崩崗侵蝕區非飽和花崗巖殘積土強度特性試驗研究

2019-04-22 08:32:10羅小艷扶名福

水力發電 2019年1期

羅小艷，扶名福

(1.江西科技師范大學建筑工程學院，江西南昌330013；2.南昌大學建筑工程學院，江西南昌330031)

0 引言

崩崗是華南地區土壤侵蝕嚴重的類型，導致嚴重的水土流失。贛南山區是崩崗侵蝕的重災區，該區域分布大量的花崗巖殘積土，細粒含量較多，結構疏松，裂隙發育。花崗巖殘積土存在大量的原生裂隙，在外界條件影響下容易引起次生裂隙發育，物理力學性質受水的影響顯著，遇水后力學強度急劇降低，易發生軟化崩解[1-2]。陳曉安[3- 4]、張曉明[5]、林敬蘭[6]、林金石[7]等對崩崗區土體的物理性質、抗剪強度等進行了研究，并取得了一定的成果。大量研究表明，基質吸力對各類土的強度等特性具有較大的影響[8-10]。當前，關于花崗巖殘積土的非飽和土特性，主要開展了一些物理特性和剪切特性[11]、崩解[12]、結構性[13]、土水特征曲線[14]等研究，較少開展其非飽和土強度特性的試驗工作。眾所周知，土中含水率受當地氣候影響，降雨入滲使土體含水率增加，導致土中的基質吸力降低[15]，從而影響到土體的強度特性。崩崗侵蝕區的侵蝕防治、降雨條件下的邊坡穩定性分析等問題都涉及到非飽和土強度特性。因此，有必要深入開展非飽和花崗巖殘積土試驗研究。

本文以崩崗侵蝕區的花崗巖殘積土為研究對象，采用非飽和三軸試驗，對不同干密度、不同凈圍壓和不同基質吸力下的偏應力-軸向應變關系和強度特性進行分析，探討各因素對其力學性質的影響，以期加強對花崗巖殘積土強度特性的認識，為崩崗侵蝕區治理提供參考。

1 試驗土樣與方法

試驗用土取自江西省贛州市于都縣金橋村附近的崩崗侵蝕區，在淺層地表以下0.5 m取土，土樣基本物理性質指標見表1。采取X-射線衍射儀獲得其礦物成分：石英(SiO2)含量為62.1%、高嶺石(Al2Si2O5(OH)4)為26.1%、三水鋁石(Al(OH)3)為9.6%。

表1 土樣基本物理性質指標

為探討干密度、凈圍壓和基質吸力對花崗巖殘積土變形和強度特性的影響，采GDS儀器設備有限公司生產的非飽和土三軸儀，進行控制基質吸力的非飽和土固結排水剪切試驗，基質吸力平衡判別標準為連續24 h內反壓體積的變化量小于50 mm3，試驗控制剪切速率為0.015 mm/min。

將土樣晾干碾碎，過2.0 mm篩以去除大顆粒。試樣采用重塑土樣，初始含水率為20%。采用三開模進行分層打樣，共分5層擊實，各層之間刮毛，使土層良好銜接，按設定的干密度制樣。三軸試樣的尺寸為：直徑39.1 mm，高度80 mm。對試樣進行抽氣真空飽和，即試樣初始狀態均為飽和樣。為研究基質吸力和干密度對應力-應變關系和強度的影響，本次試驗設計制備3個干密度狀態，共6組：第1組土樣干密度為1.50 g/cm3，基質吸力為50 kPa；4組土樣干密度為1.60 g/cm3，試驗控制的基質吸力分別為0(飽和樣)、50、100、200 kPa(土樣編號分別為第2、3、4、5組)，用于對比分析基質吸力對非飽和土強度特性的影響；第6組土樣干密度為1.65 g/cm3，基質吸力為100 kPa。

控制基質吸力非飽和土固結排水剪切試驗分基質吸力平衡、等吸力固結和剪切破壞3個階段。贛南山區為亞熱帶季風性濕潤氣候區，土壤基質吸力多為50～200 kPa，故在基質吸力平衡階段，對飽和樣脫濕，基質吸力分別取50、100、200 kPa等3個等級，為更好地分析基質吸力對強度特性的影響，還進行飽和土樣(基質吸力為0)的三軸試驗。等吸力固結階段是在吸力保持不變的條件下進行固結，在試驗中分別取凈圍壓50、100、200 kPa；在剪切破壞階段，最大軸向應變控制在15%。

2 結果分析

2.1 應力-應變關系

基質吸力對非飽和土強度特性有重要影響[16]，直接影響非飽和土的強度特性。圖1給出了干密度為1.60 g/cm3的試樣在同一基質吸力ψ下，不同凈圍壓的偏應力(σ1-σ3)與軸向應變εa關系。圖中，ua為孔隙氣壓力。從圖1可知，在剪切的初始階段，偏應力隨著軸向應變的增大而迅速增大，發展到一定程度時，其偏應力趨于穩定；花崗巖殘積土的應力-應變曲線呈硬化型特性，為雙曲線型，只有在低圍壓(50 kPa)、高基質吸力(200 kPa)下呈現出應變軟化特性；土顆粒之間的連結強度在低圍壓時較低，顆粒較為松散，容易發生移動；土顆粒之間的連結強度在高圍壓時較高，相對較為密實，顆粒不易發生移動。因此，基質吸力相同時，隨著凈圍壓的增大，相同應變對應的偏應力也越大，土樣的強度也越大，且增大明顯。

圖1 不同基質吸力下土樣偏應力-軸向應變關系

圖2為2種干密度和基質吸力組合在不同凈圍壓下的偏應力(σ1-σ3)與軸向應變εa關系。對比相同基質吸力、不同干密度的應力-應變關系發現，干密度較小時(1.50 g/cm3)的應力-應變關系也呈硬化型，而在干密度較大時(1.65 g/cm3)出現應變軟化。凈圍壓相同時，干密度為1.50 g/cm3試樣在基質吸力為50 kPa時偏應力比干密度為1.65 g/cm3的飽和樣(基質吸力為0)的偏應力要大，這說明基質吸力使土樣中含水率減少，提高了土樣的強度。增大土樣中基質吸力有利于提高土體的強度，體現了基質吸力對非飽和土強度的貢獻度。基質吸力相同時，對比不同干密度的應力-應變關系發現，干密度越大，強度也相應越大。

圖2 不同干密度下土樣偏應力-軸向應變關系

圖3是干密度為1.60 g/cm3的試樣，在不同基質吸力下的偏應力(σ1-σ3)與軸向應變εa關系。從圖3可知，在低圍壓(50 kPa)時，隨著基質吸力的增大，試樣破壞特性有從硬化型向軟化型過渡的趨勢，因此基質吸力對土樣的破壞形式有較大的影響。凈圍壓相同時，土樣產生相同應變對應的偏應力隨著基質吸力的增大而增大，且其強度明顯提高，反映出非飽和土的應力-應變關系受基質吸力影響較大。

2.2 抗剪強度特性

通過控制基質吸力三軸剪切試驗可知，基質吸力對非飽和花崗巖殘積土的強度特性有顯著影響。Fredlund強度公式是非飽和土抗剪強度理論的經典公式，以Mohr-Coulomb準則為基礎，引入了土壤學中基質吸力的概念，其雙應力變量非飽和土抗剪強度τ表達式為[17]

τ=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

式中，(σ-ua)為凈豎向應力；(ua-uw)為基質吸力；uw為孔隙水壓力；c′為有效粘聚力；φ′為有效內摩擦角；φb為與基質吸力相關的摩擦角，反映抗剪強度隨基質吸力而增加的速率。

圖3 不同凈圍壓下土樣偏應力-軸向應變關系

土體的應力-應變關系呈硬化型時，采用軸向應變為15%時對應的最大主應力差值作為強度取值標準；呈應變軟化型時，出現主應力差峰值，則取峰值。各組試樣整理結果見表2，從表2可知，干密度對非飽和土的強度指標影響較大，隨著干密度的增大而強度增加；非飽和花崗巖殘積土的粘聚力c′的增長與基質吸力的增長基本呈線性增長關系；而該類土的內摩擦角φ′隨基質吸力的變化較小，基本可以視為常數。文獻[18-19]在進行非飽和土強度試驗時也獲得了同樣的結果。基質吸力的增加使非飽和土的抗剪強度增加，其對抗剪強度指標的影響主要是提高了土的粘聚力。

圖4為粘聚力與基質吸力關系。從圖4可知，干密度為1.60 g/cm3時，非飽和土抗剪強度參數φb=36.1°，tanφb表示為抗剪強度隨基質吸力的變化速率，φb越大，說明花崗巖殘積土強度受基質吸力的影響很大。正是由于吸力的存在，使非飽和土體的結構力增強，強度增加。降雨入滲使土中含水量增加，導致基質吸力喪失，從而使抗剪強度快速降低，促進崩崗侵蝕的發育。這可用來解釋花崗巖殘積土在干燥時具有很高的強度，而在雨季，由于降雨入滲導致粘聚力快速下降，強度降低，從而加快了水土流失。