压实度与初始含水率对红黏土崩解特性的影响
2021-05-19李善梅蒙剑坪刘之葵
李善梅,吴 孟,蒙剑坪,刘之葵
(1.桂林理工大学 a.广西岩土力学与工程重点实验室;b.土木与建筑工程学院,广西 桂林 541004;2.重庆地质矿产研究院,重庆 401120)
0 引言
水分在湿热耦合作用下迁移进入路基内部,导致路基填料湿化崩解而造成路面变形破坏[1]。湿化现象普遍存在,国内外学者研究了黄土、粉土、粉质黏土、砂土、黏土的崩解规律、影响因素和作用机理等[2-10]。红黏土主要分布于夏季高温多雨的热带和亚热带地区,土体性质受湿热耦合作用明显,然而关于红黏土崩解特性的研究较少。
红黏土具有高液限、高塑限、高孔隙比的特点,根据JTG F10—2006《公路路基施工技术规范》的规定,压缩系数不超过0.5 MPa-1的红黏土可作为路基填料,但应避免雨季施工[11]。红黏土是中国西南岩溶地区交通工程建设中不可避免的路基土。近年来,红黏土在路基中的应用引起了广大研究者的关注,研究主要集中在填筑控制参数[12]、改良措施及施工工艺[13-14]、压缩特征[15]和动力学特性[16-18]等方面。湿化崩解变形是路基的主要病害之一,红黏土路基的崩解特性研究明显不足[1]。路基填料施工过程中的主要控制指标是填土的含水率和压实度,文献[19]研究发现:紫色土的崩解速率与压实度和初始含水率有关。但红黏土与紫色土性质并不相同,本文将通过室内崩解试验,研究不同初始含水率及压实度条件下红黏土的崩解特征及其机理,为防治路基湿化崩解病害提供理论依据。
1 试样基本物理性质
本次试验所用的红黏土采自桂林市南郊,取样深度为地表下3.3~4.0 m的基坑底部,为扰动土样。土样为深红色,硬塑状态,稍湿,裂隙不发育,切面光滑,塑限37.03%,液限63.9%,塑性指数26.87,土颗粒相对密度为2.74,最大干密度为1.52 g/cm3,比表面积为97 m2/g。击实试验的结果表明:本次土样的最大干密度为1.52 g/cm3,最优含水率为28%。
2 试验设计
2.1 试验仪器
崩解试验常用的方法有浮筒法[20]和拉力计法[21-22]。由于土脱落扰动以及气泡逃逸作用导致浮筒浮动,浮筒法测量过程中稳定性较差;而拉力计的精度为最大量程的1%,当崩解土体质量小于量程的1%以后,崩解仪无法显示读数。这两种常用测试方法均有不足,本文利用静水天平替代拉力计以提高测量精度。试验设备包括:钢支架、静水天平、计算机、玻璃缸、网盘、玻璃杯。湿化仪结构图如图1所示。
2.2 试样准备
室内风干土样的风干含水率约为2.43%。土体风干后击碎,过2 mm筛。利用蒸馏水分别配制含水率为18%、22%、25%、28%、31%和34%的土样,利用保鲜袋分袋密封,置于保湿缸中保湿24 h。根据SL 237—1999《土工实验规程》,压制环刀样。所有试样的规格均为Φ61.8 mm×20.0 mm,各土样的具体参数如表1所示。
表1 土样的具体参数
2.3 试验步骤
按图1组装湿化仪,在玻璃缸中注入蒸馏水,水面高于网盘约30 mm;将玻璃杯置于网盘正下方。连接计算机及静水天平,静水天平读数清零;利用推土器将土样从环刀中取出,同时确保土样的完整性,称量并记录土样质量。将土样放置于网盘中央,启动秒表,开始试验。同时,注意观察崩解过程中试样发生的现象。待土样崩解相对稳定且崩解速度变缓后,采用玻璃杯盛装崩解物以测量崩解土体的干质量。
3 试验现象与结果分析
3.1 试验现象
3.1.1 不同压实度红黏土崩解的试验现象
不同压实度土样入水后均有气泡逸出、碎屑状崩解物脱落以及裂隙发育的现象,但不同压实度土样的崩解现象及破坏形式并不完全相同,具体现象如表2所示。由表2可知,初始含水率相同的土样,崩解现象随压实度增大表现为:崩解速度增大;崩解过程中产生大直径气泡并且裂隙发育明显;破坏形式由粒状转为块状。由此可见,土样崩解破坏形式与气泡逃逸和裂隙发育有关,小气泡逃逸造成土样粒状崩解,崩解速度较慢;大气泡逃逸作用以及裂隙发育导致土样块状崩解,崩解速度较快。
表2 不同压实度土样的崩解现象
3.1.2 不同初始含水率红黏土崩解的试验现象
压实度相同且初始含水率不同的土样入水后均有气泡逸出、碎屑状崩解物脱落以及裂隙发育和水体浑浊的现象,但土样的崩解现象及破坏形式随初始含水率的变化而改变,现象如表3所示。由表3可知:压实度为90%,初始含水率为最优含水率(28%)及其附近时,土样崩解过程中有少量气泡逃逸,崩解最缓慢,以细颗粒破坏为主;随初始含水率与最优含水率差距增大,崩解速度明显增快,以碎屑状或泥状破坏为主。
表3 不同初始含水率土样的崩解现象
3.2 试验结果
累积崩解率为时间t内崩解的干土质量与初始干土质量之比,计算公式为:
(1)
其中:Bt为t时间内累积崩解率,%;Rt为残余质量即网盘上剩余土体的干质量,g;R0为原始土样的干质量,g。
累积崩解率可体现某段时间内土体的总崩解情况,单位时间内的崩解率是反映土样崩解速度的指标,是累积崩解率与时间关系曲线的斜率。
3.2.1 不同压实度红黏土崩解试验结果
为了提高试验结果的精度,开展2组平行试验,第1组试验开始时间为2017年5月1日,第2组试验始于2017年6月25日。第1组测试结果表明:不同压实度土样总崩解量的92%均在入水10 min以内完成。由此可见,土体的主要崩解过程在入水初期完成。为了缩短试验时间,第2组崩解试验仅测试1 d。根据式(1)计算不同压实度土样的累积崩解率,并绘制累积崩解率与崩解时间的关系曲线,如图2所示。由图2表明:不同压实度土样的崩解速度规律较一致,均可分为3个阶段:快速崩解、稳定崩解、完成。前两个阶段主要在入水初期完成,如图2中红色虚线部分所示。不同压实度的土样入水瞬间迅速崩解,但均未完全崩解,所有试验土样浸泡41 d仍有不同程度的土体残余,即崩解不完全。绘制不同压实度土样崩解1 d后的累积崩解率与压实度的关系曲线,如图3所示。由图3可知:第1组试验崩解率由小到大对应的压实度为77%<80%<83%<84%<88%,第2组试验崩解率满足由小到大对应的压实度为80%<77%<83%<84%<88%。可见,土体的崩解率随压实度的增大而增大。该测试结果与文献[23]得到的结论类似,与文献[24]的崩解势随密度降低而增大的结论矛盾。
图2 不同压实度土样的累积崩解率与崩解时间的关系曲线
图3 不同压实度土样崩解1 d后的累积崩解率与压实度的关系曲线
3.2.2 不同初始含水率红黏土崩解试验结果
根据式(1)计算不同压实度土样的累积崩解率,并绘制不同初始含水率土样的累积崩解率与时间的关系曲线,如图4所示。由图4可知:红黏土的累积崩解率与初始含水率呈非线性关系,初始含水率为34%的红黏土崩解最快,仅需要不到4 min的时间则崩解完毕;初始含水率为18%的土样次之,崩解过程约持续8.3 min;初始含水率为22%的土样约在58 min内崩解完毕;初始含水率为31%的土样崩解完成时间约为120 min;初始含水率为25%和28%的土样崩解最慢,32 d结束试验,其累积崩解率分别为24.98%和16.17%;土样的崩解完成时间由小到大对应初始含水率为34%<18%<22%<31%<25%<28%。综上所述,当土样初始含水率为最优含水率时,崩解率最低;初始含水率增大或减小都可以提高土体崩解率。该试验结果与文献[25]总结的含水率高于最优含水率的土不发生崩解的研究结果不符。
图4 不同初始含水率土样的累积崩解率与时间关系曲线
综上所述,红黏土的崩解规律表现如下:初始含水率相同的土样,崩解率随压实度的增大而增大;相同压实度的土样,崩解率随初始含水率增大先减小后增大,越接近最优含水率土体的崩解性越小。
4 影响机理分析
4.1 压实度对土体崩解性的影响
土体的气泡逃逸过程必须要克服土粒表面张力。当气泡内压力达到一定值后,气泡可冲破土粒阻力,其临界值可用下式计算[26]:
(2)
其中:pb为气泡内压力,kPa;σ为水的表面张力,kPa;rc为气泡的临界等效半径,m。
由式(2)可知:气泡冲破土粒阻力的压力与临界等效半径成反比。
气泡的临界等效半径的估算公式[27]为:
(3)
其中:um为饱和土的不排水抗剪强度,kPa;γm为饱和土容重,N/m3;γg为气泡容重,N/m3。由于气泡容重与土体容重相比较小,可以忽略,式(3)可简化为:
(4)
式(4)表明:土体中气泡的临界尺寸与饱和土的不排水抗剪强度成正比,与饱和土容重成反比。由于成分相同土体的饱和土容重随压实度增大而增大,结合式(4)可知,气泡的临界尺寸随压实度增大而减小。
临界尺寸小于孔隙空腔,排气过程中,气泡对土粒结构稳定性影响小,土体不易发生崩解;反之,气泡排出过程中挤压土骨架,促使其崩解。土体在低压实度条件下,孔隙率比较高,孔隙之间连通性较好,水在土体渗透过程中气泡极易排出而形成较小气泡。土体压实度增大,孔隙比减小,孔隙连通性降低,在渗透压力作用下,气体来不及排出导致相邻孔隙连通而形成大气泡,随之气泡内部压力增大,满足式(2)时,则冲破土粒的阻力而逃逸并造成土体崩解。因此,压实度越高,浸水后土体越容易崩解。由此可见,不同压实度条件下土体崩解的主要诱因是水流入渗过程中形成封闭气泡尺寸与孔隙自身尺寸的相对关系,其主要动力是土体孔隙内气体压力。
4.2 初始含水率对土体崩解的影响
根据非饱和土的抗剪强度方程可知:
τff=c′+(σf-ua)ftan φ′+(ua-uw)ftan φb,
(5)
其中:c′为有效黏聚力,kPa;(σf-ua)f为剪切破坏时剪切面上的净法向应力,kPa;φ′为净法向应力(σf-ua)f作用下的内摩擦角,(°);(ua-uw)f为剪切破坏面上的基质吸力,kPa;φb为由于基质吸力导致的抗剪强度提高而产生的内摩擦角,(°)。式(5)表明:随着基质吸力增大,土体的抗剪强度增大。
4.2.1 初始含水率低于最优含水率
用初始含水率低于最优含水率的湿土压制的土样仍为非饱和状态。相同压实度的土样,基质吸力与土样含水率成负相关关系,即含水率越低,基质吸力越大。式(5)表明:相同压实度土样,其抗剪强度随含水率减小而增大。土体入渗过程中,由于吸力下降而导致低含水率的土体强度迅速降低。同时,本课题组已通过试验证实,相同压实度的土样,初始含水率越低,入水后的膨胀性越大,越有助于提高土体的崩解势。因此,初始含水率越低,土体入水后强度降低越快,并且膨胀力越大,土体越容易崩解。
4.2.2 初始含水率高于最优含水率
根据非饱和土的有效应力原理[28]可知:
σ′=(σ-ua)+χ(ua-uw),
(6)
其中:σ′为有效应力,kPa;σ为总应力,kPa;ua为孔隙气压力,kPa;uw为孔隙水压力;χ为与饱和度相关的系数。式(6)表明:基质吸力越小,有效应力越小。
当土样的初始含水率高于最优含水率时,土样压制过程中产生一层薄水膜,且水膜的厚度及压制土样的阻力随初始含水率的增加而增大。故可认为当初始含水率较高时,压制土样过程中土体中产生静孔隙水压力或超静孔隙水压力,并随初始含水率增加而增大。根据太沙基(Terzaghi)有效应力原理可知:孔隙水压力引起土体的有效应力降低,土体的抗剪强度减小。此外,相同压实度的土样,随初始含水率提高,土体的渗透性增大。水入渗过程中低强度的土样极易破坏。因此,土样的初始含水率大于最优含水率时,土体的崩解性随含水率的增大而提高。
综上所述,初始含水率低于最优含水率时,土体崩解的主要原因为土样中基质吸力衰减及膨胀力增大;反之,则为静孔隙水压力或超静孔隙水压力的增大而降低土体强度。
5 结论
(1)初始含水率相同的土样,崩解率随压实度增大而增大;压实度相同的土样,其崩解率随初始含水率增大先减小后增大,当土体的初始含水率为最优含水率时,崩解率最低。
(2)相同初始含水率不同压实度土样崩解,主要是由土体内部孔隙气压增大导致。随着压实度增大,孔隙气压越容易达到临界值,土体越容易崩解破坏。
(3)相同压实度不同初始含水率土体崩解性的主要影响因素为基质吸力衰减、膨胀作用以及(超)静孔隙水压力的产生,初始含水率低于最优含水率时,前两者为主要诱因;反之,后者为主要影响因素。
(4)控制初始含水率在最优含水率附近,提高压实度有利于降低红黏土路基湿化崩解变形。