荷载与干湿循环协同下红黏土的强度特性与裂隙演化规律

徐刚敏,陈开圣,罗国夫

(贵州大学 土木工程学院,贵州 贵阳 550025)

0 引 言

红黏土是一种典型的特殊性黏土[1],具有对环境湿度变化敏感、多裂缝、强胀缩和强度衰减等特性。在干湿循环和上覆荷载协同作用下使得土体力学特性进一步退化,强度降低,变形加大,加剧了以红黏土作为地基基础的构筑物发生沉陷、开裂、滑坡等地质灾害的可能性[2-5]。

当前黏性土干湿循环试验方法大致可以分为两类,无荷载下干湿循环试验和有荷载下干湿循环试验。目前无荷载干湿循环对土体力学特性研究较多,且结论也比较明确,即干湿循环后红黏土的黏聚力及内摩擦角均不同程度地降低[6-8]。但在实际工程中荷载与干湿循环是共同作用的。因此,国内外学者针对荷载作用下黏性土的干湿循环装置及试验方法进行了一些初步研究。杨和平等利用直剪仪杠杆施加上覆荷载,进行荷载作用下土的干湿循环试验[9];张启等利用固结仪进行装置改装实现加载,通过拆除荷载对试样进行称重控制含水率[10];杨和平通过环刀试样上方的钢片加载,在干湿循环过程中使用烘箱烘24 h后再称重[11];赵克烈通过在定制套筒两端安装轴力传导帽连接施力弹簧对三轴样加纵向荷载,烘箱干燥[12];DONG等使用杠杆和砝码对试样加压,为控制含水率变动幅度,在干燥一段时间后通过固定螺母限制土样回弹,认为限制面板对土的作用力等同于上覆荷载,通过称重确定含水率[13]。

以上装置考虑了荷载与干湿循环的共同作用,但也存在一些不足。首先,在干湿循环的过程中将试样取出测含水率,这就不可避免地发生卸荷且扰动试样,与实际工程不符。其次,在加载方式上如采用弹簧加载时,试样在干湿循环过程中产生的形变会导致施加荷载有偏差。最后,在通过固定螺母限制土样回弹来控制含水率变动幅度时,螺母拧紧程度需要试验人员具有较高的试验素质,拧紧程度不一会影响上覆荷载大小,每个试样是否承受相同的上覆荷载,有待进一步研究。

基于以上,研发一种荷载与干湿循环协同作用下土的直剪试验装置与方法,试验过程中不需要卸载。采用图像处理系统,提出考虑表面裂隙和侧面裂隙下土的裂隙率计算方法,分析了荷载与干湿循环协同作用下红黏土抗剪强度指标及裂隙演化规律,建立抗剪强度指标与裂隙率、压实度的关系,为获取符合工程实际的红黏土设计参数提供依据。

1 原材料性能

试验用土取自贵州福泉某公路改扩建工程中段,取土深度0～3 m。现场土样呈黄褐色,含少许植物根茎及砾石,土质均匀,结构致密,天然含水率高,黏聚性较大,符合典型的红黏土特征(表1)。

表1 红黏土基本物理性质

2 样品制备

红黏土置于105 ℃烘箱中烘干后过2 mm筛,加水充分搅拌至目标含水率,密封24 h。根据《公路路基设计规范》(JTG D30—2015),高速公路、一级公路上路床压实度大于等于96%,下路堤压实度大于等于93%,三、四级公路下路堤压实度大于等于90%,设置90%、93%和96%这3个压实度。按设计压实度称取所需质量的土样,采用静力压实法[14]在最佳含水率条件下制备不同压实度的环刀样品,直径为61.8 mm、高为20 mm。干湿循环次数拟定为6次,上覆荷载分别为0,10,30和60 kPa(表2)。用于直剪试验时每组制备4个平行试样。

表2 荷载与干湿循环协同下试验工况

3 试验方案

3.1 土的直剪试验装置与方法

3.1.1 试验装置

模拟干湿循环与荷载协同作用下土的直剪试验装置根据现有直剪仪改装而成(图1和图2),包括加载装置、剪切装置、增湿装置、干燥装置和测量装置。加载装置通过杠杆施加砝码完成。剪切装置在现有的直剪仪上完成,上下剪切盒用长螺丝旋紧固定,剪切盒内从下至上依次放置不透水板、滤纸、试样、滤纸、透水石、透水传压盖。传压杆的施力螺丝顶在透水传压盖上,传压杆上的两根立杆连接下部杠杆。增湿装置通过注射器缓慢注水进入铝箔圆环与透水传压盖所围的槽内完成。干燥装置包括可调节支架、灯暖浴霸和均匀开孔的透水传压盖。测量装置包括纵向百分表和测力环。该装置可对土样施加荷载的同时进行干湿循环,在干湿循环过程中无需卸载,有效解决以往干湿循环过程中土样反复卸载与扰动的问题,通过杠杆和砝码加载有效保证施加荷载一致,开孔的透水传压盖可加速试样干燥过程(图1(c))。

1-调节支架;2-灯暖浴霸;3-推动座;4-传压杆;5-直剪盒;6-量力环;7-平稳锤;8-杠杆;9-支撑底座;10-砝码托盘;11-锁紧螺母;12-透水传压盖;13-铝箔圆环;14-长螺丝;15-上剪切盒;16-下剪切盒;17-不透水板;18-试验土样;19-透水石;20-透水孔图1 模拟荷载与干湿循环协同作用装置结构Fig.1 Structure of the device for simulating the synergistic effect of load and dry-wet cycle

图2 模拟荷载与干湿循环协同作用装置Fig.2 Device for simulating the synergistic effect of load and dry-wet cycle

3.1.2 试验方法

1)加载:将试样放于加载装置上,分别施加0,10,30 和60 kPa的上覆荷载。

2)预增湿:通过注射器缓慢注入铝箔圆环与透水传压盖所围的槽内,使水缓慢渗入,对样品增湿到目标含水率40%,静置24 h。

3)干燥过程:打开灯暖浴霸,烘干至目标含水率25%。通过预试验确定干燥到目标含水率所需的时间。在预试验的干燥过程中,卸下荷载,记录干燥时间,测定试样含水率,当试样达目标含水率时记录在该级荷载下的时间。正式试验以预试验的时间为依据确定干燥时间,此时上覆荷载不能卸载,确保干湿循环与荷载协同作用。

文献[15-18]表明黏性土在有防排水等措施的情况下,含水率变幅在4%～14.83%。铺筑完成、长期稳定后,含水率下限在OMC(最佳含水率)-5%～OMC+5%。陈南、吴立坚等对贵州余凯高速及凯羊高速6个标段共33处边坡含水率开展测试,边坡含水率为16%～45%[19]。综合考虑,试验的干湿循环含水率的变化幅度为25%～40%。

4)再增湿:同预增湿操作一致,使试样含水率由25%升至30%,到此完成一次干湿循环。重复以上步骤直至完成预定次数的干湿循环(图3)。

图3 干湿循环试验方法Fig.3 Dry-wet cycle test skedule

5)直剪试验:对4个直剪盒内的试样以0.8 mm/min进行当前荷载下的快剪。每15 min计1次测力环上百分表的读数,取最大值计算出的剪切应力作为试样的最大抗剪强度值。

3.2 荷载与干湿循环协同下土的裂隙率计算方法

试样经历荷载与干湿循环协同作用后在光照角度、位置相同的条件下对表面与侧面进行拍照。处理步骤(图4)为:①除去试样以外的背景,保留表面的彩色图片信息,将其转化为灰度图像。②设置阈值对灰度图像进行二值化,将灰度值大于阈值的裂隙区变为黑色,小于阈值的土块区变为白色。③由于表面不均匀,二值图像可能会因土颗粒的存在使得代表土块的白色区域内出现孤立黑点,通过Photoshop橡皮檫功能去除。④分别统计出除去边框后的黑色像素点数、总像素点数。用除去边框后的黑色像素点数与除去边框后的总像素点数的比值作为表面或侧面裂隙率(式(1))。

图4 图像处理过程Fig.4 Image processing process注:第一行照片与第二行照片分别是荷载与干湿循环协同下试样的表面裂隙、侧面裂隙。

在干湿循环与荷载协同下土样在其表面和侧面均有裂隙,用单一的表面或侧面的裂隙不能完全反映总体的裂隙发育情况(图4)。因此,按照面积比作为权重,对表面和侧面裂隙率进行加权平均计算,用加权平均值作为试样总体的裂隙率。本试验环刀试样直径为 6.18 cm,高度为 2 cm,表面面积为 29.99 cm2,侧面面积为 12.36 cm2,因此表面裂隙率权重为0.708,侧面裂隙权重为0.292。

(1)

式中δfi为试样表面或侧面裂隙率,%;Ai为图片中除去边框后的黑色像素点数;Aw为除去边框后的总像素点数。

4 结果分析

4.1 红黏土的抗剪强度指标变化规律

在荷载与干湿循环协同下,红黏土黏聚力和内摩擦角随压实度的增大而增大(图5、图6)。这是因为红黏土的黏聚力主要由土粒间水膜受到相邻土粒之间的电分子引力以及土中化合物的胶结作用而形成的[20],对于黏性土来说,在同一含水率下增大压实度可增加土体的密实度,颗粒之间的距离越小,水膜越薄,黏聚力也就越大。同时,土的密实度越大,土颗粒间接触较紧,土粒间的摩擦力和咬合力也就越大,表现为内摩擦角越大。

图5 不同上覆荷载下黏聚力与压实度的关系Fig.5 Relationship between cohesion and compaction for different overburden loads

图6 不同上覆荷载下内摩擦角与压实度的关系Fig.6 Relationship between internal friction angle and compaction for different overburden loads

在荷载与干湿循环协同作用下,红黏土黏聚力随干湿循环次数的增加而降低,前面3次降低显著,后逐渐趋于稳定(图7(a))。内摩擦角随干湿循环次数增加总体在10°的范围内波动(图7(b))。产生这种结果的原因可能是:红黏土在增湿过程中土体内孔隙被水分填充,颗粒中的胶结物得到溶蚀,摩擦力减小,同时亲水性矿物吸水膨胀;在脱湿过程中水分蒸发,土体收缩,孔隙增多,土颗粒间更加紧密,摩擦力增大;反复的干湿循环过程会导致土体骨架反复收缩膨胀,破环土体的结构完整性,造成不可逆转的结构损伤[21]。

图7 黏聚力、内摩擦角与干湿循环次数的关系Fig.7 Relationship between cohesion,internal friction angle and number of dry-wet cycles

无上覆荷载和10 kPa上覆荷载作用下,土样的黏聚力在经历1～2次循环后急剧降低,2～6次循环时下降趋势逐渐平缓(图7(a))。这说明红黏土在经历一定次数的干湿循环后土体强度会趋于稳定。在30 kPa上覆荷载下,土样黏聚力在经历1～2次循环后下降趋势有所放缓;在60 kPa上覆荷载下,土样黏聚力在1～2次循环时下降坡度更平缓且更均匀,且经历6次干湿循环后黏聚力的稳定值明显大于其他上覆荷载的稳定值(图7(a))。这说明增大上覆荷载延长了土体抵抗干湿循环劣化作用的能力。为进一步探究上覆荷载对抗剪强度指标的影响,作黏聚力与内摩擦角随上覆荷载变化情况图(图8)。

图8 黏聚力与内摩擦角随荷载变化Fig.8 Variation of cohesion and angle of internal friction with loading

在荷载与干湿循环协同作用下,红黏土黏聚力都随上覆荷载增加先显著增加,然后缓慢增加(图8(a))。可以看出,同一干湿循环次数下,当上覆荷载越大,红黏土的黏聚力也就越大。产生这种结果的原因可能是:红黏土为强膨胀土,在增湿过程中含水率升高、体积膨胀、密度降低,增加上覆荷载可有效限制土体内部颗粒表面水膜的加厚,抑制红黏土的膨胀[22],从而有效限制土体强度衰减。内摩擦角随上覆荷载增加总体在10°的范围内波动(图8(b))。不同干湿循环次数下的内摩擦角变化曲线相互重叠,说明内摩擦角没有随荷载增加而出现明显的变化。

4.2 荷载与干湿循环协同下裂隙演化规律

无论有无上覆荷载,红黏土试样的表面和侧面裂隙都随着干湿循环次数的增加而不断发育(图9)。随着荷载增大,表面裂隙在10 kPa时裂隙宽度达到最大,大中裂隙发育最明显。侧面裂隙由环向裂隙向纵向裂隙发展。原因是无荷试样在失水收缩的过程中,水分主要从表面竖直方向蒸发[23],竖直方向拉应力超过允许应力,导致出现明显的环向裂缝。随着竖直方向荷载增大,改变了水分扩散路径[24],抑制水分从表面竖直方向蒸发,使水分从侧面向四周蒸发,拉应力超过允许应力,出现纵向裂隙。但10 kPa上覆荷载还不能完全抑制土体水分从表面散失,故10 kPa上覆荷载试样侧面有微小的环向裂隙,同时出现纵向裂隙。

图9 不同荷载和干湿循环次数下红黏土试样裂隙发育情况Fig.9 Fissure development of red clay samples under different loads and number of dry-wet cycles 注:从左至右分别为1～6次干湿循环阶段。圆形表示表面裂隙,矩形表示侧面裂隙。

各级上覆荷载下裂隙率都随压实度的增大而降低(图10)。此结论在褚卫军在干湿循环作用下红黏土胀缩变形特性及裂缝扩展规律研究中得到验证[25]。压实度从90%增大至96%,裂隙率下降0.17%～1.37%,降幅9.87%～80.24%。

图10 裂隙率与压实度关系曲线Fig.10 Relationship curves of fracture ratio versus compaction degree

裂隙率在各压实度下变化规律相似,随着干湿循环次数的增加,裂隙率逐渐增大(图11)。这与李焱等的研究结论一致[26-27]。上覆荷载为10 kPa,压实度为90%的红黏土试样在干湿循环次数从1次增加到6次时,裂隙率从0.61%增大到5.54%。

图11 裂隙率与干湿循环次数关系曲线Fig.11 Relationship curves between fracture ratio and number of dry-wet cycles

随上覆荷载增加,裂隙率先增加后降低,在上覆荷载为10 kPa时总裂隙率达到最大,在10～60 kPa,随上覆荷载增大裂隙率逐渐降低(图12),这是由于在吸水增湿过程中上覆荷载限制了土体的膨胀,在干燥阶段土体失水后收缩产生裂隙被上覆荷载压住,抑制了裂隙的发育,上覆荷载越大,这种抑制作用越强。但10 kPa上覆荷载下的裂隙率比无荷时要大,导致10 kPa上覆荷载下总裂隙率比无荷时要大的原因可能是试样是环刀样,有侧限,红黏土试样在吸水膨胀的过程中主要是纵向的膨胀。施加上覆荷载后,红黏土纵向膨胀受到抑制,在膨胀的过程中由于压力作用产生比无荷时更多的裂隙。由于低荷载不能完全抑制纵向膨胀,使得先前由于荷载作用产生的表面裂隙在干湿循环过程中不断加深加宽,这也导致10 kPa荷载作用下的表面裂隙比30 kPa时的大。

图12 裂隙率与上覆荷载关系曲线Fig.12 Relationship curves between fracture ratio and overburden loads

4.3 抗剪强度指标与裂隙率、压实度的关系

土的裂隙发育会降低土体的强度,是强度劣化的一个重要影响因素[28-29],为探究强度指标与裂隙率的关系,作裂隙率与抗剪强度指标对应图。从图13可以看出,黏聚力随裂隙率的增大而大幅降低,内摩擦角随裂隙率增大而小幅降低。但无论是黏聚力还是内摩擦角,在同一个范围内的裂隙率水平下,都会出现很大波动。这说明了对于土体抗剪强度指标来说,裂隙率不是唯一的影响因素,单独使用裂隙率来量化强度的变化,会出现误差。

图13 裂隙率与抗剪强度指标对应图Fig.13 Corresponding diagram of fracture ratio and shear strength index

建立抗剪强度指标与裂隙率、压实度关系。黏聚力与裂隙率、压实度关系的可用二元非线性拟合(式(2)),试验点基本分布在拟合曲面上(图14),相关系数均大于0.9(表3)。内摩擦角与裂隙率、压实度关系的可用二元非线性拟合(式(3)),试验点基本分布在拟合曲面上(图15),相关系数均大于0.9(表4)。

图14 黏聚力的二元非线性拟合Fig.14 Binary nonlinear fit of cohesion

图15 内摩擦角的二元非线性拟合Fig.15 Binary nonlinear fit of inner friction angle

表3 黏聚力的待定系数及拟合效果

表4 内摩擦角的待定系数及拟合效果

c(x,y)=a1x2+a2x+a3y3+a4y2+a5y+a6

(2)

式中c(x,y)为黏聚力,kPa;x为压实度,%;y为裂隙率,%;ax为待定系数。

φ(x,y)=b1x+b2y3+b3y2+b4y+b5xy2+b6

(3)

式中φ(x,y)为内摩擦角,(°);x为压实度,%;y为裂隙率,%;bx为待定系数。

5 结 论

1)发明了一种模拟荷载与干湿循环协同作用下的直剪装置,试验过程中不需卸载即可实现荷载与干湿循环的协同作用,提出了荷载与干湿循环协同下土的直剪试验方法。

2)在荷载与干湿循环协同作用下,红黏土黏聚力和内摩擦角随压实度的增大而增大,黏聚力随压实度的增大幅度大于内摩擦角的增大幅度。黏聚力随干湿循环次数的增加在前3次降低显著,后逐渐趋于稳定,随上覆荷载增加先显著增加,然后缓慢增加。内摩擦角随干湿循环次数和上覆荷载增加总体在10°的范围内波动。

3)在荷载与干湿循环协同作用下,红黏土表面和侧面裂隙都随干湿循环次数的增加而不断发育。随着荷载增大,表面裂隙在10 kPa时裂隙宽度达到最大,大中裂隙发育最明显,侧面裂隙由环向裂隙向纵向裂隙发展。裂隙率随压实度的增大而降低,随干湿循环次数增加而增加,随上覆荷载增加,裂隙率先增加后降低,在上覆荷载为10 kPa时达到最大。

4)红黏土具有对环境湿度变化敏感,多裂缝、强胀缩和强度衰减等特性。在干湿循环和上覆荷载协同作用下使得土体力学特性进一步退化,强度降低,变形加大,裂隙的发展加剧了以红黏土作为地基基础的构筑物破坏。

这种模拟荷载与干湿循环协同下的直剪试验装置和方法,科学评价了红黏土的工程特性,在工程设计中建议考虑干湿循环和荷载的协同下红黏土力学指标的衰减特性。施工中提高红黏土地基压实度,做好防排水措施,确保工程质量与安全。