陈议城,陈学军,吴 迪,黄 翔,唐灵明,毕鹏雁
(桂林理工大学 广西岩土力学与工程重点实验室,广西 桂林 541004)
红黏土是一种典型的区域性特殊土, 我国红黏土主要分布在热带、 亚热带南方地区[1]。 在工程界,红黏土因其高含水率、 高孔隙比、 高液塑性、 高强度、 中低压缩性和低渗透性等不良物理性质指标与较好的工程力学性质相矛盾的现象, 一直受到岩土工作者的关注, 并对其进行了广泛而细致的研究。
目前, 红黏土的研究主要集中在两方面: 利用室内土工试验对红黏土相关力学特性进行研究[2-11]; 通过一些微观分析技术, 对红黏土成因及微观结构模型进行分析总结[12-14]。 虽然常规土工试验可以得到较准确的数据, 但往往需要大量取样, 费时耗力, 在现场无法做到实时监测且容易对土体造成破坏; 微观分析技术极大地促进了土体微观结构的定量分析, 但实验设备较为昂贵, 测试费用较高, 不利于推广应用。
应用地球物理方法解决实际工程问题是近几年发展起来的前沿研究领域, 电阻率法是该领域蓬勃发展的一个重要方向, 由于其在现场实测方面具有连续、 快速、 无损等特点, 已被广泛应用于环境岩土工程研究中[15]。 土电阻率是土体固有物性参数之一, 用来表征土体导电性大小[16]。 自从Archie[17]将土电阻率与土的结构联系起来, 提出适用于饱和无粘性土、 纯净砂岩的电阻率模型以来, 国内外众多学者对土的电阻率展开了大量研究工作, 也取得了一些成果:Keller等[18]、 Waxman等[19]、 Mitchell等[20]分别提出了适用于不同条件下的土体电阻率模型; Yoon等[21]通过模型试验, 探讨了土体电阻率与含水率、干密度之间的关系;自国内学者缪林昌等[22]率先将电阻率法应用于水泥土的研究中; 刘国华等[23]通过室内正交试验研究发现,影响土体电阻率变化的主次因素顺序为:含水率>孔隙水电阻率>饱和度>土的类型;查甫生等[24]针对已有非饱和电阻率结构模型存在的缺陷, 优化推导出更加准确的非饱和黏性土电阻率结构模型, 并分析归纳出影响土电阻率的3类最主要影响因素为含水率、 孔隙水电阻率、 孔隙水连通性; 刘松玉等[25]总结分析了土电阻率影响因素, 并通过自行研发的ESEU-1型电阻率测试仪对土体进行测试研究; 聂艳侠等[26]通过室内试验对土壤电阻率与饱和度的定量关系进行了研究; 韩立华等[27]、 潘玉英等[28]分别对不同温度下的工业污染土和不同影响因素下的石油污染土电阻率进行了研究。 大多学者集中在对土体电阻率这一单一参数的静态研究, 对电阻率这一地球物理参数与其他参数的关系研究尚处于起步阶段, 特别是有关土体强度特性与电阻率特性关系方面的研究更为罕见, 在取得土体电阻率后, 如何快速评价土体强度特性是一个值得研究的问题。 在所有影响因素中, 含水率是影响土体电阻率变化的主要因素, 这已成为学者们的共识。 因此, 开展不同含水率下红黏土强度特性与电阻率关系研究具有重要的学术价值和现实意义。
本文以桂林红黏土为研究对象,通过开展室内无侧限抗压强度及其同步电阻率测试试验,获取不同含水率下红黏土电阻率-应变-应力同步变化曲线,进一步分析含水率对无侧限抗压强度、初始电阻率、破坏电阻率的影响,最后探讨无侧限抗压强度与初始电阻率、破坏电阻率之间的定量关系,这将极大地促进电阻率法在红黏土力学强度特性研究方面的应用,以达到快速准确评价的效果。
表1 红黏土基本参数Table 1 Basic parameters of red clay
图1 干密度-含水率关系曲线Fig.1 Relation between dry density and moisture content
将取回的红黏土土样风干、碾碎,过2 mm筛后测其风干含水率,并装入塑料袋密封备用。根据《土工试验方法标准》(GB 50123—1999)配制成含水率分别为20%、25%、30%、33%、35%、37%的6种土样,搅拌均匀后用塑料薄膜密封并放置在标准养护条件(温度23±2 ℃,湿度>90%)下静置24 h,等土样充分润湿后,制取干密度ρd=1.35 g/cm3的重塑三轴样(Φ39.1 mm×80 mm),每个含水率制作3个平行试样,制样完成后用保鲜膜包裹密封,放入25 ℃的恒温箱中养护24 h,使被测土样的温度达到测试时的要求。
目前, 土体电阻率测试方法大致可分为二相电极法和四相电极法两类。 在常规土工试验中, 相比于二相电极法,四相电极法显得更加复杂, 且插入土样中的探针容易对土样造成扰动; 除此之外, 若在无侧限抗压强度试验、 压缩试验、 三轴试验中采用四相电极法, 很难准确确定电极间的距离, 对后期电阻率准确计算造成误差和困难。 因此本文电阻率测试采用VC4091C型LCR精密数字电桥, 有效量程0.000 1 Ω~99.999 MΩ, 低频、 交流、 二相电极。 为了方便起见,电流频率为50 Hz[22-24]。 无侧限抗压强度试验采用DW-1型应变式无侧限压缩仪, 其最大轴向负荷0.6 kN,加载速率为2 mm/min, 量力环率定系数C为2.139 N/0.01 mm。 整体测试装置如图2所示。
测试工作均在25 ℃室温条件下进行, 具体试验步骤为: ①从恒温箱中将温度达到要求的土样取出, 在其上下表面涂抹一层黑色导电膏, 以增大土样与电极片之间的接触面积, 降低接触电阻;②在土样上下表面贴好定制的电极片, 电极片面积略大于土样横截面面积, 为使无侧限仪与电极片之间绝缘, 在电极片上下接触面贴上黑色绝缘胶(图2a); ③将连有导线的电极片接入电桥, 并将电桥与电脑连接, 调节仪器, 使土样、 电极片、 无侧限仪三者紧密接触(图2b); ④用电桥测量土样的初始电阻率, 多次测量取其平均值; ⑤同步打开无侧限仪及串口软件开始进行试验, 记录位移及量力环读数, 同时通过串口软件按每秒一次实时发送无侧限抗压强度试验全过程中土样的电阻变化, 每个含水率土样进行3组平行试验,取平均值。
图2 整体测试图Fig.2 Chart of overall test
图3 不同含水率土样破坏情况Fig.3 Destruction of soil samples with different moisture contents
不同预设含水率下红黏土试样破坏情况如图3所示。根据无侧限抗压强度试验所得数据及相应公式计算出相应的轴向应力和轴向应变,由测得的同步电阻变化值及公式ρ=RS/L得到电阻率与应变的一一对应关系。由此得到不同含水率下应力-应变-电阻率同步变化曲线如图4所示。
图4 不同含水率下应力-应变-电阻率同步变化曲线Fig.4 Stress-strain-resistivity curves under different moisture contents
总体上,不同含水率下的红黏土无侧限抗压强度曲线均呈现出应变软化型,均存在峰值强度,且在应变变化早期均存在陡升阶段。当含水率较低时(w=20%),轴向应力达到峰值强度以后随轴向应变的增加而迅速降低,且轴向应力峰值点对应的破坏应变较小,约为1.8%,表现出明显的脆性破坏形式(图3a),土样瞬间崩裂,破坏面贯通土样,土样整体破坏,承载能力瞬间丧失。随着含水率的不断增大,轴向应力达到峰值后随轴向应变的增加, 其下降趋势逐渐变缓, 且轴向应力峰值点逐步“右移”, 即破坏应变值逐渐增大(w=25%时, 破坏应变约为2.0%; 当w=37%, 破坏应变已增至7.5%), 且土样破坏程度逐渐减小(图3b—f); 当w=25%时, 土样裂隙多且大,贯通性强,破坏面大,存在松散块体整体崩落现象;当w=37%时,土样仅存在几条微小裂隙,破坏程度大大降低。
不同含水率下电阻率-应变关系曲线均经历了先陡降再上升过程。随着含水率的增加,曲线整体下移,上升段速度逐渐变缓。由同步变化曲线可知,应力、电阻率随应变变化趋势呈现出良好的吻合性。应力-应变关系曲线存在明显的峰值点,而与之对应的电阻率-应变关系曲线也存在明显的“波谷点”。 在应力达到峰值点之前, 应力随应变增加而迅速增大, 其对应的电阻率则迅速减少, 跌至“波谷”;达到峰值点以后,应力随应变的增加而减小,其对应的电阻率则缓慢增加,其上升速度随应力陡降速度降低而减少。
土体中存在3种导电路径,电流主要是通过土颗粒间、孔隙水间以及土水相间而成的路径进行传导[22]。不同含水率的红黏土在单轴荷载作用下刚开始时均经历了压密阶段,在这一阶段,土体所受应力较小,尚未出现破坏,土体逐渐被压密,土颗粒间的距离缩短,接触面积增大,增强了土颗粒间导电性,且压密过程同时伴随着土体空气的排出和水膜厚度变薄、面积增大,导致三相体中固液二相相对体积含量增加;与此同时,压密过程中粒团间的大孔隙被压缩,孔隙率减小、孔隙水的饱和度增大,使得孔隙水连通性增强,并增强了孔隙水间的导电性,因此在这一阶段,电阻率随应变增大而迅速减小。当应力达到峰值点之后,随着应变不断增大,压实功逐渐克服粒团间的分子引力及各类胶结力的作用,使粒团发生滑移错动,粒团间大孔隙体积变大,孔隙率增大,孔隙水的饱和度减小,使得孔隙水的连通性变弱,孔隙水的导电性降低,同时土样裂隙不断变多、张开度逐渐变大、贯通性变强、破坏面逐渐变大,此时部分孔隙水的连通性、部分土颗粒导电路径被阻断,导电性进一步减弱,因此应力峰值点之后,电阻率随应变增大而增大,且含水率越低,土样破坏越明显,电阻率增大速度越大。由此可见,电阻率同步变化规律能够较准确地反映红黏土在荷载作用下相应的强度变化过程,这将极大地促进电阻率法在红黏土力学强度特性研究方面的应用。
取峰值点轴向应力为无侧限抗压强度,图5为压实红黏土无侧限抗压强度随含水率变化的实测值及其拟合曲线。
图5 无侧限抗压强度-含水率关系曲线Fig.5 Curve of unconfined compressive strength-moisture content
由实测值与拟合曲线对比分析可知,无侧限抗压强度与含水率呈指数关系,无侧限抗压强度随含水率的增大而减小,当含水率为20%时,无侧限抗压强度高达737.65 kPa;当含水率为37%时,其无侧限抗压强度减少了92.44%,降至55.80 kPa;当含水率小于30%时,其曲线呈陡降趋势,当含水率大于30%时,其衰减程度逐渐变缓,当含水率达到33%以后已基本趋于平稳。究其原因主要是: 当含水率较低时, 土中水分子被黏土矿物片吸附形成较薄的强结合水膜,强结合水膜具有很高的粘滞性,其性质类似于土颗粒本身,此时黏土矿物片与极性水分子、水中阳离子以及微晶态游离氧化铁由于静电引力作用,吸附形成一个牢固稳定的粒团结构,由于强结合水膜厚度较薄,粒团间分子间引力也较大,且粒团间游离氧化铁在干燥条件下多以晶体氧化铁的形态存在,与其他各类胶结物质在粒团间共同起到胶结作用,粒团间胶结作用较强,此时红黏土土样在压实作用早期,粒团间较大的分子引力、各类胶结力会对压实效应产生抑制作用,要使土体破坏,需要更大的压实功来克服粒团间较大分子引力、各类胶结力,以使粒团间产生滑移破坏,因此含水率较低时,红黏土具有较强的抵抗变形能力,无侧限抗压强度较高;随着含水率不断增大至最优含水率(30.78%)附近,土中水开始以弱结合水膜的形式赋存于粒团间,结合水膜的厚度逐渐变厚,由于水膜的楔入作用,使得粒团间的距离变大,分子间引力变小,且随着含水率的增大,粒团间晶态氧化铁会逐渐转化为无定型氧化铁以及各类胶结物质也会发生溶解作用,粒团间胶结力大大降低,因此红黏土土样在压实作用下,粒团间大孔隙中气体被迅速排出,粒团间分子引力、各类胶结力对压实能量的抑制作用越来越小,土样越来越容易被压密(与压实曲线相符),因此在这阶段,土体无侧限抗压强度衰减速度较快;当含水率达到最优含水率湿侧以后,随着含水率增加,结合水膜厚度进一步增大,分子间引力进一步减少,但粒团间各类胶结物质的溶解速度已大大降低,且此时水分已经逐步充满粒团间大孔隙,在压实作用下,孔隙水及封闭气体不易排出,产生的孔隙压力会抵消一部分的压实功作用,因此这一阶段无侧限抗压强度衰减速度逐渐变缓;当含水率接近饱和状态以后,孔隙水的作用效应已基本稳定,此时土体抵抗变形的能力也趋于稳定,即无侧限抗压强度基本趋于稳定。
定义应变ε=0时对应的电阻率为初始电阻率; 土样破坏时(即达到峰值强度时)对应的电阻率为破坏电阻率。 由图6a可知, 初始电阻率与含水率的关系曲线变化趋势与无侧限抗压强度-含水率曲线图5类似, 当含水率小于30%时, 含水率的少量增加便能引起初始电阻率的剧烈降低;当含水率大于30%以后,其衰减趋势逐渐变缓;当含水率大于33%时已基本趋于稳定。究其原因主要是:当含水率较低时,土体主要通过土颗粒间的接触进行导电,少量水的增加,便会在土颗粒表面形成强结合水膜,构成“液桥”,使得土体粒团间的有效接触面积增大,增强电流在土颗粒间、土水相间而成的路径的传导,同时孔隙水的增加,“液桥”相互连通,改善了孔隙水的连通性,增强了孔隙水间的导电性,土体导电性进一步增强,因此含水率的少量增加便会引起土体电阻率的剧烈降低;继续增加水分,达到一定程度时,已经开始出现弱结合水膜和自由水,粒团间的有效接触面积继续增大,但其增加趋势逐渐变缓,导致电阻率也随之逐渐变缓;当含水率达到33%,土体接近饱和状态,粒团间孔隙已基本充满水, 粒团间的孔隙水连通性已达到较好状态, 导电路径以孔隙水间的导电为主,此时含水率的增加, 粒团间的有效接触面积增加不明显且对孔隙水的连通性的改善作用甚微, 对土体的导电性影响很小, 因此当含水率>33%以后, 电阻率已基本趋于稳定。
图6 初始电阻率(a)、 破坏电阻率(b)与含水率关系曲线Fig.6 Curves of initial(a),destructive resistivity(b)-with moisture contents
由图6b亦知,破坏电阻率与含水率的关系曲线呈现出与图5、图6a相同的变化趋势,先剧烈减小,再逐渐变缓最后趋于稳定。变化的原因,一方面,与上述初始电阻率一样,含水率增加,增强其导电性;另一方面,含水率越高,其破坏程度越小,被阻断的导电路径越少,导电性越强。两方面综合作用才使土体破坏电阻率呈现上述的变化趋势。
无侧限抗压强度是红黏土一个重要的力学特性参数指标,电阻率是土体物理性质参数之一,两者都是红黏土的固有属性,这两种参数之间存在某种内在联系。通过测定不同含水率下红黏土初始电阻率和破坏电阻率,并将其与所测得的无侧限抗压强度进行对比关联,找出不同含水率下红黏土力学特性指标与电学特性指标之间的变化关系,图7为不同含水率下无侧限抗压强度与初始电阻率、破坏电阻率的关系曲线。
图7 无侧限抗压强度-初始电阻率(a)、 无侧限抗压 强度-破坏电阻率(b)关系Fig.7 Relationship of unconfined compressive strength-initial resistivity(a) and unconfined compress strength-failure destructive(b) resistivity
可知,不同含水率下红黏土的无侧限抗压强度与初始电阻率、破坏电阻率均呈现出较好的线性关系,无侧限抗压强度随着初始电阻率、破坏电阻率的增大而线性增大,其拟合式分别为
qu=-25.71+0.24ρ0,
(1)
qu=-349.88+1.053ρ1。
(2)
式中:qu为无侧限抗压强度;ρ0为初始电阻率;ρ1为破坏电阻率。相关系数R2分别为0.922 13和0.918 5,其中无侧限抗压强度与初始电阻率的线性相关性相对较高,由此再次证明将电阻率法应用于红黏土力学强度特性评价是完全可行的。室内进行常规无侧限抗压强度试验,制样麻烦,相对费时耗力,可以利用电阻率法这种连续、快速、无损的测试方法以及上述得到的无侧限抗压强度与初始电阻率、破坏电阻率的定量关系来分析不同含水率下红黏土无侧限抗压强度的变化情况,以达到快速准确评价红黏土工程性质变化的效果。
(1)不同含水率下的红黏土无侧限抗压强度曲线均呈现出应变软化型,含水率较低时(w=20%),轴向应力峰值点对应的破坏应变较小,表现出明显的脆性破坏形式;随着含水率的不断增大,轴向应力峰值点逐步“右移”,土样破坏程度逐渐减小。
(2)不同含水率下的应力-应变-电阻率同步变化曲线呈现出良好的吻合性,红黏土受压过程经历了压密和破坏两阶段,应力-应变曲线先陡升后下降,与之对应的电阻率-应变关系曲线先陡降后缓慢增加。这种相关联的同步变化关系为研究红黏土在荷载作用下的强度变化过程提供了方便,这将极大地促进电阻率法在红黏土力学强度特性研究方面的应用。
(3)红黏土无侧限抗压强度、初始电阻率、破坏电阻率与含水率关系呈现出相同的指数变化关系,均随着含水率的增加先剧烈减小,再逐渐变缓,最后趋于稳定。
(4)不同含水率下红黏土的无侧限抗压强度与初始电阻率、破坏电阻率均呈现出较好的正比例线性关系,因此可利用电阻率法快速定量分析不同含水率下红黏土无侧限抗压强度的变化情况,以达到快速准确评价红黏土工程性质变化的效果。