非饱和绢云母片岩残积土一维压缩变形规律

2021-02-24张庆文连晓兰朱孟龙聂广影

科学技术与工程 2021年3期

刘欢, 张庆文, 连晓兰, 朱孟龙, 聂广影

(1.云南省建筑工程设计院有限公司，昆明 650501； 2.西南林业大学土木工程学院，昆明 650224；3.云南建投中航建设有限公司，昆明 650217)

近年来，在实际工程中遇到的非饱和土问题急剧增加，土的压缩性是工程建设中非常重要的参数。为研究非饱和土的压缩性，中外学者开展了大量研究。Lalicata等[1]通过离心试验，采用两种不同的孔隙率对试样进行压缩，研究了密度对试样压缩性能的影响，发现部分饱和总是影响系统的刚度和阻力响应。 Mun等[2]通过排水固结试验。对高应力下非饱和压实黏土的压缩特性进行研究，发现在不排水荷载作用下，压实黏土的硬度要大得多；梁文鹏等[3]分析了土水特征曲线产生滞回效应的微观机理，将体积含水量引入抗剪强度增量公式，提出了非饱和土的强度预测公式。李涛等[4]对非饱和重塑和结构性黄土侧限压缩和湿陷试验开展了三维离散元模拟分析，发现离散元模拟能够再现其主要力学性质；吴宏伟等[5]通过一维压缩试验，发现上海黏土可以被归类为由低到中等次压缩性土体；Sridharan等[6]通过压缩试验得到了在一维压缩的情况下，非饱和黏性土的应力-应变的双曲线模型；梁为民等[7]研究加湿压缩条件下非饱和土的变形特征，试验结果表明，在荷载作用下，非饱和土的湿化压缩与初始含水量、湿化时间、渗流值和渗流点有着密切的关系。

随着工程技术的发展及新型工业要求，软岩及残积土的利用逐渐引起中外学者的广泛关注。软岩及其残积土的就地利用不仅能降低工程成本，还能解决工程材料缺乏的难题，满足保护生态环境的要求。

云南大临铁路存在大量的绢云母片岩及绢云母片岩残积土，主要由变晶石英、白云母及少数白云石、高岭石、绿泥石等组成，对于这类软岩遇水后其物理性质会发生明显变化，产生的软化反应对其结构稳定性有着重要影响。绢云母片岩属于变质软岩，其变形具有突发性、持续性、随机性和不可预见性等特点，易受水影响，遇水软化疏松，其承载能力丧失或部分丧失；其残积土具有与相似的性质，在外界条件下，容易发生湿化破坏，力学性质受水影响明显，因此有必要开展其在非饱和状态下的力学性能的研究。

中外学者针对绢云母片岩开展了大量研究。秦尚林等[8]采用三轴试验机，对绢云母片岩进行了一系列试验，发现其体积应变均以剪缩为主，应力-应变曲线呈现两种状态，围压高时为应变硬化型，围压低时为应变微软化型；张晶等[9]针对谷竹高速的绢云母片岩进行了研究，发现随分形维数的增大，承载能力比和回弹模量都先增大后减小。朱红亮等[10]采用绢云母片岩粗粒料，通过控制其密度及干、湿条件，进行了大型三轴试验，得到了反映粗粒料湿化变形发展的经验公式；Liu等[11]对绢云母片岩石英片进行了不同条件下的冲击试验，总结了围压和应变速率对动态抗压强度、峰值应变和破坏模式的影响；Yang等[12]采用改进的大型三轴仪对绢云母片岩粗集料进行了三轴试验，并对声发射信号进行了监测，试验结果表明，绢云母片岩粗集料声发射信号可以反映绢云母片岩在不同围压下的状态变化。

目前，前人对绢云母片岩残积土的研究主要集中在绢云母片岩残积土处于饱和状态下的变形及性质研究，而采用非饱和土力学试验方法分析其的强度和变形的研究鲜有报道。因此，有必要开展绢云母片岩残积土在非饱和状态下的强度和体变特性研究。为此，以云南大临铁路的绢云母片岩残积土为研究对象，进行不同干密度下控制基质吸力和净竖向压力的一维压缩试验，对其一维压缩变形规律进行研究。

1 试验材料方案

1.1 试验土样及物理力学参数

试验材料取自云南大临铁路的绢云母片岩残积土，呈灰色，属于下古生界澜沧群绢云片岩、绢云石英片岩夹炭质绢云片岩带，受构造和风化的影响，岩石破碎严重，风化程度较高，形成大量的残积土。通过X射线衍射分析，发现主要由粒径≤0.6 mm的粒状变晶石英、白云母及少数白云石、高岭石和绿泥石等组成。通过电镜扫描分析，发现石英已完全重结晶，呈他形粒状，具波状消光，颗粒之间彼此镶嵌，片状变晶状白云母、绿泥石断续-连续定向排列构成片状构造，其他粒矿物不均匀分布于石英粒间，如图1所示。按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[13]对其进行基本物理性能试验，结果如表1所示。

图1 绢云母片岩残积土扫描电子显微镜图像Fig.1 Scanning electron microscope image of sericite schist residual soil

表1 绢云母片岩残积土的基本物理参数

1.2 土水特征曲线

非饱和土中基质吸力的存在是研究非饱和土工程性质极其重要的部分，因此进行压缩试验前，先通过滤纸法测定了非饱和绢云母片岩残积土的基质吸力，得到了干密度为1.95 g/cm3和2.10 g/cm3的土水特征曲线，如图2所示。同时利用Gardner(GD)模型[14]和Van Genuchten(VG)模型[15]对其进行拟合，拟合结果如表2所示。由表2可知，2种模型对其拟合效果都比较好，但相对而言，四参数的Van VG模型对其拟合精度更高。

表2 数学模型拟合结果

A、B、C、D、E为曲线特殊阶段点的划分

图2为非饱和绢云母片岩残积土在不同干密度下的土水特征曲线。由图2可知，基质吸力的大小随着含水率的增大而逐渐减小，在含水率为18%时，基质吸力趋近于0。发现绢云母片岩的土水特征曲线呈现非典型“S”形，典型的土水特征曲线可分为边界效应段、过渡段和非饱和残余段，而绢云母片岩残积土的土水特征曲线具有明显的边界效应段(即AB段)，其过渡段(BC段)的变化非常明显，变化范围含水率为6% ～14%，其非饱和残余段特点直至含水率为5%(即D点)开始出现，整体对比而言，非饱和残余段的变化不明显。土水特征曲线出现这种变化的原因与土体结构本身有关，绢云母片岩主体为片状结构，当达到其进气值以后，其内部孔隙通道迅速发展，会连贯成较为顺畅的水汽运移通道，内部水汽运移变化较大。

1.3 k0压缩试验

利用FGJ-20非饱和四联固结仪开展控制侧向位移的压缩试验，又称k0压缩试验(即无侧限压缩变形)。传统土力学通常用孔隙比的变化作为饱和土的变形状态变量，其本构方程

dεv=mvd(σ-uw) (1)

对于非饱和土来说，其本构方程为

Barden[16]对k0加荷条件下土结构本构面的唯一性进行了研究，提出了在k0加荷条件下，土的结构方程为

对于非饱和土来说，在k0加荷下其变形与基质吸力及净法向应力均有关系，针对绢云母片岩残积土进行了控制基质吸力和净竖向应力的试验，试验方案如表3所示。

表3 k0压缩试验方案

试验控制土样含水率10%，控制干密度为1.95 g/cm3和2.10 g/cm3。制样时，依据干密度称取相对应质量的土体，利用静力压实将土样压实成型，制成高6.18 cm×2 cm的土样，将土样进行抽气饱和。两组试验制样方法完全相同，进行控制净竖向应力下的压缩试验时，先施加一定的竖向力，待试样变形稳定后，逐级施加基质吸力；控制基质吸力的压缩试验，在施加竖向应力前，先施加一定的气压，待其变形稳定后，再逐级施加竖向压力。此次试验变形稳定的标准为：连续2 h内试样排水量和压缩变形量分别小于0.01 cm3和0.01 mm[17]。

2 试验结果及分析

土的体积-质量特性也可以用来表示非饱和土的本构方程。通常用孔隙比(e)的变化作为饱和土的变形状态变量，其本构方程为

de=avd(σ-uw) (4)

对于非饱和土来说，在三维加荷条件下，其孔隙比变化de可表示为

de=atd(σmean-ua)+amd(ua-uw) (5)

2.1 控制净竖向应力的压缩试验

不同干密度及净竖向压力下，非饱和绢云母片岩残积土的孔隙比和基质吸力的关系如图3所示。

图3 控制净竖向压力的压缩曲线Fig.3 The compression curve of controlling net vertical pressure

从图3可以看出，孔隙比e随着基质吸力s的逐渐增加而增加，说明绢云母片岩残积土属于亚稳定型，基质吸力的逐渐减少可以导致土结构的破坏。相同净竖向压力下，在基质吸力小于100 kPa时，孔隙变化发展较快，此时土体处于饱和状态，土体内部充满水，气体进入导致土体内部开始排水，内部孔隙发展。净竖向压力为100～200 kPa时，土体内部处于孔隙和液体都存在的状态，此时孔隙发展速度开始减慢，内部孔隙继续增大，增大速度较之前略缓；净竖向压力高于200 kPa以后，基质吸力的继续增大，孔隙比变化很小，即基质吸力的增大对试样收缩的影响很小，此时的基质吸力称为屈服吸力ss，即绢云母片岩残积土的屈服吸力为200 kPa。当基质吸力相同时，孔隙比随着净竖向压力的增加而减少，而随着净竖向压力的增大，孔隙变化率逐渐增大。净竖向压力为0时，土体收缩主要由基质吸力引起，此时孔隙比迅速变化直至到达缩限吸力；在净竖向压力为100 kPa时，整体变化与净竖向压力为0时类似，但变化斜率略大于前者；净竖向压力为200 kPa时，孔隙比出现了较为明显的降低，此时达到了土体的屈服点，曲线斜率增加；而当净竖向压力为400 kPa时，此时的净竖向压力超过了绢云母片岩残积土的屈服吸力，孔隙比变化斜率较前三者更大，孔隙比持续增大，即使达到了土体的屈服吸力，孔隙比继续增大，说明此时土体变形主要是由净竖向压力所引起的。

从图3可以看出，不同净竖向应力下的收缩曲线变化规律类似，曲线可以大致看成由两直线构成，Alonso等[18-19]曾提出可以将两直线交点处的吸力看作屈服吸力，从图3可以看出，试验段绢云母片岩残积土的屈服吸力约为200 kPa，这一值在净竖向应力及干密度增大时，变化不大。

2.2 控制基质吸力的压缩试验

控制基质吸力的压缩试验结果如图4所示。章峻豪等[20]提出切线压缩系数的概念，得到孔隙比变化量随净竖向应力的关系式为

图4 控制基质吸力的压缩试验结果Fig.4 Compression test results for controlling the suction of the substrate

at=∂Δe/∂p(6)

式中：at为切线压缩系数；Δe为一维压缩过程中孔隙比的变化量，Δe=ei-e，ei为初始孔隙比，e为某一净竖向应力下稳定后的孔隙比；p为净竖向压力，p=σ-ua；ai为初始压缩系数；r为试验结束切线压缩系数与初始切线压缩系数的比值(简称“压缩系数比”)，r=at/ai；β为压缩系数衰减指标。

图4(a)、图4(b)为绢云母片岩残积土不同干密度下的e-p曲线，从图4中可以看出，在干密度相同时，随着净竖向压力的增大，孔隙比的变化降低，基质吸力不同的情况下e-p曲线有着较明显的区别，说明绢云母片岩残积土的压缩性受基质吸力影响较大。OA段变化较为平缓，此时孔隙比的变化较小，主要原因是初始施加的竖向压力较小，未到达土体的屈服强度，对土体变形产生的影响较小。随着基质吸力的增大，平缓段的变化趋势开始逐渐变缓，说明基质吸力的存在能提高非饱和绢云母片岩残积土的抗压性。在基质吸力为0时，e-p曲线平缓段的较其他情况而言平缓，主要是因为此时土体处于饱和状态，土体内部充满水，其压缩变形的发展跟水的渗流有关，因而发展较为稳定；而对于非饱和土来说，当达到其屈服强度后，原有的土体内部结构会快速破坏，压缩变形速度就较快。到达A点以后，孔隙比变化开始加剧，整个趋势开始陡峭，主要是因为绢云母片岩残积土多为片状结构，在到达屈服强度后，很容易破碎，造成内部土颗粒的重组，整个变化过程孔隙变发展变化较大。而在B点之后，曲线变化趋势开始上扬，孔隙变化开始减慢，主要是因为在C点之后，土颗粒之间，在高压状态下，绢云母片岩残积土结构性的破坏、重塑过程趋于稳定，土体抗压性增强。但是基质吸力为0时，其压缩变形发展依然较快，总量较大，而同样的干密度下，基质吸力越大，发展较慢，变形总量较小，原因在于非饱和土样内部存在结构收缩膜，它的存在对土体的抗压性有着一定的加强，其大小随着基质吸力变化，说明绢云母片岩残积土在受到竖向荷载加压时，基质吸力是影响其压缩变形的一个重要参数。

图4(a)、图4(b)分别为两种干密度试验土样的孔隙比变化曲线，干密度为2.10 g/cm3的压缩曲线整体的变化趋势较1.95 g/cm3较为缓和，说明干密度的提高能增强土的抗压性。点A的屈服值在干密度为2.10 g/cm3时为200 kPa，干密度为1.90 g/cm3时为100 kPa，干密度较小时，在较低的竖向压力下进入快速变形状态。伴随着净竖向压力的增加，其尾部部分开始上扬，干密度为1.95 g/cm3时，当净竖向压力值达到1 000 kPa时开始出现，而干密度为2.10 g/cm3时则在800 kPa出现，说明干密度较小时，其重塑变形过程需要更长的时间。

图4(c)、图4(d)为切线压缩系数的变化，发现切线压缩系数随着净竖向压力的增大呈指数衰减，发现切线压缩系数的变化趋势从一开始的急剧下降到后面的趋于稳定，基质吸力越大，其陡峭段的斜率越小，而随着净竖向压力的增大，切线压缩系数的变化开始趋于一致，主要是因为随着净竖向压力的增大，土体内部完成重塑变形，内部结构趋于稳定。利用式(6)对其进行拟合，拟合效果较好，拟合β值则反映了衰减速度快慢，β越大衰减越快。可以发现基质吸力为0时，衰减速度最快，而基质吸力为200 kPa时，衰减速度最慢，这与之前的研究结果是对应的。

图4(e)、图4(f)为孔隙比变化率随净竖向压力的变化关系图，可以看出，Δe随着净竖向压力的增大而增大，但非线性增大。基质吸力和干密度越大，Δe越小，在基质吸力为0时，Δe-p曲线近似呈线性，整个过程孔隙变化增大较快，说明干密度与基质吸力的提高可以增强对绢云母片岩残积土抗压性。综上，可以看出在不同的干密度和吸力下，绢云母片岩残积土的压缩性受到的影响较大。因此，在实际工程中，应充分考虑这些因素。