贵阳红黏土轴向循环加卸载强度与变形特性试验研究

张清, 左双英,*, 杨国生, 吴道勇, 袁霄

(1.贵州大学喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室, 贵州贵阳550025;2.贵州大学资源与环境工程学院, 贵州贵阳550025;3.贵州省六盘水市水务局, 贵州六盘水553001)

0 引言

红黏土是一种呈棕黄色或棕红色的特殊结构性黏土,由碳酸盐岩经过风化、侵蚀、搬运、沉积后,形成的水、固、气三相结合体。贵阳处于亚热带季风湿润气候区,是典型的喀斯特地貌区域,红黏土发育极其典型且广泛分布[1]。在长期的工程实践中,红黏土成为贵州省内与工程建设联系最为密切的土类,大量试验以及工程实例表明,红黏土具有高含水率、高液塑、高孔隙性、低压缩性和应变软化特性及反剖面特征[2-3]。当前研究显示,红黏土的物理力学性质受含水率[4-5]、围压[6]、先期固结压力[7]、应力路径[2,6,8]等因素的影响而表现为硬化、软化或其他非线性特征。基于常规三轴试验的研究思路,赵蕊等[5]、赵亦婷等[9]、张彦召等[10]研究发现三轴应力状态下原状红黏土表现出应变软化特性,而重塑红黏土表现出了应变硬化特征;Lyu等[11]通过固结不排水三轴试验,探讨了压硬性、强度、结构性随取样深度和应力路径的变化规律。随着高速公路、高铁、机场等交通设施的大力修建,循环荷载作用所引起的地面沉降、地基塌陷等问题引起了越来越多学者的关注。廖化荣[12]及刘晓红等[13]分别对原状红黏土进行三轴循环荷载试验,发现在循环荷载作用下,原状红黏土塑性变形会逐渐累积,随着应力水平的增加土样变形分为弹性变形、塑性变形到完全破坏3个阶段。倪静等[14]通过实验研究发现黏土破坏过程中应力水平作用比加载频率更重要。李飒等[15]认为循环荷载过程中土体结构在不断发生变化,引入损伤变量根据有效应力原理进行修正,能够更合理地解释土体中孔压及强度变化的原因。穆锐等[16]结合Konder双曲线模型发现红黏土的弹性模量随应变变化显著。谢和平等[17]对Lemaitre提出的用模量计算损伤的方法进行修正,推导出考虑弹塑性应变变化的弹塑性损伤计算公式,刘建锋等[18]采用弹塑性损伤计算公式对循环荷载作用下盐岩的卸载模量进行研究,认为循环荷载对其不可逆变形有较大的影响。

红黏土作为地基或路基材料一般需进行反复压实,而目前对于轴向循环加卸载作用下红黏土的强度和变形特性研究较少,因此,本文以贵阳原状红黏土为研究对象,采用应变控制轴向加卸载应力路径,模拟不同含水条件、不同围压下地基或路基在反复压实过程中红黏土的应力-应变特性,为实际工程中红黏土的强度变化、变形参数确定以及计算模型的建立提供科学参考依据。

1 试验方法

1.1 试验土样

试样取自贵州大学西校区资源与环境工程学院物探试验场的原状红黏土,取样深度3～5 m,由三叠系安顺组白云岩风化而成,以褐黄色为主,呈可塑、硬塑状态,取样场地及试验装置如图1所示。根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019),对土样开展室内基本物理力学试验并获得了相关指标,贵阳红黏土基本物理力学参数见表1。

图1 取样场地及试验装置Fig.1 Sampling site and test device

表1 贵阳红黏土基本物理力学参数Tab.1 Basic physical and mechanical parameters of Guiyang red clay

将红黏土制成直径尺寸为39.1 mm,高度为80.0 mm的标准圆柱试样;以天然含水率为界限,通过自然风干和加湿装置分别制作含水率w分别为29%、32%(天然含水率)、35%、38%的原状红黏土试样,含水率误差不超过0.5%,每个含水率3个试样,贵阳红黏土三轴循环荷载试验制样见表2。

表2 贵阳红黏土三轴循环荷载试验制样Tab.2 Sample preparation for triaxial cyclic load test of Guiyang red clay

1.2 试验设备与方案

试验是在南京土壤仪器厂有限公司制造的SLB-1型应力-应变控制式三轴剪切渗透仪中的应力路径试验模块上进行的。为了研究含水条件以及轴向循环加卸载对贵阳红黏土力学性能的影响,对不同含水率的红黏土试样开展常规三轴压缩试验以及循环加卸载剪切试验。

常规三轴压缩试验：根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)对不同含水率的红黏土试样进行不同围压下的固结不排水剪切试验(CU)。

应变控制式循环加卸载剪切试验,总体采用固结不排水剪切试验,按以下步骤进行：①以等压固结的方式对试样进行排水固结,终止条件为孔隙水压力消散为0;②保持围压σ3不变,以Δσ1=1 kPa为增量在轴向进行加载,加载时间z设置为60 s,加载要求为：σ1=σ3+Δσ1,控制轴向应变达到1%为第一次加载的终止条件;③继续保持围压σ3不变,以Δσ1=-1 kPa/min为增量在轴向进行卸载,卸载时间z设置为60 s,当σ1-σ3=0时为卸载的终止条件;④继续加载,以此类推,控制轴向应变达到1%、2%、4%、7%、11%、16%时进行循环加卸载直至试样破坏,视为试验结束。

2 试验结果分析

2.1 红黏土轴向加卸载应力-应变曲线

2.1.1 含水率的影响

对不同含水条件下的贵阳红黏土开展应变控制循环加卸载试验,获得了不同含水率的贵阳红黏土应力-应变关系曲线。不同围压曲线变化趋势相似,这里取围压为100、300 kPa时的应力-应变关系曲线进行分析,得到不同含水条件下贵阳红黏土循环加卸载应力-应变曲线关系如图2所示。由图2可见,随着含水率的增加,相同围压下贵阳红黏土的峰值强度呈降低趋势,与贵阳红黏土反剖面的特征相吻合;同时,在围压作用下,贵阳红黏土整体在强度上表现出增强效应。

(a) σ3=100 kPa

2.1.2 围压的影响

为了探讨围压对循环加卸载作用下贵阳红黏土强度与变形的作用,本文中以含水率ω分别为29%、35%时进行分析,其他变化趋势类似。不同围压下贵阳红黏土循环加卸载全过程应力-应变关系如图3所示。由图3可以看出,在低围压100 kPa时,循环加卸载过程对贵阳红黏土的压硬性作用不明显,在较高围压200、300 kPa时,循环加卸载作用对贵阳红黏土的压硬性作用较为明显;弹性变形阶段,随着围压的增大,贵阳红黏土弹性变形阶段的应力-应变曲线斜率也增大,表明贵阳红黏土的强度随着围压的增大而增大,表现出明显的压硬性。稳定变形阶段,贵阳红黏土应力-应变关系曲线呈明显的台阶状,说明每次加卸载循环回次后对贵阳红黏土产生二次压实作用,土体强度得到了增强。对比图2与图3不难发现,在本文中试验的含水条件范围内,围压对贵阳红黏土强度的影响比含水率更加明显。

(a) w=29%

2.1.3 孔压分析

孔压是循环荷载作用下土体的重要特征之一,是导致黏土循环弱化的一个重要因素[22]。加卸载循环过程中不同含水条件和围压下孔压变化情况如图4所示。由图4可知：相同含水率的情况下,围压越大,产生的孔压值也越大;相同围压条件下,孔压值随着含水率增大而增大。其中围压为100 kPa条件下孔压最小,且在应变为5%附近出现峰值孔压,随后随着应变的增大逐渐减小,而围压为200、300 kPa条件下无明显的峰值孔压,而是在应变达到13%、17%后其变化趋势由明显上升向平稳转化,此应变水平可认为是不同围压下的孔压临界应变值,与围压水平相关,受含水率影响较小。加卸载过程对孔压的升降也会产生明显的影响。由图4中还可以看出：在临界应变之前,每一次卸载初期,由于惯性轴向应变会在短时间内增大,孔压也迅速增大;当应变回弹时,孔压会小部分消散,消散的速率小于上升速率,因此孔压循环曲线并不能形成闭合的滞回环。而在临界应变之后,卸载初期孔压缓慢上升、平缓变化甚至变小,再次加载的过程中孔压会随着应变的增加快速上升,形成孔压加卸载滞回环,之后变化平缓。

(a) w=29%

2.2 压密与回弹过程分析

取含水率w分别为29%与38%的土样进行低应变阶段循环加卸载,对受载过程中的压密与回弹现象进行分析得到的红黏土循环加卸载作用下压密与回弹曲线如图5所示。由图5可见,在初始加载阶段,贵阳红黏土有一段明显的后继压密过程,图5(a)中σ3=100 kPa时常规试验后继压密表现不明显,循环试验中表现出一小段后继压密过程,在图5(b)中σ3=100 kPa时常规、循环试验均表现出后继压密阶段,随着围压的增大,后继压密过程表现更加明显,表明较高围压对红黏土前期的压密阶段有延长作用。对比分析不同含水条件下试样在相同围压压密阶段的特征,σ3=100 kPa条件下,w=29%时,常规试验无明显后继压密过程,循环试验后继压密至ε1≈0.25%,w=38%时常规试验后继压密至ε1≈0.4%,循环试验压密至ε1≈0.45%,说明含水率越高,贵阳红黏土的后继压密过程越明显,σ3=300 kPa时同样呈此规律。此外,对比相同围压和含水条件下不同应力路径的压密阶段,发现循环荷载试验压密阶段普遍大于常规试验,在高围压条件下更加明显,试样表现出压密延长效应,表明相对于一直加载,卸载再加载的过程使贵阳红黏土受到的压密作用效果更好。

(a) w=29%压密阶段分析

随着应力的增加,循环加卸载滞回环经历剪切初期-中期滞回环增大,后期滞回环逐渐减少,即在循环加卸载作用下土样的弹性变形量经历了增大-减小的过程,反映出贵阳红黏土明显的应变软化特性,后期试样塑性变形量逐渐增多[19]。因此,可以定性地推断,在路基压实的过程中,压路机的反复作用会使得土体变得更加密实,而当外力不再继续作用时,路基将会随着时间的推移而出现一定程度的回弹变形,这时适时地再次施加荷载反复作用即可降低路基土体的变形恢复,提高路基的整体强度及使用寿命。

3 抗剪强度参数分析

抗剪强度参数是表征土体强度特性的重要指标,是边坡稳定性、挡墙土压力、地基承载力等工程中计算的主要参数。本文中试验方式为固结不排水试验,孔隙水压力随围压及含水率变化较大,因而对土体有效抗剪强度指标进行分析。采用文献[24]所提出的一种简便方法求解不同含水条件下贵阳红黏土的有效黏聚力c′和有效内摩擦角φ′,即将试验结果绘制在p′-q′坐标轴上,其中p′=(σ1′+σ3′)/2,q′=(σ1′-σ3′)/2,通过线性拟合得到其截距与斜率分别为b、tanα,并根据式(1)、(2)计算其有效抗剪强度参数。

φ=sin-1(tanα),

(1)

(2)

有效抗剪强度参数对比如图6所示。由图6可见,在常规试验条件下,φ′随着含水率的变化无明显变化趋势,保持在28°左右,因而认为其受含水率影响较小或不受影响;而c′随着含水率的升高从85.5 kPa逐渐减小到52.5 kPa,但是在38%时又略微上升,因而认为在本文中的含水率范围内,随着含水率的升高c′值整体上呈降低趋势。循环试验条件下,随着含水率的升高φ′值先减小后逐渐上升,由23°上升至30.5°,而c′值从小幅度上升后呈急剧下降趋势,由76.3 kPa下降至38.3 kPa,且c′值较常规试验条件明显变小,特别是在高含水条件下差值逐渐变大。根据文献[25-27]的试验研究结果,贵阳红黏土在循环荷载作用下产生变形,破坏过程中孔隙体积整体表现为减小,大孔逐渐向小孔发展,矿物团粒之间的咬合作用增强,有利于摩擦强度的提高即φ′ 增大;试样经过多次加卸载作用后小孔隙数量占比相较常规试验大,因而随着小孔数量的增加,孔隙压力变大而有效黏聚力c′ 减小。

(a) 有效内摩擦角φ′对比

4 循环加卸载损伤分析

4.1 加卸载模量分析

加卸载割线模量是表征循环作用对土体强度与变形作用的一种有效手段,其中卸载模量越大,贵阳红黏土的回弹变形量越小;加载模量反映达到相同应变时,土体2个连续循环回次之间强度的变化情况[20]。采用文献[21]中所提出的方法(如图7所示),以单个回次加载应力-应变曲线的平均斜率为该回次的加载割线模量,同理确定卸载割线模量。在相同终点加载应力下,若加载模量大于卸载模量,说明土体强度增加,反之土体强度减小。

图7 平均加卸载模量计算方法Fig.7 Calculation of the average plus and minus modulus

对4种含水率贵阳红黏土的模量变化情况进行分析,不同含水条件下循环加卸载轴向割线模量演化规律如图8所示。由图8可见,在相同含水条件下,随着围压的升高,其加卸载模量随之变大,在剪切过程中,试样经历压密-破损变化,压密阶段之前,试样加卸载模量逐渐上升,压密阶段之后出现峰值模量,如图8(a)所示,低围压水平σ3=100 kPa时,压密阶段不明显,初始模量即为峰值模量。随着应变的增加逐渐减小,峰值卸载模量为1 336 kPa后期降低至801 kPa,峰值加载模量为1 347 kPa后降低至809 kPa;而在高围压条件下贵阳红黏土受压密延长作用模量值呈先增大后减小的变化趋势,σ3=200 kPa时,卸载模量由856 kPa增大至1 607 kPa后期降低至998 kPa,加载模量由860 kPa增大至1 340 kPa,后期降低至894 kPa,σ3=300 kPa条件下,卸载模量由884 kPa增大至1 791 kPa,后期降低至1 011 kPa,加载模量由730 kPa增加至1 297 kPa,后期降低至945 kPa。其他含水条件变化趋势与其类似,随着应变的增加,贵阳红黏土表现出非常明显的弹塑性耦合特性[23,28],即应力进入塑性变形后,卸载后再加载所产生的塑性变形的增大引起弹性的变化,使加卸载模量减小,在非稳定变形阶段这类特征表现更加明显。

(a) w=29%

4.2 损伤分析

模量变化是土体结构受损的特征表现之一[22]。由图8可知,随着剪切的进行,贵阳红黏土的加卸载模量总体上呈减小趋势。为了研究循环荷载条件下贵阳红黏土的受损情况,以卸载模量变化规律来衡量试样的损伤情况,Lemaitre提出了应变等效性假说来描述弹性材料变形破坏过程中受损变化情况,如式(3)所示,将其推演为考虑不可逆塑性变形影响的弹塑性材料损伤公式[17],如式(4)。

(3)

式中：D为损伤系数;E0表示未损伤卸载模量;Ei表示试样受损后的卸载模量。

(4)

式中：ε表示单次循环总应变;εp表示单次循环残余应变。

由式(4)计算出不同含水条件及围压下试样的损伤系数,得到不同含水条件下循环加卸载损伤系数D的变化如图9所示。由图9可见：含水率在29%、32%条件下,损伤系数D随着应变的增加呈较均匀的上升趋势,在应变达到16%时达到0.9左右,且变化趋势不变;而在35%、38%含水条件下,损伤系数D快速上升在应变达到7%时达到0.9左右开始平缓变化。不同围压下试样初始损伤变化也有所差异,在围压为100 kPa条件下,应变达到1%时,损伤系数D开始变化,且增长速率较高围压要快;而在高围压200、300 kPa条件下,多数试样在应变达到2%时才开始变化,剪切后期高围压条件下相同应变所对应的损伤系数D要比低围压条件下的大,最终保持在0.80～0.95。

(a) w=29%

5 结论

①含水率和围压对贵阳红黏土的强度与变形特性有明显作用。剪切过程中,随着围压的升高,贵阳红黏土后继压密阶段更加明显,且试样的峰值强度呈明显的上升趋势;随着含水率的上升,试样峰值强度呈下降趋势,其中围压对其强度变化的影响更加明显。

②贵阳红黏土固结不排水剪试验中孔压的大小随围压、含水率的增大而增大,但是,在不同围压水平下孔压达到峰值时存在临界应变点：在临界应变之前,孔压循环曲线不能形成闭合的滞回环;在临界应变之后,孔压循环曲线以滞回环的形式出现,总孔压值保持不变或缓慢消散。围压在100、200、300 kPa时对应的临界应变分别为5%、13%、17%。

③循环加卸载作用使试样中小孔隙数量逐渐增多,有利于摩擦强度的发挥,但孔隙压力变大,使得试样有效黏聚力相对变小。

④加卸载过程中,弹性变形量随应力变化呈正相关关系,剪切后期加卸载模量持续下降,弹性变形量逐渐减小甚至消失,贵阳红黏土表现出明显的应变软化特性。采用卸载模量的变化定义损伤,得到贵阳红黏土在加卸载过程中损伤演化规律,损伤量在低围压、高含水率条件下发展最快,最终分布在0.80～0.95。