排水条件对粗粒土强度和变形影响的试验研究

2022-02-16杨新昭张梅金撒召全

水科学与工程技术 2022年6期

杜俊，杨新昭，张龙，张梅金，撒召全

（昆明学院建筑工程学院，昆明 650214）

粗粒土是指粒径小于0.075mm、土的质量不大于总质量12%的粗粒组和巨粒组土的总称［1］。由于粗粒土均匀性差、孔隙较大、抗压缩性能好，故其具有良好的渗透性和承载能力，通常被作为回填土料使用在水利筑坝与山区道路路基回填等工程领域。虽然粗粒土广泛应用在高填方工程中，但其在极端环境影响下也会产生滑坡失稳危害，回填边坡稳定性成为制约工程建设与运营安全的关键因素。

具有典型散体结构特征的粗粒土，其力学响应特性和抗剪强度指标是客观分析与评价回填边坡稳定性的重要依据。粗粒土在荷载作用下易产生颗粒破碎［2］，其粒度组成具有宽级配特征［3］，受土样相对密度的影响剪切变形会产生应变硬化和应变软化［4］两类应力应变关系。同时，由于颗粒介质的强烈作用伴随有土体的剪缩和剪胀变化［5］。受母岩性质的影响，富含黏土类矿物的粗粒土浸水作用下常发生显著的湿化变形［6］。粗细颗粒占比不同，粗粒土呈现出不同的骨架结构特征，随粗颗粒的增多，土骨架逐渐由块石悬浮向块石嵌合及块石架空结构演变［7，8］；与此同时，土体的孔隙逐渐增多，渗透性也增强。为获取粗粒土强度指标，通常需要开展原位试验和室内试验，原位试验多为水平推剪［9］，室内试验按照不同的仪器分为直剪和三轴试验［10］。虽然原位试验更接近现场实际，能够反映真实土体的级配特征和天然密度状态，但受限于试验条件，试验精度和变量因素控制较不理想。

室内试验中三轴试验比直剪试验能够更好的控制排水条件，且土样应力状态更加符合实际的受力特征［11］，因此，粗粒土三轴压缩试验得到了更为广泛的使用。尽管已有研究围绕粗粒土力学响应机制开展了深入分析，取得了丰硕的研究成果，但多集中在单一试验条件下，并且就排水条件对土体强度和变形影响的对比研究相对较少，而土体固结完成后，经降雨入渗，土体的排水条件显然对其力学特性有十分重要的影响。为此，本文基于粗粒土三轴压缩试验，分别开展固结排水（CD）和固结不排水（CU）剪切试验，探究土体的力学响应机理，对分析回填边坡稳定性有重要的科学意义和实践价值。

1 试验方案设计与实现

1.1 试验仪器

本次试验采用昆明学院岩土工程实验中心的DJSZ-150型粗粒土动静三轴压缩试验机，该仪器可完成尺寸φ300mm×600mm土样的动静加载，并能实现不同应力路径条件，包含了轴向加载系统、围压加载系统、体变量测系统、孔隙测量系统，以及加载伺服控制系统。试验机可提供最大围压3.0MPa，静态加载0～1500kN，体变量测0～8000mL，孔隙水压力量测精度0.1%F·S，试验数据计算机自动采集。

1.2 试验材料

试验材料选自云南省临沧大桥坡水库筑坝堆石料，该土料为一种人工爆破和加工的碎石散体，母岩为弱风化花岗岩，岩石平均饱和单轴抗压强度50MPa，软化系数0.79，比重2.70，天然含水率2.6%，天然密度2.12g/cm3。

为满足室内三轴试验装料需要，按照GB/T50123—2019《土工试验方法标准》对现场测定的原型级配依据等量替代法缩尺处理，缩尺前后土体颗粒级配累积曲线如图1。

图1 试验土料缩尺前后颗粒级配累积曲线

1.3 试验方案

依据土体天然含水量和天然容重称取对应缩尺级配粒组的土颗粒质量，分5层装入试验筒内，并击实至土体天然密度状态，通过抽真空与水头饱和法饱和土样，待饱和土样制备完成后，分别施加围压0.2，0.4，0.6，0.8MPa，当土样固结完成后，分别进行排水与不排水剪切试验（控制排水阀门打开或关闭），土样轴向应变达到15%视其剪切破坏，终止试验。试验操作严格按照T/CHES29—2019《粗粒土试验规程》执行。

2 试验结果分析

2.1 应力应变分析

固结排水（CD）剪切与固结不排水（CU）剪切试验土样偏差应力-轴向应变曲线如图2。

分析图2可知：两种不同排水剪切条件下，土体应力应变曲线均呈现硬化特征，即随着轴向应变的持续发展，偏差应力未见明显的峰值；当轴向应变小于6%时，土体中的剪应力随轴向应变增加而显著增大，当轴向应变大于6%时，土体的剪应力随轴向应变增加变化缓慢。随着试验围压的增大，土体应变硬化特征逐渐显著，且土体达到剪切破坏时的偏差应力也逐渐增大。其中，围压由0.2MPa增大至0.8MPa，固结排水剪切土体最大剪应力为1082，1728，2375，3051kPa；固结不排水剪切土体最大剪应力为683，1392，1951，2633kPa；两类试验土体最大剪应力分别相差58.41%，24.13%，21.73%，15.87%，由此可见，随围压增大，由排水条件引起的土样破坏时最大剪应力差值逐渐减小，即增大围压可抑制排水条件对土体强度的影响。

图2 CD与CU试验土样偏差应力-轴向应变曲线

2.2 孔隙水压变化特征

固结不排水（CU）剪切试验土体的孔隙水压力与轴向应变关系曲线如图3。

图3 CU试验孔隙水压力-轴向应变关系曲线

分析图3可知，不同围压条件下，剪切过程中土体孔隙水压力随轴向应变的持续增加均表现为先增大后趋于平缓且略有减小的趋势，当轴向应变达到2%时，静孔隙水压出现最大值，分别是294，578，925，1181kPa，也即围压愈大，孔隙水压力也愈大；当轴向应变超过2%，孔隙水压基本不变或出现较小幅度的减小。其原因是，固结不排水试验中排水阀门关闭，随轴向荷载的持续增加，土体孔隙水未被排出，总应力荷载分别由土骨架与孔隙水共同承担，剪切变形初期，荷载迅速施加，由于孔隙水是不可压缩流体且不具备外排条件，孔隙水压力显著增大，孔隙水是加载初期主要的受荷对象。随着荷载的持续增加，土颗粒挤压咬合紧密，颗粒间产生相对的旋转、翻滚，土体将获得一定的剪切变形空间，此时孔隙水将沿剪切变形的方向呈现流动，但由于这类剪切变形有限，则孔隙水压力略有下降且基本保持稳定，该现象一直持续到土样剪切破坏，也即当土样轴向应变超过2%，饱和土体主要受荷的对象为土骨架。

2.3 体积应变变化特征

固结排水剪切（CD）试验土体的体积应变与轴向应变关系曲线如图4。规定图4中剪缩为正，剪胀为负。

图4 CD试验体积应变-轴向应变关系曲线

分析图4可知，不同围压条件下，固结排水剪切试样均呈现出先剪缩后剪胀的变化特征，围压由0.2MPa增大至0.8MPa，土样由剪缩向剪胀变化对应的轴向应变分别为：2.91%，4.54%，5.94%，6.59%。由此可见，土样发生相变时的轴向应变随围压增加而增大，其原因是低围压条件下，土样侧向应力限制相对较小，土颗粒在剪切变形中更容易产生旋转、翻滚，获得更多的剪切变形空间，从而较早出现剪胀；高围压条件下，较大围压有效抑制了块石颗粒间的强烈运动，由于应力集中，颗粒将先呈现挤压破碎，细小颗粒进一步填充于块石颗粒之间，使得土样更为密实，随轴向荷载的持续增加，剪切带内的块石为获取更多的剪切变形能，将产生沿块石界面的翻滚，从而出现剪胀，但相比低围压条件下的土样，其剪胀相变点相对滞后。

2.4 强度特性

土体剪切破坏时，其剪切面上的正应力与剪应力满足莫尔-库仑准则，分别绘制不同围压条件下固结排水试验和固结不排水试验土样的应力莫尔圆，采用线性强度准则得到土体抗剪强度包线如图5。

图5 不同排水条件下土体的抗剪强度包线

分析图5 可知，固结排水剪切土样黏聚力45.3kPa，内摩擦角31.3°；固结不排水剪切试验土样黏聚力34.3kPa，内摩擦角30.8°。对比可知，固结排水剪切土样抗剪强度指标均大于固结不排水剪切土样，排水条件对土样抗剪强度影响显著。这是由于土样剪切变形时孔隙水迅速排出，土体总应力荷载由土骨架全部承担，颗粒之间的咬合力增大，从而其摩擦特性增强；而不排水条件下土样总应力荷载分别由土骨架与孔隙水共同承担，土骨架有效应力减小，颗粒间相互挤压、咬合作用减弱，其摩擦特性相对较弱。因此，为获取反映工程实际的土体抗剪强度指标，需要结合工况条件设计对应试验研究，严格控制排水条件，反映工程土体不同的力学响应特征。