崩崗侵蝕區(qū)非飽和花崗巖殘積土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

羅小艷，扶名福

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

0 引 言

崩崗是華南地區(qū)土壤侵蝕嚴(yán)重的類型，導(dǎo)致嚴(yán)重的水土流失。贛南山區(qū)是崩崗侵蝕的重災(zāi)區(qū)，該區(qū)域分布大量的花崗巖殘積土，細(xì)粒含量較多，結(jié)構(gòu)疏松，裂隙發(fā)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(fā)育，物理力學(xué)性質(zhì)受水的影響顯著，遇水后力學(xué)強(qiáng)度急劇降低，易發(fā)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(qū)土體的物理性質(zhì)、抗剪強(qiáng)度等進(jìn)行了研究，并取得了一定的成果。大量研究表明，基質(zhì)吸力對各類土的強(qiáng)度等特性具有較大的影響[8-10]。當(dāng)前，關(guān)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(jié)構(gòu)性[13]、土水特征曲線[14]等研究，較少開展其非飽和土強(qiáng)度特性的試驗(yàn)工作。眾所周知，土中含水率受當(dāng)?shù)貧夂蛴绊懀涤耆霛B使土體含水率增加，導(dǎo)致土中的基質(zhì)吸力降低[15]，從而影響到土體的強(qiáng)度特性。崩崗侵蝕區(qū)的侵蝕防治、降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性分析等問題都涉及到非飽和土強(qiáng)度特性。因此，有必要深入開展非飽和花崗巖殘積土試驗(yàn)研究。

本文以崩崗侵蝕區(qū)的花崗巖殘積土為研究對象，采用非飽和三軸試驗(yàn)，對不同干密度、不同凈圍壓和不同基質(zhì)吸力下的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度特性進(jìn)行分析，探討各因素對其力學(xué)性質(zhì)的影響，以期加強(qiáng)對花崗巖殘積土強(qiáng)度特性的認(rèn)識(shí)，為崩崗侵蝕區(qū)治理提供參考。

1 試驗(yàn)土樣與方法

試驗(yàn)用土取自江西省贛州市于都縣金橋村附近的崩崗侵蝕區(qū)，在淺層地表以下0.5 m取土，土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)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(zhì)指標(biāo)

為探討干密度、凈圍壓和基質(zhì)吸力對花崗巖殘積土變形和強(qiáng)度特性的影響，采GDS儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的非飽和土三軸儀，進(jìn)行控制基質(zhì)吸力的非飽和土固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，基質(zhì)吸力平衡判別標(biāo)準(zhǔn)為連續(xù)24 h內(nèi)反壓體積的變化量小于50 mm3，試驗(yàn)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(jìn)行分層打樣，共分5層擊實(shí)，各層之間刮毛，使土層良好銜接，按設(shè)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(jìn)行抽氣真空飽和，即試樣初始狀態(tài)均為飽和樣。為研究基質(zhì)吸力和干密度對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度的影響，本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)制備3個(gè)干密度狀態(tài)，共6組：第1組土樣干密度為1.50 g/cm3，基質(zhì)吸力為50 kPa；4組土樣干密度為1.60 g/cm3，試驗(yàn)控制的基質(zhì)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(zhì)吸力對非飽和土強(qiáng)度特性的影響；第6組土樣干密度為1.65 g/cm3，基質(zhì)吸力為100 kPa。

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

2 結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

基質(zhì)吸力對非飽和土強(qiáng)度特性有重要影響[16]，直接影響非飽和土的強(qiáng)度特性。圖1給出了干密度為1.60 g/cm3的試樣在同一基質(zhì)吸力ψ下，不同凈圍壓的偏應(yīng)力(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變?chǔ)臿關(guān)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(yīng)力隨著軸向應(yīng)變的增大而迅速增大，發(fā)展到一定程度時(shí)，其偏應(yīng)力趨于穩(wěn)定；花崗巖殘積土的應(yīng)力-應(yīng)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(zhì)吸力(200 kPa)下呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化特性；土顆粒之間的連結(jié)強(qiáng)度在低圍壓時(shí)較低，顆粒較為松散，容易發(fā)生移動(dòng)；土顆粒之間的連結(jié)強(qiáng)度在高圍壓時(shí)較高，相對較為密實(shí)，顆粒不易發(fā)生移動(dòng)。因此，基質(zhì)吸力相同時(shí)，隨著凈圍壓的增大，相同應(yīng)變對應(yīng)的偏應(yīng)力也越大，土樣的強(qiáng)度也越大，且增大明顯。

圖1 不同基質(zhì)吸力下土樣偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系

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

圖2 不同干密度下土樣偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系

圖3是干密度為1.60 g/cm3的試樣，在不同基質(zhì)吸力下的偏應(yīng)力(σ1-σ3)與軸向應(yīng)變?chǔ)臿關(guān)系。從圖3可知，在低圍壓(50 kPa)時(shí)，隨著基質(zhì)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(zhì)吸力對土樣的破壞形式有較大的影響。凈圍壓相同時(shí)，土樣產(chǎn)生相同應(yīng)變對應(yīng)的偏應(yīng)力隨著基質(zhì)吸力的增大而增大，且其強(qiáng)度明顯提高，反映出非飽和土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系受基質(zhì)吸力影響較大。

2.2 抗剪強(qiáng)度特性

通過控制基質(zhì)吸力三軸剪切試驗(yàn)可知，基質(zhì)吸力對非飽和花崗巖殘積土的強(qiáng)度特性有顯著影響。Fredlund強(qiáng)度公式是非飽和土抗剪強(qiáng)度理論的經(jīng)典公式，以Mohr-Coulomb準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，引入了土壤學(xué)中基質(zhì)吸力的概念，其雙應(yīng)力變量非飽和土抗剪強(qiáng)度τ表達(dá)式為[17]

τ=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

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

圖3 不同凈圍壓下土樣偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系

土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈硬化型時(shí)，采用軸向應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)對應(yīng)的最大主應(yīng)力差值作為強(qiáng)度取值標(biāo)準(zhǔn)；呈應(yīng)變軟化型時(shí)，出現(xiàn)主應(yīng)力差峰值，則取峰值。各組試樣整理結(jié)果見表2，從表2可知，干密度對非飽和土的強(qiáng)度指標(biāo)影響較大，隨著干密度的增大而強(qiáng)度增加；非飽和花崗巖殘積土的粘聚力c′的增長與基質(zhì)吸力的增長基本呈線性增長關(guān)系；而該類土的內(nèi)摩擦角φ′隨基質(zhì)吸力的變化較小，基本可以視為常數(shù)。文獻(xiàn)[18-19]在進(jìn)行非飽和土強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)也獲得了同樣的結(jié)果。基質(zhì)吸力的增加使非飽和土的抗剪強(qiáng)度增加，其對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響主要是提高了土的粘聚力。

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

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

圖4 粘聚力與基質(zhì)吸力關(guān)系

3 結(jié) 語

本文基于控制基質(zhì)吸力的非飽和土三軸試驗(yàn)，對花崗巖殘積土變形和強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究，得出了以下結(jié)論：

(1)基質(zhì)吸力、凈圍壓和干密度對非飽和花崗巖殘積土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有較大影響。崩崗侵蝕區(qū)非飽和花崗巖殘積土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈應(yīng)變硬化型，在基質(zhì)吸力高、凈圍壓低時(shí)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象。

(2)土樣的強(qiáng)度隨凈圍壓和基質(zhì)吸力的增大而提高；干密度相同時(shí)，有效內(nèi)摩擦角隨基質(zhì)吸力的變化影響較小，幾乎可以視為常數(shù)，但對有效粘聚力影響大，且隨基質(zhì)吸力增大呈線性增長。

(3)崩崗侵蝕區(qū)的非飽和花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度受基質(zhì)吸力影響很大，干密度為1.60 g/cm3時(shí)，非飽和土抗剪強(qiáng)度參數(shù)φb=36.1°。降雨入滲使土中含水量增加，導(dǎo)致基質(zhì)吸力喪失，使抗剪強(qiáng)度快速降低，促進(jìn)崩崗侵蝕的發(fā)育，在雨季加快了水土流失。