原状滑带土压缩回弹变形的饱水软化响应

潘梓祺, 邬凯, 赵海松*, 陈盼,3, 向波

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院, 桂林 541004; 2.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司, 成都 610064; 3. 中国科学院武汉岩土力学研究所, 岩土力学与工程国家重点实验室, 武汉 430071)

近十年来,滑坡带复活相关机理的研究受到越来越多学者的关注[1-3],由现有的研究可知,而降雨作用导致滑带土饱水软化是诱导滑坡带复活的主要原因。而通常在反复降雨的过程中。滑坡带逐渐开始发育直至最后经过人工堆载或开挖削坡的过程发生滑坡带的复活[4-6],而在边坡防治过程中,施工中的临时开挖工程以及在陡峭基岩的软土上进行填方施工;都可能会重新激活古滑坡,因此需要对饱和度变化下滑带土的力学特性发生劣化的现象引起重视。

目前,大部分学者对滑带土吸水劣化的研究考虑到了强度以及稳定性的变化[7-13]。主要通过研究重塑滑带土的抗剪强度与含水量的影响。得到黏聚力c和内摩擦角φ与含水率的变化规律。Xu等[14]从微细观力学的角度通过纳米压痕的实验手段探究了软弱夹层的弹性模量、抗剪强度以及内聚力随饱水时间的变化规律,进而分析了山体滑坡灾变机理。而在边坡防治工程的开挖卸载的过程中,滑带土的变形沉降随含水量的变化同样仍不可忽视。当前关于含水率对土体压缩回弹特性的影响研究主要集中在路基和基坑等地下工程。武朝军等[15]学者进行了不同含水率原状上海黏土的固结压缩试验,得到原状上海黏土天然含水率与压缩参数Cc之间的关系;王仲辉等[16]对重塑尾矿砂在不同含水率和不同干湿循环次数下的压缩特性进行研究,得到不同含水率及不同干湿循环次数下的压缩系数、固结系数的规律变化[17];刘志遐等[18]也探究了南海钙质砂不同含水率下的压缩沉降量与时间的关系,同时给出相关经验式供工程参考。由上述国内外研究现状可知,目前针对滑带土的研究一方面只关注其抗剪强度以及稳定性的饱水劣化的现象,而滑带土饱水软化下的压缩变形特性在探究滑坡复活的灾变机理中仍不可忽视;另一方面,对于探究滑带土力学特性的饱水劣化现象,往往通过重塑试样的方式探究其力学特性饱水劣化的现象,而对于原状滑带土自身特有的结构性所带来的饱水强度、变形等响应并不能得到体现。因此,有必要开展针对原状滑带土压缩回弹特性的研究,为后续探究滑坡复活的灾变机理以及相关工程的设计和施工提供参考和借鉴。

为探究不同饱和度下原状滑带土的压缩回弹特性变化规律,开展不同饱和度下的压缩-回弹-再压缩试验。主要研究原状滑带土的饱和度对先期固结压力、压缩指数、回弹指数、塑性变形量、回弹模量、再压缩比率之间的关系,并给出相关经验关系式。为降雨与地下水位变化诱发的地质灾害的设计与评估提供定量参考。

1 实验材料与方法

1.1 原状滑带土的基本特性

土样取自四川某复活滑坡现场,通过钻探获取的原状滑带土样如图1所示。滑带土取样深度43.3～50.6 m,位于岩土界面附近,为灰黑色压密含砾黏土,采用相关实验规范[19-20]开展了相关物性试验测试,其物理性质指标如表1所示。

对滑带土开展了矿物成分分析,分别测定了滑带土中砾石和细粒土的矿物成分。对于滑带土中的砾石,采用球磨机研磨成小于0.075 mm的粉末样,滑带土中的细粒土取0.075 mm筛下的细粒均开展X射线衍射分析,测试结果如表2所示,滑带土的主要矿物为石英、斜长石、方解石与黏土矿物,砾石与细粒的矿物成分相同,含量稍有差别。进一步对滑带土开展了颗粒分析试验[19],试验结果如图2与表3所示。滑带土主要由细砾与砂粒为主,含部分粉粒与黏粒。

图1 原状滑带土样Fig.1 Undisturbed sliding zone soil samples

表1 滑带土的基本物理指标Table 1 Geotechnical properties of sliding zone soils

表2 滑带土的矿物成分Table 2 Mineral composition of sliding zone soils

表3 滑带土的粒径特性Table 3 Particle analysis of sliding zone soils

图2 滑带土的颗粒粒径Fig.2 Particle size distribution of sliding zone soils

根据颗分试验结果,进一步计算了滑带土的颗粒粒径分布特征参数,结果如表3所示。从表3中可知,不均匀系数Cu较大,表明土粒不均匀,细粒含量较少。根据《土的工程分类标准》(GB/T 50145—2007),Cu≥5,且Cc=1～3,该滑带土级配良好。

1.2 实验方法

利用现场取回的原状试样切削制备环刀试样,饱水软化制备试样的方法如下:将切屑获得的原状试样利用细雾喷壶喷水吸湿到设定的含水率,随后用薄膜将土样小心包裹,放入乐扣盒静置密封,直到水分均匀。

待达到平衡状态后,取出土样开展一维高压固结试验。为了模拟坡角卸荷作用下土体的变形特性,在压缩过程中开展了卸载再加载试验,先加载至400 kPa后卸载至25 kPa,最后加载至3 200 kPa。具体加载等级为25、50、100、200、300、400、300、200、100、50、25、50、100、200、300、400、800、1 600、3 200 kPa。加载平衡时间为24 h。值得注意的是,由于试样的含水率状态不同,在加荷过程中,须在固结盒周边塞上与土样含水率相对应湿度的棉花团,同时及时补充棉花团的水分,以最大限度降低大气环境变化对试样在试验过程中含水率的影响。

本试验开展了饱水软化条件下土体从天然含水率到饱和状态共4种含水率状态的固结回弹试验研究。土样的饱和度分别为47.9%、57.4%、80.3%和100.0%。

2 试验结果与分析

2.1 固结试验结果分析

2.1.1 饱和度对先期固结应力的影响

图3给出了不同初始饱和度条件下原状滑带土的压缩回弹曲线。从图3中可以看出,随着饱和度的增大,低上覆压力条件下,土体的压缩性明显增大,而在高应力条件下,压缩性趋于一致。而在回弹曲线里,随着饱和度的增加,回弹曲线逐渐变陡,回弹量逐渐增多。

图3 滑带土的压缩与回弹曲线Fig.3 Compression and rebound curves for sliding zone soils

根据Casagrande方法[21]通过找出e-lgp曲线的最小曲率点A并找出A点的平行线、切线与其角平分线最后通过e-lgp曲线直线段的延长线与A点角平分线交点确定先期固结压力值Pc,结果如图4所示,具体数据在表4中给出。由结果可知,随着饱和度增加,土体的先期固结压力逐渐减小。饱和度47.9%时先期固结压力为186.5 kPa,而当饱和度增大到57.4%,先期固结压力降低到102.6 kPa,在达到饱和阶段时,先期固结压力降低了110.6 kPa,表明含水率的增加造成了滑带土先期固结压力的显著降低。采用幂函数对实测数据进行了拟合,拟合效果良好(R2=0.99),表明可以近似利用幂指数来进行滑带土先期固结压力的预估。

2.1.2 饱和度对滑带土的压缩回弹参数影响

关于压缩指数的取值[22]是由土体所受上覆应力决定的,由表1的滑带土的物理性质可知其取样深度及天然密度,即可算得其所受上覆应力在400～800 kPa;故选取此段固结曲线中压缩指数作为当前地层自重应力下滑带土的压缩指数。如图5所示,滑带土的饱和度压缩指数的关系变化不大,随着饱和度的增加,基本在Cc= 0.1之间波动,这主要是因为在400～800 kPa段的压缩指数Cc为0.1,属于低压缩性土[19]。即颗粒间结构紧密不易被压缩,故此时的饱和度变化对此影响不大。

关于回弹指数Ce与饱和度的关系由如图5可以看出,随着饱和度的增加,回弹指数呈先增大后减小的趋势。但值得注意的一点,在饱和度Sr= 100%时相较于饱和度Sr= 80%的回弹指数会略微下降。这是因为,随着饱和度的增高,在加载卸荷的过程中孔隙间的水逐渐填充孔隙使得其回弹量增加。而在饱和状态下,空隙间被水填充,颗粒与颗粒间的接触面减小,故在饱和状态下压缩回弹易使其黏土颗粒从砾土上剥离。从而在饱和状态下的回弹指数会略微降低。

图4 滑带土饱和度与先期固结压力的关系Fig.4 Correlation between the degree of saturation and preconsolidation pressure of sliding zone soils

图5 滑带土饱和度-压缩指数、回弹指数的关系Fig.5 Correlation between the degree of saturation, compression index and rebound index of sliding zone soil

2.2 回弹再压缩试验结果分析

2.2.1 饱和度对滑带土卸荷回弹的影响

用来表征土体回弹特性的参数主要包括载荷比R、回弹率δ、回弹比率r、回弹模量Er[23-24],其定义式分别为

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:Pmax为竖向最大预压荷载;Pi为第i级卸载后的上覆荷载;emax为初始荷载下土样的孔隙比;emin为最大预压荷载下土样的孔隙比;ei为第i级卸荷后回弹稳定时土样的孔隙比。

在不同饱和度的滑带土在卸荷回弹过程中不同卸荷比下的回弹率δ如图6所示,可以看出不同饱和度下的滑带土回弹率的变化趋势不大,开始卸荷阶段,即卸荷比在0.75前变化较小。低饱和度的滑带土的卸荷前期还会出现轻微的压缩。当卸荷比达到0.75时,即卸荷达到100 kPa时,不同饱和的滑带土均出现明显的回弹。在卸荷比达到0.88时,即卸荷到达50 kPa时,回弹率发生明显变化。故可以认为卸荷比R在0.75为临界卸荷比;卸荷比R在0.88时为极限卸荷比。进一步探究了临界卸荷比状态下不同饱和度与回弹率之间的关系。由图7所示,回弹率随着饱和度的增加而增加;其相关经验公式如图7所示,相关系数在0.98。回弹率与饱和度之间有很好的相关性可供工程实际进行参考。

图6 滑带土卸荷比与回弹率的关系Fig.6 Correlation between the degree of unloading ratio and rebound rate of sliding zone soil

不同饱和度下的滑带土在不同卸荷比的回弹模量如图8所示;可以看出随着卸荷比的增加,低饱和度的滑带土主要呈二次函数的趋势增加,逐渐转至高饱和度时,其增长趋势变为线性且两饱和度间的回弹模量值基本一致;值得注意的是,随着饱和度的增加。回弹模量是降低的。在高饱和度的情况下,会略微有些上升但回弹模量不会有太大的变化。对此如图9所示,对饱和度-回弹模量之间的关系进行了拟合得到了饱和度-回弹模量之间的经验关系式如图9所示,Er=3.43+91.91×0.95Sr其相关系数在0.99。在缺乏相关数据的情况下,可依据此公式对此进行回弹模量的估算。

通过在最后一级卸荷时的孔隙比与初始孔隙比的增量Δe得到其塑性变形量;而后对比其塑性变形量与饱和度之间的关系如图10所示;可以看出其塑性变形量随着饱和度的增加而增加。对此将饱和度Sr与塑性变形量Δe之间的关系进行线性拟合得到关系式:Δe=0.001 7Sr-0.038 3;其相关系数达到0.98。在缺乏相关数据是可通过拟合的关系式对其塑性变形量Δe进行估算。

图7 滑带土饱和度与回弹率的关系Fig.7 Correlation between the degree of saturation and rebound rate of sliding zone soil

图8 滑带土卸荷比与回弹模量的关系Fig.8 Correlation between the degree of unloading ratio and resilience modulus of sliding zone soil

图9 滑带土饱和度与回弹模量的关系Fig.9 Correlation between the degree of saturation and rebound modulus

图10 滑带土饱和度与塑性变形量的关系Fig.10 Correlation between the degree of saturation and plastic deformation in sliding zone soil

2.2.2 饱和度对滑带土再压缩特性的影响

用来表征滑带土的再压缩过程的参数有:再加荷比Rr、再压缩比率ηr[25];其计算式与式(1)、式(4)相近,由于公式描述的是再压缩段的参数,故在式中的Pmax=3 200 kPa,这里就不作赘述。

如图11所示,随着再加荷比的增加,不同饱和度的再压缩比率都是呈下降的趋势。当再加荷比至0.97时,再压缩比率基本变化较小。即可以认定载荷比在0.97为临界再加荷比(加载至100 kPa)。

为更好地模拟地层内滑带土的回弹再压缩状态。选取不同饱和度的滑带土再加荷至800 kPa(即再加荷比为0.75)的再压缩比率进行分析[21]。如图12所示,值得注意的是随着饱和度的增加,再压缩比率先逐渐增加然后在高饱和度段变缓。由饱和度在47.9%的再压缩比率0.53增加到饱和状态下的再压缩比率的0.74,与之增长了0.21;对此本文对其再压缩比率与饱和度之间的关系进行指数函数拟合。具体参数如表4所示,所得到的经验式可作为工程上参考的依据。

图11 滑带土再加荷比与再压缩比率的关系Fig.11 Correlation between the degree of the reload ratio and the recompression ratio of sliding zone soil

图12 滑带土饱和度与再压缩比率的关系Fig.12 Correlation between the degree of saturation and recompression ratio in sliding zone soil

表4 原状滑带土饱和度与先期固结压力、塑性变形量、 再压缩比率汇总表Table 4 Measured data for preconsolidation pressure, plastic pore ratio, and re-compressional ratios of sliding zone soil under varying degree of saturations

2.3 讨论

为更近一步揭露滑带土所产生的吸水劣化现象,我们对原状滑带土进行扫描电镜试验,由图13中不同放大倍数的滑带土的SEM图像可以看到,滑动带上的软弱夹层的土颗粒骨架多呈现堆叠状的排列方式,且有一定的方向性。当受到长期的挤压和摩擦时,会导致颗粒的定向排列并拉长。从而导致软弱夹层土的强度及摩擦系数的降低;黏土颗粒连接多为面-面接触,随着降雨、地下水等反复干湿循环作用下,其间的黏土颗粒的团聚性遭到破坏。颗粒间的边-面接触、面-角接触会明显增多,甚至逐渐脱落,散乱地堆落在其他颗粒周围及孔隙中,具体表现为土体内孔隙数量增多,孔隙增大,结构更疏松。值得注意的是,在图13中可以发现滑带土的裂缝分布基本上是位于细粒黏土与大颗粒砾石的交界面处,故在水力、外力作用下,软弱夹层土的裂缝首先会沿着细粒黏土与大颗粒砾石之间的交界面进行剥离和崩解。

而先期固结压力的变化主要是由滑带土体所受压力历史决定的,随着饱和度的增加,破坏了滑带土的原有颗粒空间排布、颗粒间胶结固化,从而导致先期固结压力值的降低。

3 结论

为了考虑现场滑带土的原生结构,针对原状滑带土开展了饱和度变化下压缩回弹及再压缩试验,揭示了含水率变化下原状滑带土压缩回弹及再压缩特性的变化规律,并建立了先期固结压力、压缩与回弹模量、塑性变形量及再压缩比率与饱和度之间的定量关系式,可为相关设计与评估提供定量的分析手段。获得的如下主要结论。

(1)原状滑带土的先期固结压力随饱和度的增加而降低,在50%～60%的饱和度变化范围内变化显著,当饱和度继续增大,在高饱和度80%～100%范围先期固结压力变化较小。可用幂函数来定量刻画先期固结压力随饱和度的变化。饱和度的变化对原状滑带土压缩指数的影响不显著,而对回弹指数影响较大,回弹指数随饱和度增加先增大后减小。

(2)通过试验确定了原状滑带土的临界卸荷比为0.75,极限卸荷比为0.88,临界再加荷比为0.97。回弹模量与卸荷比近似呈二次函数的关系。随当饱和度增加时,原状滑带土的回弹模量呈指数函数降低,而塑性孔隙变化量线性增加;再压缩比率呈指数形式增大,饱和度Sr=47.9%的再压缩比率相比饱和状态下增长了0.21。

(3)通过电镜扫描试验对水致原状滑带土劣化机制进行了初步揭示,主要在于饱和度变化改变了滑带土颗粒间的接触与胶结,导致土体的压缩变形特性改变。