考虑孔隙特性的压实黄土抗剪强度试验研究

马金莲 , 钟秀梅, 王 谦 , 王 平, 刘钊钊

(1. 中国地震局黄土地震工程重点实验室, 甘肃 兰州 730000;2. 中国地震局兰州地震研究所, 甘肃 兰州 730000)

0 引言

黄土是干旱、半干旱地区风成的第四纪沉积物,世界上黄土分布总面积大约有1 300万km2,我国黄土的分布面积达64万km2,约占全国土地面积的6%[1]。受形成环境及自然条件等因素的影响,黄土具有特殊的结构性,颗粒之间连接松散,具有明显肉眼可见的大孔隙和竖向节理,致使其具有强烈的水敏性和动力易损性,对工程的设计、施工及安全运营具有重要的影响[1-2]。

随着“一带一路”战略不断推进和“韧性城乡”建设的迫切需求,黄土地区公路、机场、隧道及基础工程建设中难免涉及填筑工程,而黄土作为我国西部地区分布广泛的填筑材料之一,因取材方便和运输成本经济等优势,被广泛使用。填筑工程施工中会采取多种手段对土体进行人工处理,如加水拌和、动静机械碾压等,人工填筑处理会破坏土体原来的结构组成,使得填筑土体较原状土体性质发生较大改变,因此,针对重塑压实黄土力学性质开展试验研究,凸显出其必要性。

土体的抗剪强度反映了土体抵抗剪切破坏的能力,工程中常见的建筑地基的破坏,土坡、深基坑及挡土墙地基的稳定性等均与土的强度指标有关。因此,开展重塑压实黄土抗剪强度试验研究,对保障黄土地区工程建设设计、施工和后期的安全运营,意义重大。

文献[3-9]针对不同地区、不同类型重塑压实黄土,基于室内三轴试验、压缩试验,得到了制样含水率和干密度(压实度)对重塑压实黄土抗剪强度、变形特性等的影响规律;文献[10-12]基于室内三轴剪切试验,研究了制样方法、含水率、围压、基质吸力对黄土抗剪强度指标的影响规律,并得到了一定结论性研究成果;王铁行等[13]考虑干湿循环影响,研究建立了干湿循环次数与强度劣化指标之间的关系表达;吴旭阳等[14]通过黄土抗拉强度试验研究,探讨了原状与重塑黄土在强度参数比方面的差异性;巴亚东等[15]基于室内试验研究,明确了原状黄土的固结剪切体积变形与围压和吸力之间的规律性。上述针对重塑压实黄土强度和变形特性的研究虽得到了含水率、干密度(压实度)与土体抗剪强度、压缩指标之间的关系,但因土体自身性质差异、试验方法、参数取值标准等不同,关于重塑压实黄土抗剪强度与初始制样含水率、压实度、孔隙特性间关系的研究目前尚未形成统一的定论。

本文以甘肃省临夏某机场场址黄土为研究对象,考虑初始含水率和压实度的影响,开展抗剪强度试验研究工作,并结合室内电镜扫描试验得到的重塑压实黄土细观结构图像,提取重塑压实黄土细观孔隙特性参数,定量研究重塑压实黄土破坏强度与孔隙含量之间的关系,从细观角度揭示了较高压实度可提高重塑黄土抗剪强度的内在原因,研究成果可为该地区工程设计、施工提供参考。

1 试验方法

1.1 基本物理参数取值

本文试验用土取自甘肃省临夏某机场场址,比重瓶法测定的天然土体比重为2.65,利用液塑限联合测定仪测得天然土体液、塑限分别为28.6%和19.4%,室内击实试验测定的黄土体最大干密度为1.75 g/cm3,颗分试验得到的天然土体的颗粒组成为:黏粒24.4%,粉粒69.1%,砂粒6.5%。

1.2 试验方法

三轴剪切试验是将取来的原状试样敲碎碾压,经自然风干后过2 mm筛,测定其含水率。本文以天然土体含水率为基础,设定4种含水率(5%、7%、9%、11%)配置所需含水率条件下的土样,并用塑料袋密封后闷料24 h,待土样含水率均匀后用两端静压的方法制备试验所需试样,试样直径为39.1 mm,高度为80 mm。考虑到填方工程中多以无量纲参数压实度作为填筑工程控制系数,故本文设定了4种压实度(80%、85%、90%、95%)作为重塑压实黄土干密度的控制标准。试验考虑填筑体深度不同,设置3种不同围压(80 kPa、140 kPa、200 kPa),利用南京土壤仪器厂生产的应变控制式三轴仪完成了16组试样在固结不排水(CU)条件下的剪切试验。试验中若应力-应变曲线出现峰值,则取主应力差值的峰值作为破坏点;若无峰值,取15%轴向应变时的主应力差值作为峰值点[11]。

电镜扫描试验则通过将不同压实度条件下的黄土体试样风干,按照试验仪器要求选择平整断面,用砂纸打磨试样底面,将试样制成2 mm厚度的薄片并进行喷金处理,以使试样表面易于导电,再利用电镜扫描技术得到重塑黄土在4种不同压实度条件下的SEM图像,考虑要提取孔隙特性参数,选用放大500倍的SEM图像作为分析研究的对象。

2 试验结果分析

2.1 重塑黄土应力-应变关系

本文基于16组试样的室内静三轴剪切试验,得到重塑压实黄土在不同初始含水率和压实度下的应力-应变关系曲线(图1)。限于篇幅,这里仅给出了140 kPa围压时重塑压实黄土试样的应力-应变关系曲线。

图1 压实黄土应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of compacted loess

由图1可见:140 kPa围压下，不同初始含水率和压实度重塑压实黄土应力-应变关系形式表现为软化型、弱硬化型和强硬化型。本文主要考虑初始含水率和压实度2个变量,故对不同围压下的应力-应变关系曲线不作讨论。本文研究范围内,5%、7%含水率对应的90%和95%压实度条件下应力-应变关系曲线为软化型;7%含水率对应的80%、85%压实度及9%含水率对应的90%、95%压实度条件下应力-应变关系曲线为弱硬化型;其余含水率和压实度条件下则呈现为强硬化型,特别是11%含水率所对应的4种压实度条件下应力-应变关系曲线均为强硬化型。

且由图1可见:重塑压实黄土偏应力值随压实度增大呈现出明显的增长趋势,随含水率增大呈现出减小的趋势。结合Duncan-Chang模型,其偏应力值与应变之间满足双曲线关系,即重塑压实黄土应力-应变之间满足:

(1)

式中:a、b为拟合参数,ε为轴向应变,σ1-σ3为偏应力。

2.2 重塑压实黄土应力路径关系

由于土的变形和强度不仅与受力大小有关,还与土的应力历史有关,土的应力路径可以模拟土体实际的应力历史、全面研究应力变化过程对土力学性质的影响[11]。基于室内静三轴试验数据得到的试样p-q曲线如图2所示,其中:

(2)

式中:p为平均主应力;q为偏应力。由图2可见:应力路径曲线形式几乎不受含水率和压实度影响。这是因为本文研究范围内含水率较小,土体在剪切重塑压实黄土的应力路径曲线为不同斜率的直线,应力路径曲线形式几乎不受含水率和压实度影响。这是因为本文研究范围内含水率较小,土体在剪切破坏过程中孔隙压力响应不明显所致,这与文献[11]得到的结论是一致的;且由图可见:应力路径在较大变形(15%应变)下依然没有出现紊乱的现象,表明在本文研究含水率范围内土体的强度是比较高的。

图2 不同条件下压实黄土应力路径曲线Fig.2 Stress path curves of compacted loess under different conditions

2.3 重塑压实黄土抗剪强度指标

由Mohr-Coulomb强度准则:土体抗剪强度指标c、φ的取值直接决定土体抗剪强度的大小。通过室内三轴剪切试验,本文得到了考虑初始含水率和压实度影响的16组重塑压实黄土的抗剪强度指标(图3)。由图3可见:随着压实度的增加,重塑黄土的抗剪强度指标c、φ均有所增大,且黏聚力c的增长速度较内摩擦角φ更快,表明较高压实度对提升强度指标c的效果更为显著;随着含水率的增加抗剪强度指标c、φ均呈现出减小的趋势,且随着含水率的增加黏聚力c的减小趋势较内摩擦角φ更为明显。由此可见:重塑黄土抗剪强度指标c对初始含水率和压实度的敏感程度较内摩擦角φ更高,填筑工程压实施工中应重视对强度指标c的试验监测,以更好确保施工质量。

图3 压实黄土抗剪强度指标取值Fig.3 Shear strength indexes of compacted loess

2.4 重塑压实黄土破坏强度

结合16组重塑压实黄土试样的静三轴剪切试验,得到了不同初始含水率和压实度条件下重塑黄土破坏强度(σ1-σ3)f与围压σ3之间的关系曲线(图4)。由图可知:重塑压实黄土的破坏强度(σ1-σ3)f随着压实度的增大而增大,随含水率的增大而减小,与抗剪强度指标随压实度和含水率的变化规律一致。通过回归发现:重塑压实黄土破坏度(σ1-σ3)f与围压σ3之间满足线性关系,即考虑初始含水率和压实度,重塑压实黄土的破坏强度(σ1-σ3)f和围压之间的关系可以表达为:

(σ1-σ3)f=σ3f(ω,k)+g(ω,k)

(3)

图4 压实黄土破坏强度取值Fig.4 Value of failure strength of compacted loess

式中:f(ω,k)、g(ω,k)是与初始含水率及压实度有关的函数。

为了进一步研究分析重塑压实黄土抗剪强度特性,本文根据Mohr-Coulomb强度准则式(4)、(5),并结合式(1)得到了考虑初始含水率和压实度条件下f(ω,k)、g(ω,k)与重塑黄土强度参数指标c、φ之间的关系表达,见式(6)。

τf=(σ1-σ3)f=c+σtanφ

(4)

(5)

(6)

式中:τf为抗剪强度;c为黏聚力;φ为内摩擦角;σ为总应力。

基于式(6),结合上述得到的16组重塑黄土试样抗剪强度指标取值。本文计算得到了16组试样与初始含水率和压实度相关的f(ω,k)、g(ω,k)的取值(图5)。

图5 压实黄土f(ω,k)、g(ω,k)取值Fig.5 The vaule of f(ω,k)、g(ω,k) of compacted loess

通过对得到的与初始含水率和压实度有关f(ω,k)、g(ω,k)取值的分析发现:f(ω,k)、g(ω,k)的取值与初始含水率和压实度之间有较好的规律性,且这种规律与强度指标c、φ随初始含水率和压实度的变化规律基本一致。这可利用式(6)来解释:f(ω,k)的计算变量只与内摩擦角φ相关,故f(ω,k)表现出与内摩擦角一致的变化规律;而g(ω,k)的计算变量为黏聚力c和内摩擦角φ,但由于黏聚力c对初始含水率和压实度的敏感度更高,因此g(ω,k)函数对黏聚力c的敏感度高于内摩擦角φ,故g(ω,k)表现出与强度指标c较为一致的变化规律。

2.5 重塑压实黄土孔隙特性

由上述三轴剪切试验研究分析发现:重塑黄土的抗剪强度指标c、φ、破坏强度(σ1-σ3)f随压实度的增加均表现出不同程度的增长趋势。由于土的孔隙特性也是反映土的抗剪强度的基本内容之一,因此,本文结合常规土工试验测得的重塑压实黄土基本物性参数,分别建立了不同压实度下重塑压实黄土的孔隙比e、破坏强度(σ1-σ3)f与压实度之间的关系曲线(图6)。限于篇幅,这里给出了5%含水率、围压80 kPa条件下重塑黄土不同压实度下的破坏强度(图8亦是如此,后续将不再赘述)。

图6 压实黄土孔隙比Fig.6 Void ratio of compacted loess

由图6可见,重塑压实黄土的孔隙比随压实度的增大呈现出明显的减小趋势,与破坏强度(σ1-σ3)f随压实度的变化规律相反,这也从侧面揭示了重塑压实黄土抗剪强度随压实度增加而增大的内在原因,即:较高压实度可以有效减小重塑黄土土体孔隙含量。通过回归发现重塑压实黄土孔隙比e与压实度k之间可以线性表达为:e=-0.020 1k+2.504 5,其中相关系数R2=0.994 2。

现阶段的研究也表明:黄土的细观结构特性与其力学宏观表现紧密相关[16-17]。为了进一步深入分析重塑黄土内部孔隙特性与压实度之间的关系,本文通过室内电镜扫描试验得到不同压实度下重塑黄土的细观结构图像,利用南京大学研发的图像处理软件PCAS对重塑压实黄土的SEM图像进行二值化处理,见图7。结合文献[18-19]中关于像素与微、小、中、大、特大孔隙的定义,确定了微、小、中、大、特大孔隙对应的面积。在此基础上,提取了不同压实度下重塑黄土内孔隙特性参数:不同尺寸范围内孔隙含量、平均孔隙面积、平均孔隙周长。

图7 二值化处理后压实黄土SEM图Fig.7 SEM image of compacted loess after binarization treatment

根据上述孔隙尺寸范围的划分,本文得到了不同压实度条件下重塑黄土体中微、小、中、大、特大孔隙的含量分布见图8。

图8 某尺度范围内孔隙含量Fig.8 Pore content in a certain scale

由图8可见:重塑压实黄土60%以上的孔隙含量为小孔隙,随着压实度增加,土体内微、小孔隙含量增多,中、大、特大孔隙含量减少。为了进一步分析孔隙特性与重塑压实黄土强度间的关系,本文结合细观结构分析提取得到的4种压实度下不同类型孔隙含量、孔隙平均周长、平均面积取值,分别建立了其与重塑压实黄土破坏强度(σ1-σ3)f之间的关系(图9)。

图9 压实黄土孔隙特性与破坏强度间关系Fig.9 Relationship between pore characteristics and failure strength of compacted loess

由图9所示:重塑压实黄土破坏强度与其微、小孔隙含量间成正比例关系,在小孔隙含量为61.24%、微孔隙含量15.91%时破坏强度增长尤为明显;重塑压实黄土破坏强度与其中、大、特大孔隙含量、孔隙平均周长、平均面积之间呈反比例关系,孔隙平均周长小于16.83 μm、平均面积小于18.43 μm2时黄土体的破坏强度增长更为明显。

综合上述分析,可进一步明确:较高压实度可增加黄土体内微、小颗粒含量,减少中、大、特大孔隙含量、孔隙平均周长和面积,这是较高压实度可提高重塑黄土抗剪强度的细观原因。

3 结论

(1) 不同初始含水率和压实度条件下重塑黄土应力-应变关系曲线形式为软化型、弱硬化型和强硬化型。7%含水率以下、90%压实度以上条件下为软化型，7%含水率、85%压实度以下，9%含水率、90以上压实度条件下为弱硬化型，其余条件下则为强硬化型。

(2) 重塑压实黄土应力路径呈斜直线形式,且曲线形式基本不受压实度和含水率影响;

(3) 重塑压实黄土抗剪强强度指标c、φ、破坏强度(σ1-σ3)f均表现为随着初始含水率的增加而减小,随压实度的增加而增大;

(4) 重塑压实黄土破坏强度与微、小孔隙含量间成正比例关系,与中、大、特大孔隙含量、孔隙平均周长和面积间成反比例关系。

针对11%含水率以上重塑压实黄土抗剪强度特性的研究有待于进一步开展。