考虑内部侵蚀作用的砂土应力应变特性

刘伟平，崔运帷

(南昌大学建筑工程学院，江西 南昌 330031)

大坝和富水砂土层基坑中经常发生内部侵蚀现象，这会导致岩土工程灾害发生[1]。据统计，土坝约有三分之一的失效归因于内部侵蚀，内部侵蚀可由集中渗漏侵蚀、反向侵蚀、土壤接触侵蚀或淹没引起[2-3]。在侵蚀过程中，土壤结构中细颗粒的损失将导致颗粒重新排列和接触，导致渗透性的增加、产生显著的沉降以及失稳，提高结构破坏的概率[4]。

许多学者对于内部侵蚀的发展过程开展了一系列的研究，在施工过程中，由于土体颗粒离析，土体可能会出现间断级配[5]。张冬梅等[6]针对间断级配砂土中管线破损引起周围土体的渗流侵蚀等问题，分析了地下空洞产生的原因及颗粒流失的发展规律。此外，一些学者通过控制水力梯度来研究内部侵蚀的发展过程及遭受内部侵蚀后的力学行为。如丁留谦等[7]研究了3层堤坝内部侵蚀作用下管涌的发生、发展，并导致溃堤的机制，但在这种方法中，侵蚀量较难控制。梁莉等[8]研究了强降雨入渗条件下宽级配粗粒土中细颗粒在孔隙流体的作用下发生内部侵蚀的过程，并提出一种基于试验的内部稳定性判别标准，但是对于内部侵蚀后的土体应力应变行为研究未涉及到。为了进一步研究内部侵蚀土体的力学特性规律，部分学者采用盐颗粒代替一些土壤颗粒来达到指定的侵蚀程度，从而研究内部侵蚀过程中的一维土壤变形[9]。Chen等[10]研究了两种间断级配土壤在内部侵蚀过程中的变形和内部侵蚀导致细颗粒流失的土壤的应力-应变行为，但是没涉及到摩擦角的变化。罗玉龙等[11]将基座底板改造为网筛结构，使得细颗粒可以通过基座底板脱离出原试样，从而得出土壤内部侵蚀的应力应变行为规律。

近年来，在砂土试样中加入可溶性物质，通过溶解作用模拟复杂土体内部侵蚀现象的发生，这一试验方法被更加广泛的使用。Yang等[12]在砂土中加入葡萄糖块，成功在试验中再现了地下空洞的形成。杨阳等[12]利用葡萄糖粉末制作特定尺寸的侵蚀柱体，将其置于试样中部，利用其溶解还原管涌过程中侵蚀通路的形成及拓展过程，并研究围压密实度等因素对内部侵蚀过程及侵蚀后土体力学性质的影响规律。郭鸿等[13]配制不同级配砂土试样，在室内直剪试验的基础上，进行离散元数值模拟分析，得到了不均匀系数Cu和曲率系数Cc对摩擦角的综合影响曲线，得出砂土试样的破坏是与颗粒级配有关的渐进破坏过程。但是对于不同间断级配砂土的应力-应变特性研究很少有学者开展相关工作。

本文研究间断级配砂土在侵蚀过程中损失一定量细颗粒后的应力-应变行为，通过在间断级配砂土中加入不同含量盐颗粒，利用其溶解实现内部侵蚀后的土体条件，并对侵蚀后试样进行固结排水剪切(CD)试验，研究不同间断级配、不同围压等影响因素对内部侵蚀作用下的土体力学特性的影响规律。

1 试验方案

1.1 试验材料及方案

本次试验材料取自南昌市某地铁站台下富水砂层内砂土，采用3组不同细颗粒含量的间断级配砂土，细粒粒径范围为0.3～0.6 mm，粗粒粒径范围为1.18～5 mm，颗粒级配曲线见图1。间断级配1、间断级配2和间断级配3对应的最大干密度分别为1.58、1.61和1.66 g·cm-3。

将砂土细粒和粗粒完全干燥，对一定质量的粗粒和细粒进行称重，除间断级配砂土试样外，另准备颗粒均匀的精制细盐，制备试样时将不同含量的盐颗粒代替砂土细颗粒损失量掺入砂土中进行充分拌合。细颗粒损失量(盐量与细颗粒含量比值)分别取0、10%、20%和30%，试验过程中细盐颗粒的溶解即为土体内部侵蚀细颗粒流失后的土体状态。砂土试样相对密实度为80%。本次研究试验共计36组，不同工况按照控制变量的设计原则，只改变某一影响参数，探究不同细颗粒损失量、围压和级配等3种因素的影响，具体试验方案见表1。

颗粒直径/mm图1 间断级配砂土颗粒级配曲线Fig.1 Gradation curve of discontinuous graded sand

1.2 试验步骤

试验采用SLB-1型应力应变三轴试验仪，试验步骤以下。

1) 试样制备：将计算所需的砂土及盐充分拌合均匀后进行制样，试样直径为39.1 mm，高度为80 mm。将试验砂土分为5层装置在橡皮乳胶膜内，并对安装的试样进行击实，达到试验需要的压实度。试样制备完毕密封好橡皮乳胶膜后，打开反压阀门，试样施加5 kPa反压以便拆除对开模时保证其稳定性。静置30 s后将对开模进行拆除，测量试样高度保证尺寸的准确性无误后即完成制备。

2) 试样饱和：土样制备完成后施加围压10 kPa，打开上部和底部的阀门，通过水头压力差使蒸馏水从砂土试样的底部流向顶部进行饱和，当排空试样内的孔隙内空气时，可认为孔隙内充满了蒸馏水达到饱和状态，并关闭仪器各处阀门。

3) 试样固结：按试验需求压力设置围压，将砂土试样顶部及底部排水阀门连通到三轴试验仪器的体积及孔隙水压力的测量系统中，固结时，当砂土试样排出水的体积不再变化，孔隙水压力值维持在0 kPa左右1 h以上，即完成试样固结。

4) 试样剪切：固结完成后，对试样进行排水剪切，如图2所示，试验全程保持等应变剪切。通过仪器排水阀控制排水，仪器加载板加载速率为0.02 mm·min-1，设定的最大剪切量为16 mm，即最大应变量达到20%时剪切结束。

图2 试样剪切Fig.2 Shear of sand sample

2 试验结果与分析

2.1 细颗粒损失量对三轴试验结果影响

砂土试样内部结构在侵蚀前后发生了变化，在3种不同围压作用下，间断级配1型砂土(粗：细=2：8)、间断级配2(粗：细=4：6)与间断级配3(粗：细=6：4)型砂土试样的应力-应变关系如图3～图5所示。

轴向应变ε/%(a) 围压50 kPa

轴向应变ε/%(b) 围压100 kPa

轴向应变ε/%(c) 围压200 kPa图3 细颗粒损失量对间断级配1型砂土应力-应变关系曲线影响Fig.3 Influence of fine particle loss on stress-strain relationship curve of discontinuous graded NO.1

轴向应变ε/%(a) 围压50 kPa

轴向应变ε/%(b) 围压100 kPa

轴向应变ε/%(c) 围压200 kPa图4 细颗粒损失量对间断级配2型砂土应力-应变关系曲线影响Fig.4 Influence of fine particle loss on stress-strain relationship curve of discontinuous NO.2

轴向应变ε/%(a) 围压50 kPa

轴向应变ε/%(b) 围压100 kPa

轴向应变ε/%(c) 围压200 kPa图5 细颗粒损失量对间断级配3型砂土应力-应变关系曲线影响Fig.5 Influence of fine particle loss on stress-strain relationship curve of discontinuous graded NO.3

砂土内部侵蚀会造成细颗粒的流失，导致细颗粒的数量减少，粗颗粒的质量比增加，从试验结果可以得出，在3种围压作用下，峰值强度均出现在轴向应变为5%～10%之间，同种级配砂土，随着砂土细颗粒流失量的增加，砂土试样的峰值破坏强度呈逐步降低趋势。砂土试样骨架由粗颗粒和细颗粒组成，随着细颗粒损失的增加，土壤颗粒之间的接触减少，强力链可能会坍塌，产生变形，特别是径向变形出现剪胀现象，因此，在失去一定量的细颗粒后，砂土微观结构发生了显著变化，导致峰值强度逐步降低。随着砂土内盐分溶解量的增多，砂土质量和体积均减小，砂土随着细颗粒的流失而变得较为松散，这与Wood等[14]的数值分析结论一致，去除细颗粒将通过减少固体体积和增加孔隙体积来增加孔隙比，并形成更松散的结构，在外部应力下压缩更多。

2.2 不同间断级配对三轴试验结果影响

不同围压作用下，砂土试样峰值破坏强度与不同细颗粒流失量和不同间断级配砂土的关系如图6所示。根据3种不同间断级配砂土试验结果可以得出，在细颗粒流失量相同时，相同围压下砂土试样破坏强度峰值随着细颗粒含量占比的减少呈递增趋势。随着围压的增加，峰值破坏强度数值明显增加。粗颗粒和细颗粒组成了砂土试样骨架，粗颗粒间的孔隙可以被细颗粒填充，使粗颗粒和细颗粒之间咬合作用增强，因此，砂土细颗粒含量占比的减少，会导致咬合作用减弱。随着围压的增加，粗颗粒间接触更为紧密，抵抗变形的能力变强，导致峰值破坏强度更高。粗颗粒在砂土中作为基本骨架，而砂土中的细颗粒可以充填到砂土中各粒组间孔隙，粗、细颗粒共同构成砂土级配，因此砂土细颗粒含量的变化直接引起砂土颗粒级配的差异，进一步影响到砂土的剪切性能。

(a) 围压50 kPa

(b) 围压100 kPa

(c) 围压200 kPa图6 砂土试样峰值破坏强度与间断级配砂土关系图Fig.6 Relationship between peak failure strength of sand sample and discontinuous graded sand

2.3 细颗粒损失量对内摩擦角φ的影响

依据三轴试验结果计算出3种间断级配砂土在不同颗粒损失(0%、10%、20%、30%)情况下摩擦角φ值，如图7所示。对比3组间断级配砂土的摩擦角φ随细颗粒损失量的变化曲线，随着细颗粒损失量的增加，摩擦角φ逐步减小，大致呈线性规律。间断级配1型砂土摩擦角φ由41.3°下降到38.9°，下降了5.8%；间断级配2型砂土的摩擦角φ从43.7°下降到41.8°，下降了4.3%；间断级配3型砂土的摩擦角φ从46.3°下降到44.2°，下降了4.5%。此外，粗颗粒含量对砂土摩擦角φ也有一定的影响，由图7可以看出间断级配3型砂土粗颗粒含量最多，细颗粒含量最少，试验得出的摩擦角φ最大，间断级配1型砂土粗颗粒含量最少，细颗粒含量最多，试验得出的摩擦角φ最小。因此，可以得出砂土的粗颗粒含量越大，摩擦角φ越大的规律。这一结论与Yang等[15]研究者发现的混合土临界状态摩擦角随细粒含量的增加而减小的规律类似。

细颗粒损失量/%图7 摩擦角φ随细颗粒损失量变化图Fig.7 Variation of peak friction angle φ with fine particle loss

3 结论

1) 内部侵蚀导致的砂土细颗粒流失量会对砂土的破坏强度产生影响，随着砂土细颗粒流失量的增加，砂土试样的破坏强度峰值呈逐步降低趋势。

2) 粗、细颗粒共同构成了砂土的级配，不同级配砂土对应着不同粗、细颗粒含量。随着砂土试样细颗粒含量占比的增加，相同围压下试样破坏强度峰值随着细颗粒含量的增加呈递减趋势，且围压越大，破坏强度峰值增加越明显。

3) 砂土的摩擦角φ随着细颗粒损失量的增加而逐步减小，大致呈线性规律,间断级配1、2和3型砂土摩擦角φ分别下降了5.8%、4.3%和4.5%。粗颗粒含量对砂土摩擦角也有一定的影响，砂土的粗颗粒含量越大，摩擦角φ越大。