含水率和固結(jié)壓力對(duì)非飽和重塑湖泥力學(xué)性質(zhì)的影響

曹平，歐可，韓東亞，張科

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

含水率和固結(jié)壓力對(duì)非飽和重塑湖泥力學(xué)性質(zhì)的影響

曹平，歐可，韓東亞，張科

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083)

基于江西省城門(mén)山銅礦湖底采礦特殊的工程背景，研究湖泥在堆土固結(jié)后力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律及影響因素。進(jìn)行6組不同含水率和4組前期固結(jié)壓力下非飽和重塑湖泥的直剪試驗(yàn)，分析不同含水率和前期固結(jié)壓力對(duì)重塑湖泥抗剪強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明：在相同的前期固結(jié)壓力下，在試驗(yàn)研究的含水率范圍內(nèi)，重塑湖泥的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨著含水率的增大而減小，且黏聚力和含水率之間基本呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)＞0.92，與其他含水率范圍相比，重塑湖泥抗剪強(qiáng)度在含水率為18.62%～21.76%范圍內(nèi)受其變化影響更大；在相同的最終含水率下，重塑湖泥黏聚力隨前期固結(jié)壓力呈冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系，而內(nèi)摩擦角的變化由于存在突變，并無(wú)一定的變化規(guī)律；不同初始含水率的重塑湖泥在300 kPa和400 kPa固結(jié)壓力下固結(jié)96 h后，最終含水率都接近于塑限(18.5%)，反算得到最佳湖泥填土高度為14 m。

直剪實(shí)驗(yàn)；重塑湖泥；抗剪強(qiáng)度；含水率；固結(jié)壓力

土的抗剪強(qiáng)度是反映其力學(xué)性質(zhì)最重要的參數(shù)之一。在工程建設(shè)中，邊坡穩(wěn)定、擋土墻壓力計(jì)算等都涉及土的抗剪強(qiáng)度，而抗剪強(qiáng)度主要受土體礦物成分、結(jié)構(gòu)以及含水率的影響[1?5]。對(duì)于邊坡而言，降雨、滲流等因素都將引起土體含水率的變化，進(jìn)而導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度減小，造成邊坡失穩(wěn)等現(xiàn)象[5?8]。近年來(lái)，為研究含水率對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了較多的試驗(yàn)和理論推導(dǎo)。COKCA等[9]分析了非飽和黏土的抗剪強(qiáng)度及基質(zhì)吸力與含水率的關(guān)系，并通過(guò)試驗(yàn)探究了不同含水率對(duì)安卡拉黏土抗剪強(qiáng)度的影響；SADEK等[10]在研究不同含水率和正應(yīng)力條件下的砂土剪切力學(xué)性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在一定含水率范圍內(nèi)，砂土越密、含水率越低，砂土抗剪強(qiáng)度越大；林鴻州等[11]以北京粉質(zhì)黏土等3種土為研究對(duì)象，制備了6組初始含水率的試樣并進(jìn)行直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在一定含水率范圍內(nèi)，強(qiáng)度隨含水量的增大而減小；李建中等[12]采用單軸固結(jié)試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)對(duì)飽和、濕潤(rùn)、風(fēng)干以及烘干的藤森黏土進(jìn)行了應(yīng)力?應(yīng)變特性研究，分析了不同含水率黏土在不同試驗(yàn)條件下的應(yīng)力?應(yīng)變特性；凌華等[13]選擇含水量代替吸力作為變量，研究了非飽和土強(qiáng)度隨含水量的變化，建立了非飽和土的實(shí)用強(qiáng)度公式；汪東林等[14]從固結(jié)壓力等5個(gè)方面研究了重塑非飽和黏土的土?水特征曲線的影響因素。以上研究成果主要運(yùn)用非飽和土理論或試驗(yàn)方法分析含水率這個(gè)單一變量對(duì)非飽和土力學(xué)參數(shù)的影響，但對(duì)于不同含水率和逐級(jí)固結(jié)壓力條件下非飽和重塑土的研究至今尚未成熟，仍需不斷完善。為此，本文作者在綜合分析前人關(guān)于不同條件與土體抗剪強(qiáng)度關(guān)系的試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)城門(mén)山湖泥邊坡特殊的土質(zhì)和工程條件，通過(guò)對(duì)不同含水率的重塑湖泥進(jìn)行前期固結(jié)和直剪試驗(yàn)研究，分析重塑湖泥的力學(xué)特性及變化規(guī)律。

1　工程背景

城門(mén)山銅礦是江西銅業(yè)公司所屬建設(shè)中的大型礦山，采區(qū)礦坑三面環(huán)湖，采區(qū)內(nèi)湖泥面積為7 417萬(wàn)m2，占采區(qū)面積的45%。礦體埋藏淺，絕大部分位于湖水水位以下，湖泥厚15～30 m，適宜露采。后期擬在露采境界外緣堆土固結(jié)湖泥，并在約30 m深厚湖泥軟基上攔水筑壩，而湖泥固結(jié)過(guò)程必將導(dǎo)致其含水率發(fā)生變化，因此，通過(guò)對(duì)不同含水率和固結(jié)壓力下湖泥的物理、力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，選取合適的堆土高度和露采邊坡角，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2　試驗(yàn)土樣和方案

2.1試驗(yàn)土樣的基本性質(zhì)

研究所用土樣取自露采終了境界內(nèi)廢石填埋的湖區(qū)，取土深度為6.5～37.4 m，按GBJ 145—1990“土的分類標(biāo)準(zhǔn)”[15]關(guān)于土的工程分類規(guī)定，試驗(yàn)用土屬Q(mào)4低液限黏土(CL)。土料特征為：灰褐色，軟塑，含水量高，非飽和，黏性大，可塑性強(qiáng)，主要由黏粒等組成；韌性低，切面較光滑。根據(jù)GB/T 50123—1999“土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)”[16]的規(guī)定，采用輕型擊實(shí)儀、密度計(jì)、液塑限聯(lián)合儀等進(jìn)行相關(guān)土物理、力學(xué)指標(biāo)測(cè)定。湖泥的主要物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。試驗(yàn)表明：所用湖泥最優(yōu)含水率為20.2%，最大干密度為1.82 g/cm3，且顆粒級(jí)配良好，可用來(lái)作為試驗(yàn)研究用土。

2.2試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)6組不同初始含水率的重塑湖泥，分別為20%，22%，24%，26%，28%和30%，對(duì)每組土樣，通過(guò)大直徑固結(jié)儀在固結(jié)壓力為100，200，300和400 kPa下加載，固結(jié)成型，測(cè)定固結(jié)后土樣的含水率。并通過(guò)直剪(快剪)試驗(yàn)測(cè)定抗剪強(qiáng)度，具體試驗(yàn)步驟如下。

1) 制備土樣。制備給定干密度和含水率范圍的擾動(dòng)土樣，土樣為直徑70 mm、高約100 mm的土柱。由于本文研究所采用的湖泥試樣配制方法相同，因此，本次試驗(yàn)所用湖泥試樣的制配均按以下方法進(jìn)行：將現(xiàn)場(chǎng)所取土樣進(jìn)行烘干、碾碎、過(guò)1 mm篩后拌勻，充分破壞其固有結(jié)構(gòu)，按配比量取相應(yīng)質(zhì)量的蒸餾水并用噴壺均勻噴灑于土樣上，同時(shí)充分?jǐn)嚢柰翗樱瑥亩渲瞥?種不同含水率的土樣；土樣配制后用雙層塑料袋封裝，置于恒溫保濕箱內(nèi)不少于48 h，以便土體內(nèi)水分充分運(yùn)移而混合均勻。要說(shuō)明的是：在試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)隨著固結(jié)壓力的不同，相同初始含水率的土樣在不同固結(jié)壓力下，固結(jié)后最終含水率會(huì)有所浮動(dòng)，因此，以100 kPa固結(jié)壓力下6組土樣最終含水率為基準(zhǔn)含水率，最后實(shí)測(cè)含水率分別為18.62%，19.78%，21.76%，23.59%，25.34%和27.21%。在不同固結(jié)壓力作用下，要配制最終含水率最相近的重塑土，只能在配置初始含水率時(shí)，適當(dāng)增加水的含量，這個(gè)過(guò)程需要多次試配。

2) 切取土樣。用定制的特殊環(huán)刀切取土樣。環(huán)刀刃口向下對(duì)準(zhǔn)圓柱土樣中心，慢慢垂直下壓，邊壓邊削切土樣使土樣成錐臺(tái)形，直至土樣伸出環(huán)刀頂面為止，將環(huán)刀兩邊余土削去修平，擦凈環(huán)刀外壁。

3) 將上一步驟試驗(yàn)用土裝入專門(mén)的加載設(shè)備中，在正向應(yīng)力為100，200，300和400 kPa作用下固結(jié)穩(wěn)定24 h，固結(jié)成型后按同一卸載比進(jìn)行卸載。

4) 安裝土壤并進(jìn)行剪切。直接剪切試驗(yàn)在南京土壤儀器廠生產(chǎn)的 SDJ－1型應(yīng)變控制式直剪儀上進(jìn)行，試驗(yàn)方法為快剪法，豎向應(yīng)力分別取100，200，300和400 kPa，試驗(yàn)控制剪切速率為0.8 mm/min，讀取不同正向應(yīng)力條件下量力環(huán)測(cè)微表讀數(shù)，具體實(shí)驗(yàn)步驟按照GB/T 50123—1999“試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)”[16]中直接剪切試驗(yàn)進(jìn)行。依下式計(jì)算各級(jí)垂直壓力下所測(cè)得破壞剪應(yīng)力c：

式中：n為試樣數(shù)；σi為第i個(gè)試樣所加的法向應(yīng)力；τfi為第i個(gè)試樣的抗剪強(qiáng)度；τf為土的抗剪強(qiáng)度；C為測(cè)力計(jì)率定系數(shù)；R為測(cè)力計(jì)量表讀數(shù)。用最小二乘法直接計(jì)算黏聚力和內(nèi)摩擦角，據(jù)式(1)得到抗剪強(qiáng)度曲線方程：τ=c+σtanφ。不同含水率時(shí)重塑湖泥抗剪強(qiáng)度見(jiàn)圖1，試驗(yàn)重塑湖泥物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

圖1　不同含水率時(shí)重塑湖泥抗剪強(qiáng)度包線Fig. 1 Shear strengths of remolded lake mud samples with different water contents

表1　試驗(yàn)重塑湖泥物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of soil sample

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1控制含水率的直剪試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2所示為不同含水率、不同預(yù)壓下重塑湖泥的破壞剪應(yīng)力與垂直壓力之間的關(guān)系。通過(guò)線性回歸，得出非飽和重塑湖泥的抗剪強(qiáng)度包線是1條直線。由圖2可知：在最終含水率、前期固結(jié)壓力都相同的條件下，在一定垂直壓力作用下，重塑湖泥破壞剪應(yīng)力呈線性增加趨勢(shì)；在相同的最終含水率下，隨著前期固結(jié)壓力的增大，在相同垂直應(yīng)力作用下重塑湖泥的破壞剪應(yīng)力也逐漸增大；將前期固結(jié)壓力從100 kPa增加至200 kPa與從300 kPa增加至400 kPa的固結(jié)過(guò)程相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)前一固結(jié)過(guò)程抗剪強(qiáng)度增幅約為后者的2倍，表明固結(jié)壓力增加至300 kPa后，再增加固結(jié)壓力對(duì)土體抗剪強(qiáng)度增幅作用影響減小，并且隨著最終含水率的增加，固結(jié)壓力對(duì)破壞剪應(yīng)力增幅作用越明顯；前期固結(jié)壓力增量越大，重塑土失水越多，而后期實(shí)驗(yàn)也表明無(wú)論前期固結(jié)壓力多大，當(dāng)最終含水率超過(guò)27.21%，土樣在垂直應(yīng)力為200 kPa時(shí)，土樣立刻破壞，從直剪儀上、下剪切盒之間擠出，無(wú)法開(kāi)展后期直剪試驗(yàn)，表明此時(shí)重塑湖泥抗剪強(qiáng)度急劇下降，湖泥的黏聚力幾乎為0 kPa。

3.2控制前期固結(jié)壓力的直剪試驗(yàn)結(jié)果分析

在相同固結(jié)壓力下，對(duì)重塑湖泥黏聚力與含水率之間的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3可見(jiàn)：在試驗(yàn)研究的含水率范圍內(nèi)，不同前期固結(jié)壓力下湖泥黏聚力和含水率之間基本呈負(fù)線性相關(guān)的關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)＞0.92，具有較高可信度；而重塑湖泥的內(nèi)摩擦角雖然并無(wú)此變化趨勢(shì)，但也隨含水率的增大而減小，且黏聚力減小的幅度較內(nèi)摩擦角減小的幅度更加大，這說(shuō)明含水率對(duì)黏聚力的影響更大；當(dāng)前期固結(jié)壓力為100 kPa且含水率ω較低如18.62%時(shí)，試樣黏聚力是含水率為27.21%時(shí)的137倍，而當(dāng)前期固結(jié)壓力為400 kPa且當(dāng)含水率ω較低如18.62%時(shí)，試樣黏聚力是含水率為27.21%時(shí)的3倍。上述試驗(yàn)結(jié)果表明前期固結(jié)壓力對(duì)改良湖泥力學(xué)性質(zhì)具有決定性的作用，究其原因是在相同含水率下，隨著前期固結(jié)壓力的增大，土體壓密排水作用越明顯，進(jìn)而導(dǎo)致重塑湖泥抵抗變形的能力增大[17]，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4可以看出：在相同最終含水率下，黏聚力與前期固結(jié)壓力呈冪指數(shù)函數(shù)變化趨勢(shì)，且重塑湖泥在含水率為18.62%～21.76%范圍內(nèi)受含水率變化影響最大；隨著含水率增大，重塑湖泥的黏聚力變化幅度減小，而內(nèi)摩擦角的變化由于存在突變，并不呈一定的變化規(guī)律。分析含水率和固結(jié)壓力對(duì)重塑湖泥破壞剪應(yīng)力的影響，可用以下3種觀點(diǎn)進(jìn)行解釋。

圖2　重塑湖泥黏聚力和摩擦角隨含水率變化Fig. 2 Relationship between cohesion and internal friction angle of remolded lake mud under different water contents

圖3　重塑湖泥黏聚力與摩擦角隨前期固結(jié)壓力變化關(guān)系Fig. 3 Relationship among cohesion, internal friction angle of remolded lake mud and consolidation pressures

1) 水分的存在[18]。黏性土中含較多黏粒，黏粒含親水礦物，黏性土含水率增大，結(jié)合水膜厚度增大，土顆粒之間的距離增大，黏聚力和內(nèi)摩擦角減小。尤其在高含水率條件下，由于軟化作用加強(qiáng)使得重塑湖泥結(jié)構(gòu)強(qiáng)度急劇降低，從而導(dǎo)致湖泥抗剪強(qiáng)度大幅度降低。

2) 黏土顆粒?水?正負(fù)帶電離子系統(tǒng)的相互作用形成了黏性土抗剪強(qiáng)度中的黏聚力[19]。黏聚力主要由靜電引力、顆粒間膠結(jié)作用等組成。而由化學(xué)膠結(jié)所產(chǎn)生的黏聚力最顯著，土體中水分可充當(dāng)溶劑對(duì)膠結(jié)物質(zhì)進(jìn)行溶解。隨著含水率增加，水分對(duì)膠結(jié)物質(zhì)的溶解作用越來(lái)越強(qiáng)，土粒分子間的膠結(jié)作用被削弱，最終導(dǎo)致湖泥抗剪強(qiáng)度不斷下降。

3) 在固結(jié)試驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，預(yù)壓固結(jié)時(shí)間對(duì)土的剪切強(qiáng)度有一定的影響，預(yù)壓固結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，土樣產(chǎn)生的次固結(jié)越大，抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步得到提高。不同初始含水率的重塑湖泥在相同固結(jié)壓力下，初始含水率越低，固結(jié)后含水率也越低，相同初始含水率的重塑湖泥在不同固結(jié)壓力作用下，固結(jié)后含水率不同，但在300 kPa和400 kPa固結(jié)壓力下固結(jié)96 h后，最終含水率都接近塑限(18.5%)。這說(shuō)明固結(jié)壓力并非越大越好，有1個(gè)臨限固結(jié)壓力，這為后期工程實(shí)踐中確定湖泥填土高度提供了參考依據(jù)。

4　結(jié)論

1) 在相同的前期固結(jié)壓力下，在試驗(yàn)研究的含水率范圍內(nèi)，重塑湖泥的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨含水率增大而減小，且黏聚力和含水率之間基本呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系。而內(nèi)摩擦角無(wú)此變化規(guī)律。黏聚力減小幅度更明顯，表明含水率對(duì)黏聚力的影響較內(nèi)摩擦角更大。與其他含水率范圍相比，重塑湖泥抗剪強(qiáng)度在含水率為18.62%～21.76%范圍內(nèi)受其變化影響最大。

2) 前期固結(jié)壓力對(duì)改良湖泥力學(xué)性質(zhì)具有決定性作用。在相同最終含水率下，黏聚力隨前期固結(jié)壓力增加而增大，并呈冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系，而摩擦角的變化由于存在突變，并無(wú)一定的變化規(guī)律。前期固結(jié)壓力的增量越大，重塑湖泥失水越多，但對(duì)重塑湖泥抗剪強(qiáng)度增幅作用影響減小。

3) 不同初始含水率的重塑湖泥在相同固結(jié)壓力下，初始含水率越低，固結(jié)后含水率也越低，但在300 kPa和400 kPa固結(jié)壓力下固結(jié)96 h后，最終含水率都接近塑限(18.5%)。這說(shuō)明固結(jié)壓力并非越大越好，有1個(gè)界限固結(jié)壓力，如固結(jié)壓力為300 kPa時(shí)反算得到的最佳湖泥填土高度為14 m，這為后期工程實(shí)踐提供了參考依據(jù)。

4) 本文只進(jìn)行了重塑湖泥抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)，對(duì)其他能反映土體性能的力學(xué)指標(biāo)并未進(jìn)行測(cè)量，且本文只針對(duì)湖泥這一特定的黏性土質(zhì)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其他土質(zhì)是否具有相同規(guī)律有待進(jìn)一步研究。

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(編輯 陳燦華)

Effects of water content and consolidation pressure on mechanical properties of remolded unsaturated lake mud

CAO Ping, OU Ke, HAN Dongya, ZHANG Ke
(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Based on the particular engineering background of mining from the bottom of lake at Chengmenshan Copper Mine in Jiangxi Province, the change law and influence factors of mechanical properties of lake mud after consolidation were studied. The direct shear tests with six groups of water content and four groups of consolidation pressure were conducted to study the effects of these two variables on the shear strength of remolded lake mud. The results show that the shear strength and the internal friction angles of remolded lake mud decrease with the increase of water content under the same consolidation pressure in the scope of experiment water content, and cohesion decreases linearly with water content in the rangeability of lake mud. Within the scope of 18.62%?21.76%, the water content affects the shear strength of lake mud greater than others. Under the condition of the same final water content, cohesion and previous consolidation pressure have the power exponential function relationship, but the variation of internal cohesion angles shows mutation, and there is no certain change rule. After consolidation of 96 h on different water contents of remolded soils with 300 kPa and 400 kPa, all of the final water contents are close to 18.5%, which is the plastic limit of the remold lake mud. The best height of soil slope is 14 m by back calculation, which can be used in engineering application for reference.

direct shear test; remolded lake mud; shear strength; water content; consolidation pressure

TU411

A

1672?7207(2016)03?0923?06

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.03.027

2015?01?10；

2015?03?20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51174228，51274249)；國(guó)家博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20120162110009) (Projects(51174228, 51274249) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(20120162110009) supported by the National Doctoral Fund)

曹平，教授，博士生導(dǎo)師，從事巖土工程理論、試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究；E-mail: pcao_csu@sina.com