yōu)含水率濕側(cè),且隨著氣候的變化其含水率在最優(yōu)含水率濕側(cè)某一區(qū)間內(nèi)波動[1-2]。含水率變化和波動往往會對路基土的物理力學性質(zhì)造成影響,進而影響道路的正常使用。

國內(nèi)外學者開展了大量試驗研究含水率變化對土體力學特性的影響。研究表明,隨著初始含水率的升高,土體黏聚力和內(nèi)摩擦角均會急劇減小[3-4],但有些學者得出黏聚力在最優(yōu)含水率附近存在峰值,內(nèi)摩擦角在最優(yōu)含水率干側(cè)隨著含水率的增大而減小,在最優(yōu)含水率濕側(cè)變化不明顯,說明含水率對土體強度參數(shù)的影響與土體自身的物理性質(zhì)有關(guān)[5];在應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系方面,隨著含水率的增加,土體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線由應(yīng)變軟化型向應(yīng)變硬化型轉(zhuǎn)變,試樣的破壞形式逐漸由脆性破壞轉(zhuǎn)為塑性破壞[6]。含水率波動對土體力學特性影響的研究成果還相對較少。干濕循環(huán)作用對土體力學特性的影響,實際上可以看作是一種含水率波動的影響,但是干濕循環(huán)一般在極端的氣候條件下發(fā)生,因此可以認為干濕循環(huán)是一種程度劇烈的含水率波動情況[7]。但是,目前還沒有關(guān)于含水率波動程度對路基土微觀結(jié)構(gòu)和力學特性劣化規(guī)律的研究。

本文設(shè)定3種不同程度的含水率波動,通過固結(jié)排水三軸剪切試驗,研究含水率波動程度對深圳市公明公路路基土力學特性的影響,并結(jié)合微觀試驗結(jié)果探究含水率波動狀態(tài)下路基土力學特性的劣化微觀機理,最后基于鄧肯-張模型,建立了考慮含水率波動影響的路基土經(jīng)驗本構(gòu)模型。

1 試驗方案

1.1 試樣制備

對從深圳市公明水庫4號壩體所在地區(qū)附近所取的公路路基土進行去除腐化植物和石塊,然后將其風干、研磨過2mm篩去除大顆粒,依據(jù)GBT50123—2019《土工試驗方法標準》測得其塑限為16.2%,液限為30.9%,相對密度為2.69,最優(yōu)含水率為14.3%,最大干密度為1.86g/cm3。顆粒分析試驗測得土體試樣中砂粒占52.4%,粉粒占23.7%,黏粒占23.9%。試樣在最優(yōu)含水率及最大干密度下分3層采用重型靜力壓實成直徑為38mm,高度為76mm的圓柱形試樣,每層壓實后用土工刀在其表面拉毛,保證層間不會發(fā)生斷層現(xiàn)象。試樣制備完后立即從模具中推出,用保鮮膜包裹后放置于密封盒中靜置24h達到水分平衡再開展后續(xù)試驗。

1.2 靜三軸試驗

楊樹榮等[1]通過對137處服務(wù)中的道路路基進行現(xiàn)場調(diào)查,指出全部59處黏性土的現(xiàn)場含水率皆位于最優(yōu)含水率wopt濕側(cè)(其余78處為顆粒土),主要在wopt～wopt+7%之間波動;Uzan[2]發(fā)現(xiàn),黏性路基土在最優(yōu)含水率下壓實后,含水率會隨著氣候條件的波動,在最優(yōu)含水率濕側(cè)某一區(qū)間內(nèi)波動。為了探究含水率波動程度對路基土力學特性的影響,本文擬定了3種不同程度的含水率波動狀態(tài):零波動狀態(tài)(wopt,稱為OMC狀態(tài))、弱波動狀態(tài)(wopt～wopt+1.2%,稱為OMC-TMC狀態(tài))和強波動狀態(tài)(wopt～wopt+2.3%,稱為OMC-SMC狀態(tài))。參考Han等[8]提出的濕制試樣方式,使用不同干濕程度的濾紙包裹OMC狀態(tài)下的試樣直至質(zhì)量達到目標含水率下的質(zhì)量,即認為試樣增濕至目標含水率,隨后在自然條件下脫濕至最優(yōu)含水率,完成1次含水率波動。研究表明,在經(jīng)歷5～7次干濕循環(huán)后試樣的基本力學特性會達到穩(wěn)定[9-10],因此本文中含水率波動次數(shù)設(shè)定為10次,以研究最終平衡下路基土試樣的力學特性。

含水率波動處理之后的試樣進行三軸固結(jié)排水試驗前,先對試樣進行真空抽氣飽和,并在去離子水中浸泡24h,隨后將試樣轉(zhuǎn)移到三軸壓力室內(nèi)進行反壓飽和,當孔隙水壓力系數(shù)超過0.98即認為試樣達到飽和狀態(tài)[11]。圍壓為100kPa、200kPa、300kPa和400kPa下的飽和試樣固結(jié)完成后,以0.076mm/min的速率對其進行剪切,在軸向應(yīng)變達到15%時停止剪切。

1.3 微觀試驗

對經(jīng)歷3種不同程度含水率波動達到最終平衡狀態(tài)下的試樣開展壓汞(MIP)試驗和掃描電鏡(SEM)試驗,研究土體微觀結(jié)構(gòu)的演化機制。其中MIP試驗用于測定試樣的孔徑分布曲線,SEM試驗用于捕捉試樣的微觀結(jié)構(gòu)圖像[12-14]。在進行MIP和SEM試驗之前采用凍干法[15]對試樣進行了干燥處理,具體過程為:將制備好的試樣直接放入液氮中,使內(nèi)部水分在-196℃的低溫下快速凍結(jié)成冰,然后通過真空抽氣的方法使土體內(nèi)的冰晶直接升華為水蒸氣,從而在去除土體內(nèi)水分的同時最大程度地保留試樣原始的微觀結(jié)構(gòu)。

2 三軸試驗結(jié)果與分析

由圖1可知,圍壓σc較低時試樣的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型,隨著圍壓的增加開始轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變硬化型,應(yīng)力峰值強度所對應(yīng)的軸向應(yīng)變隨圍壓的增加而增大。圍壓較低時,試樣的體應(yīng)變隨著軸向應(yīng)變的發(fā)展先增加而后減小為負值,表明試樣在剪切過程中先經(jīng)歷剪縮后發(fā)生剪脹,試樣的剪脹特性隨著圍壓的增加而減小,當圍壓較高時其體應(yīng)變隨軸向應(yīng)變的發(fā)展逐漸增加并趨于穩(wěn)定,試樣僅表現(xiàn)為剪縮特性。

圖1 OMC狀態(tài)下三軸固結(jié)排水試驗結(jié)果

對比圖2(a)和圖3(a)可以看出,OMC-TMC狀態(tài)下試樣僅在σc= 100kPa時表現(xiàn)出應(yīng)變軟化;試樣經(jīng)歷含水率弱波動(OMC-TMC)后,σc= 200kPa和σc= 300kPa條件下其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均轉(zhuǎn)變成應(yīng)變硬化型;試樣在經(jīng)歷含水率強波動(OMC-SMC)后,所有圍壓下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均表現(xiàn)出應(yīng)變硬化型。對比圖2(b)和圖3(b)可以看出,含水率波動使得試樣在剪切過程中剪縮特性表現(xiàn)更為明顯,且含水率波動程度越大,試樣的剪縮特性越明顯。

圖2 OMC-TMC狀態(tài)下三軸固結(jié)排水試驗結(jié)果

圖3 OMC-SMC狀態(tài)下三軸固結(jié)排水試驗結(jié)果

取應(yīng)變軟化型的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線峰值偏應(yīng)力作為試樣破壞時的偏應(yīng)力,取應(yīng)變硬化型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線15%軸向應(yīng)變處的偏應(yīng)力作為試樣破壞時的偏應(yīng)力,對試樣在固結(jié)排水三軸試驗破壞時的應(yīng)力進行分析,試樣應(yīng)力莫爾圓如圖4所示。從圖4可以看出,經(jīng)歷3種不同程度的含水率波動后,土體試樣仍符合Mohr-Coulomb抗剪強度理論。由表1可知,含水率波動導致試樣黏聚力和內(nèi)摩擦角均有所減小,說明含水率波動會降低試樣的剪切強度,這與文獻中干濕循環(huán)降低土體強度參數(shù)的結(jié)論一致[7,16]。

表1 土體剪切強度指標

3 微觀試驗結(jié)果與分析

3.1 MIP試驗

綜合已有文獻中的孔隙劃分經(jīng)驗[17-18],按孔徑尺寸d將孔隙劃分為:微孔隙(d≤0.1μm)、小孔隙(0.1μm30.0μm)。從圖5可以看出,OMC狀態(tài)下試樣的孔隙結(jié)構(gòu)為單峰結(jié)構(gòu),峰值位于2μm左右,小孔隙占比較大,中孔隙占比較小。經(jīng)歷含水率波動后,孔徑分布曲線逐漸由單峰模式向雙峰模式轉(zhuǎn)變,2μm處孔徑分布曲線的峰值逐漸下移并在中孔隙的孔徑范圍內(nèi)出現(xiàn)了一個新的峰值孔徑。

圖5 試樣的孔徑分布曲線

由表2可知,隨著含水率波動范圍的增大,試樣的孔隙分布表現(xiàn)出不同的發(fā)展趨勢:微孔隙基本保持不變,其數(shù)量和尺寸僅與試樣內(nèi)部的黏土礦物有關(guān),因此不受含水率波動的影響;小孔隙數(shù)量逐漸減少,由于在波動過程中不斷經(jīng)歷脫濕和增濕作用,小孔隙產(chǎn)生的塑性收縮變形會導致體積減小,波動范圍越大這種塑性收縮越顯著;中孔隙和大孔隙數(shù)量增多,表明水分的遷移會引發(fā)試樣內(nèi)部大、中孔隙的發(fā)育。土體中、大孔隙的產(chǎn)生,是引發(fā)土體剪縮特性明顯的主要原因。根據(jù)孔隙均勻化原理[19],試樣受剪切后大孔隙優(yōu)先改變,從而使得試樣內(nèi)部孔隙趨于均勻,這種大孔隙的均勻化在宏觀上就表現(xiàn)為體縮。由于含水率波動程度越大,水分遷移過程中所產(chǎn)生的大孔隙比率越大,大孔隙的均勻化在整個剪切過程中就越顯著,其剪縮特性就越明顯。

表2 各級孔隙占比

從表2還可以看出,盡管含水率波動會促進試樣內(nèi)部各級孔隙占比的調(diào)整,但含水率波動范圍對孔隙占比的調(diào)整影響不大,表中OMC-TMC與OMC-SMC狀態(tài)下各級孔隙占比的變化幅度都不及OMC與OMC-TMC狀態(tài)下的變化幅度明顯。意味著只要發(fā)生含水率波動,不論波動范圍的大小,試樣的微觀結(jié)構(gòu)都會受到較大的影響,因此在實際工程中含水率波動對路基土力學特性的影響不可忽視。

3.2 SEM試驗

圖6(a)為OMC狀態(tài)下試樣400倍鏡的SEM圖像,可以看出試樣觀測斷面平整細膩,整體結(jié)構(gòu)均勻,視域內(nèi)多見小孔隙,偶見細小裂縫,裂縫間貫通性差,試樣內(nèi)部存在微小缺陷。由圖6(b)(c)可以看出,含水率波動影響后試樣觀測斷面參差不齊且菱角分明,整體結(jié)構(gòu)差異性大。試樣孔隙及土體結(jié)構(gòu)變化明顯,微裂隙在數(shù)量、寬度和長度上均有不同程度的增加。裂隙將試樣分割為塊,塊體間接觸多為“面-面”接觸,塊體內(nèi)小孔隙數(shù)量大幅下降,與MIP試驗所得含水率波動后試樣小孔隙峰值下降的結(jié)果相一致。含水率波動過程中微裂隙發(fā)展導致的土體結(jié)構(gòu)變化,是導致土體試樣抗剪強度減小的主要原因。

圖6 試樣的SEM圖像(放大400倍 )

4 經(jīng)驗本構(gòu)模型

對于較高圍壓下試樣的應(yīng)變穩(wěn)定和硬化行為,可以采用鄧肯-張模型進行描述[20],表達式為

(1)

式中:σd為偏應(yīng)力;εa為軸向應(yīng)變;a、b為模型擬合參數(shù),其中1/a為極限偏應(yīng)力,其值等于試樣的排水抗剪強度,1/b為應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始斜率,其值等于試樣的初始彈性模量。

由于較低圍壓下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型(圖1、圖2),鄧肯-張模型并不能很好地描述軟化行為,因此在鄧肯-張模型的基礎(chǔ)上,提出了一個經(jīng)驗本構(gòu)模型(式(2))用于對本文不同含水率波動狀態(tài)后試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進行描述。

(2)

式中m、n為模型擬合參數(shù)。m與應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)軟化的拐點相關(guān),曲線越早表現(xiàn)出軟化現(xiàn)象m越小;n與試樣的軟化程度相關(guān),試樣的軟化程度越高n越大,當n= 1時,式(2)與鄧肯-張模型的表達式一致。因此,式(2)既可以描述應(yīng)變軟化行為,也可以描述應(yīng)變穩(wěn)定和硬化行為。

式(2)對不同含水率波動狀態(tài)后試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線的擬合效果分別如圖1(a)、2(a)、3(a)所示,模型參數(shù)見表3,可以看到模型的擬合R2均大于0.99,說明了該模型擬合能力的穩(wěn)定性與可靠性。

表3 經(jīng)驗本構(gòu)模型參數(shù)值

5 結(jié) 論

a.含水率波動過程中水分遷移引發(fā)試樣內(nèi)部產(chǎn)生的大孔隙增多,導致路基土試樣剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系從應(yīng)變軟化向應(yīng)變硬化型轉(zhuǎn)變,試樣剪縮特性提升,隨著含水率波動程度的增大,試樣的剪縮特性越明顯。

b.含水率波動過程中微裂隙得到發(fā)展,微裂隙的發(fā)展導致試樣結(jié)構(gòu)有所破壞,從而降低了試樣黏聚力和內(nèi)摩擦角,隨著含水率波動程度的增大,試樣剪切強度越小。

c.基于鄧肯-張模型提出了一個經(jīng)驗本構(gòu)模型,既可以用來描述試樣的應(yīng)變軟化行為,也可以用來描述應(yīng)變穩(wěn)定和硬化行為,較好的擬合結(jié)果證明了該模型的有效性和適用性。