非飽和絹云母片巖殘積土一維壓縮變形規(guī)律

劉 歡, 張慶文, 連曉蘭, 朱孟龍, 聶廣影

(1.云南省建筑工程設(shè)計(jì)院有限公司， 昆明 650501； 2.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院， 昆明 650224；3.云南建投中航建設(shè)有限公司， 昆明 650217)

近年來，在實(shí)際工程中遇到的非飽和土問題急劇增加，土的壓縮性是工程建設(shè)中非常重要的參數(shù)。為研究非飽和土的壓縮性，中外學(xué)者開展了大量研究。Lalicata等[1]通過離心試驗(yàn)，采用兩種不同的孔隙率對(duì)試樣進(jìn)行壓縮，研究了密度對(duì)試樣壓縮性能的影響，發(fā)現(xiàn)部分飽和總是影響系統(tǒng)的剛度和阻力響應(yīng)。 Mun等[2]通過排水固結(jié)試驗(yàn)。對(duì)高應(yīng)力下非飽和壓實(shí)黏土的壓縮特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在不排水荷載作用下，壓實(shí)黏土的硬度要大得多；梁文鵬等[3]分析了土水特征曲線產(chǎn)生滯回效應(yīng)的微觀機(jī)理，將體積含水量引入抗剪強(qiáng)度增量公式，提出了非飽和土的強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式。李濤等[4]對(duì)非飽和重塑和結(jié)構(gòu)性黃土側(cè)限壓縮和濕陷試驗(yàn)開展了三維離散元模擬分析，發(fā)現(xiàn)離散元模擬能夠再現(xiàn)其主要力學(xué)性質(zhì)；吳宏偉等[5]通過一維壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)上海黏土可以被歸類為由低到中等次壓縮性土體；Sridharan等[6]通過壓縮試驗(yàn)得到了在一維壓縮的情況下，非飽和黏性土的應(yīng)力-應(yīng)變的雙曲線模型；梁為民等[7]研究加濕壓縮條件下非飽和土的變形特征，試驗(yàn)結(jié)果表明，在荷載作用下，非飽和土的濕化壓縮與初始含水量、濕化時(shí)間、滲流值和滲流點(diǎn)有著密切的關(guān)系。

隨著工程技術(shù)的發(fā)展及新型工業(yè)要求，軟巖及殘積土的利用逐漸引起中外學(xué)者的廣泛關(guān)注。軟巖及其殘積土的就地利用不僅能降低工程成本，還能解決工程材料缺乏的難題，滿足保護(hù)生態(tài)環(huán)境的要求。

云南大臨鐵路存在大量的絹云母片巖及絹云母片巖殘積土，主要由變晶石英、白云母及少數(shù)白云石、高嶺石、綠泥石等組成，對(duì)于這類軟巖遇水后其物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生明顯變化，產(chǎn)生的軟化反應(yīng)對(duì)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有著重要影響。絹云母片巖屬于變質(zhì)軟巖，其變形具有突發(fā)性、持續(xù)性、隨機(jī)性和不可預(yù)見性等特點(diǎn)，易受水影響，遇水軟化疏松，其承載能力喪失或部分喪失；其殘積土具有與相似的性質(zhì)，在外界條件下，容易發(fā)生濕化破壞，力學(xué)性質(zhì)受水影響明顯，因此有必要開展其在非飽和狀態(tài)下的力學(xué)性能的研究。

中外學(xué)者針對(duì)絹云母片巖開展了大量研究。秦尚林等[8]采用三軸試驗(yàn)機(jī)，對(duì)絹云母片巖進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其體積應(yīng)變均以剪縮為主，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)兩種狀態(tài)，圍壓高時(shí)為應(yīng)變硬化型，圍壓低時(shí)為應(yīng)變微軟化型；張晶等[9]針對(duì)谷竹高速的絹云母片巖進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨分形維數(shù)的增大，承載能力比和回彈模量都先增大后減小。朱紅亮等[10]采用絹云母片巖粗粒料，通過控制其密度及干、濕條件，進(jìn)行了大型三軸試驗(yàn)，得到了反映粗粒料濕化變形發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)公式；Liu等[11]對(duì)絹云母片巖石英片進(jìn)行了不同條件下的沖擊試驗(yàn)，總結(jié)了圍壓和應(yīng)變速率對(duì)動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和破壞模式的影響；Yang等[12]采用改進(jìn)的大型三軸儀對(duì)絹云母片巖粗集料進(jìn)行了三軸試驗(yàn)，并對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明，絹云母片巖粗集料聲發(fā)射信號(hào)可以反映絹云母片巖在不同圍壓下的狀態(tài)變化。

目前，前人對(duì)絹云母片巖殘積土的研究主要集中在絹云母片巖殘積土處于飽和狀態(tài)下的變形及性質(zhì)研究，而采用非飽和土力學(xué)試驗(yàn)方法分析其的強(qiáng)度和變形的研究鮮有報(bào)道。因此，有必要開展絹云母片巖殘積土在非飽和狀態(tài)下的強(qiáng)度和體變特性研究。為此，以云南大臨鐵路的絹云母片巖殘積土為研究對(duì)象，進(jìn)行不同干密度下控制基質(zhì)吸力和凈豎向壓力的一維壓縮試驗(yàn)，對(duì)其一維壓縮變形規(guī)律進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)材料方案

1.1 試驗(yàn)土樣及物理力學(xué)參數(shù)

試驗(yàn)材料取自云南大臨鐵路的絹云母片巖殘積土，呈灰色，屬于下古生界瀾滄群絹云片巖、絹云石英片巖夾炭質(zhì)絹云片巖帶，受構(gòu)造和風(fēng)化的影響，巖石破碎嚴(yán)重，風(fēng)化程度較高，形成大量的殘積土。通過X射線衍射分析，發(fā)現(xiàn)主要由粒徑≤0.6 mm的粒狀變晶石英、白云母及少數(shù)白云石、高嶺石和綠泥石等組成。通過電鏡掃描分析，發(fā)現(xiàn)石英已完全重結(jié)晶，呈他形粒狀，具波狀消光，顆粒之間彼此鑲嵌，片狀變晶狀白云母、綠泥石斷續(xù)-連續(xù)定向排列構(gòu)成片狀構(gòu)造，其他粒礦物不均勻分布于石英粒間，如圖1所示。按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[13]對(duì)其進(jìn)行基本物理性能試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

圖1 絹云母片巖殘積土掃描電子顯微鏡圖像Fig.1 Scanning electron microscope image of sericite schist residual soil

表1 絹云母片巖殘積土的基本物理參數(shù)

1.2 土水特征曲線

非飽和土中基質(zhì)吸力的存在是研究非飽和土工程性質(zhì)極其重要的部分，因此進(jìn)行壓縮試驗(yàn)前，先通過濾紙法測(cè)定了非飽和絹云母片巖殘積土的基質(zhì)吸力，得到了干密度為1.95 g/cm3和2.10 g/cm3的土水特征曲線，如圖2所示。同時(shí)利用Gardner(GD)模型[14]和Van Genuchten(VG)模型[15]對(duì)其進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如表2所示。由表2可知，2種模型對(duì)其擬合效果都比較好，但相對(duì)而言，四參數(shù)的Van VG模型對(duì)其擬合精度更高。

表2 數(shù)學(xué)模型擬合結(jié)果

A、B、C、D、E為曲線特殊階段點(diǎn)的劃分

圖2為非飽和絹云母片巖殘積土在不同干密度下的土水特征曲線。由圖2可知，基質(zhì)吸力的大小隨著含水率的增大而逐漸減小，在含水率為18%時(shí)，基質(zhì)吸力趨近于0。發(fā)現(xiàn)絹云母片巖的土水特征曲線呈現(xiàn)非典型“S”形，典型的土水特征曲線可分為邊界效應(yīng)段、過渡段和非飽和殘余段，而絹云母片巖殘積土的土水特征曲線具有明顯的邊界效應(yīng)段(即AB段)，其過渡段(BC段)的變化非常明顯，變化范圍含水率為6% ～14%，其非飽和殘余段特點(diǎn)直至含水率為5%(即D點(diǎn))開始出現(xiàn)，整體對(duì)比而言，非飽和殘余段的變化不明顯。土水特征曲線出現(xiàn)這種變化的原因與土體結(jié)構(gòu)本身有關(guān)，絹云母片巖主體為片狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)達(dá)到其進(jìn)氣值以后，其內(nèi)部孔隙通道迅速發(fā)展，會(huì)連貫成較為順暢的水汽運(yùn)移通道，內(nèi)部水汽運(yùn)移變化較大。

1.3 k0壓縮試驗(yàn)

利用FGJ-20非飽和四聯(lián)固結(jié)儀開展控制側(cè)向位移的壓縮試驗(yàn)，又稱k0壓縮試驗(yàn)(即無側(cè)限壓縮變形)。傳統(tǒng)土力學(xué)通常用孔隙比的變化作為飽和土的變形狀態(tài)變量，其本構(gòu)方程

dεv=mvd(σ-uw) (1)

對(duì)于非飽和土來說，其本構(gòu)方程為

Barden[16]對(duì)k0加荷條件下土結(jié)構(gòu)本構(gòu)面的唯一性進(jìn)行了研究，提出了在k0加荷條件下，土的結(jié)構(gòu)方程為

對(duì)于非飽和土來說，在k0加荷下其變形與基質(zhì)吸力及凈法向應(yīng)力均有關(guān)系，針對(duì)絹云母片巖殘積土進(jìn)行了控制基質(zhì)吸力和凈豎向應(yīng)力的試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 k0壓縮試驗(yàn)方案

試驗(yàn)控制土樣含水率10%，控制干密度為1.95 g/cm3和2.10 g/cm3。制樣時(shí)，依據(jù)干密度稱取相對(duì)應(yīng)質(zhì)量的土體，利用靜力壓實(shí)將土樣壓實(shí)成型，制成高6.18 cm×2 cm的土樣，將土樣進(jìn)行抽氣飽和。兩組試驗(yàn)制樣方法完全相同，進(jìn)行控制凈豎向應(yīng)力下的壓縮試驗(yàn)時(shí)，先施加一定的豎向力，待試樣變形穩(wěn)定后，逐級(jí)施加基質(zhì)吸力；控制基質(zhì)吸力的壓縮試驗(yàn)，在施加豎向應(yīng)力前，先施加一定的氣壓，待其變形穩(wěn)定后，再逐級(jí)施加豎向壓力。此次試驗(yàn)變形穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為：連續(xù)2 h內(nèi)試樣排水量和壓縮變形量分別小于0.01 cm3和0.01 mm[17]。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

土的體積-質(zhì)量特性也可以用來表示非飽和土的本構(gòu)方程。通常用孔隙比(e)的變化作為飽和土的變形狀態(tài)變量，其本構(gòu)方程為

de=avd(σ-uw) (4)

對(duì)于非飽和土來說，在三維加荷條件下，其孔隙比變化de可表示為

de=atd(σmean-ua)+amd(ua-uw) (5)

2.1 控制凈豎向應(yīng)力的壓縮試驗(yàn)

不同干密度及凈豎向壓力下，非飽和絹云母片巖殘積土的孔隙比和基質(zhì)吸力的關(guān)系如圖3所示。

圖3 控制凈豎向壓力的壓縮曲線Fig.3 The compression curve of controlling net vertical pressure

從圖3可以看出，孔隙比e隨著基質(zhì)吸力s的逐漸增加而增加，說明絹云母片巖殘積土屬于亞穩(wěn)定型，基質(zhì)吸力的逐漸減少可以導(dǎo)致土結(jié)構(gòu)的破壞。相同凈豎向壓力下，在基質(zhì)吸力小于100 kPa時(shí)，孔隙變化發(fā)展較快，此時(shí)土體處于飽和狀態(tài)，土體內(nèi)部充滿水，氣體進(jìn)入導(dǎo)致土體內(nèi)部開始排水，內(nèi)部孔隙發(fā)展。凈豎向壓力為100～200 kPa時(shí)，土體內(nèi)部處于孔隙和液體都存在的狀態(tài)，此時(shí)孔隙發(fā)展速度開始減慢，內(nèi)部孔隙繼續(xù)增大，增大速度較之前略緩；凈豎向壓力高于200 kPa以后，基質(zhì)吸力的繼續(xù)增大，孔隙比變化很小，即基質(zhì)吸力的增大對(duì)試樣收縮的影響很小，此時(shí)的基質(zhì)吸力稱為屈服吸力ss，即絹云母片巖殘積土的屈服吸力為200 kPa。當(dāng)基質(zhì)吸力相同時(shí)，孔隙比隨著凈豎向壓力的增加而減少，而隨著凈豎向壓力的增大，孔隙變化率逐漸增大。凈豎向壓力為0時(shí)，土體收縮主要由基質(zhì)吸力引起，此時(shí)孔隙比迅速變化直至到達(dá)縮限吸力；在凈豎向壓力為100 kPa時(shí)，整體變化與凈豎向壓力為0時(shí)類似，但變化斜率略大于前者；凈豎向壓力為200 kPa時(shí)，孔隙比出現(xiàn)了較為明顯的降低，此時(shí)達(dá)到了土體的屈服點(diǎn)，曲線斜率增加；而當(dāng)凈豎向壓力為400 kPa時(shí)，此時(shí)的凈豎向壓力超過了絹云母片巖殘積土的屈服吸力，孔隙比變化斜率較前三者更大，孔隙比持續(xù)增大，即使達(dá)到了土體的屈服吸力，孔隙比繼續(xù)增大，說明此時(shí)土體變形主要是由凈豎向壓力所引起的。

從圖3可以看出，不同凈豎向應(yīng)力下的收縮曲線變化規(guī)律類似，曲線可以大致看成由兩直線構(gòu)成，Alonso等[18-19]曾提出可以將兩直線交點(diǎn)處的吸力看作屈服吸力，從圖3可以看出，試驗(yàn)段絹云母片巖殘積土的屈服吸力約為200 kPa，這一值在凈豎向應(yīng)力及干密度增大時(shí)，變化不大。

2.2 控制基質(zhì)吸力的壓縮試驗(yàn)

控制基質(zhì)吸力的壓縮試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。章峻豪等[20]提出切線壓縮系數(shù)的概念，得到孔隙比變化量隨凈豎向應(yīng)力的關(guān)系式為

圖4 控制基質(zhì)吸力的壓縮試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Compression test results for controlling the suction of the substrate

at=?Δe/?p(6)

式中：at為切線壓縮系數(shù)；Δe為一維壓縮過程中孔隙比的變化量，Δe=ei-e，ei為初始孔隙比，e為某一凈豎向應(yīng)力下穩(wěn)定后的孔隙比；p為凈豎向壓力，p=σ-ua；ai為初始?jí)嚎s系數(shù)；r為試驗(yàn)結(jié)束切線壓縮系數(shù)與初始切線壓縮系數(shù)的比值(簡稱“壓縮系數(shù)比”)，r=at/ai；β為壓縮系數(shù)衰減指標(biāo)。

圖4(a)、圖4(b)為絹云母片巖殘積土不同干密度下的e-p曲線，從圖4中可以看出，在干密度相同時(shí)，隨著凈豎向壓力的增大，孔隙比的變化降低，基質(zhì)吸力不同的情況下e-p曲線有著較明顯的區(qū)別，說明絹云母片巖殘積土的壓縮性受基質(zhì)吸力影響較大。OA段變化較為平緩，此時(shí)孔隙比的變化較小，主要原因是初始施加的豎向壓力較小，未到達(dá)土體的屈服強(qiáng)度，對(duì)土體變形產(chǎn)生的影響較小。隨著基質(zhì)吸力的增大，平緩段的變化趨勢(shì)開始逐漸變緩，說明基質(zhì)吸力的存在能提高非飽和絹云母片巖殘積土的抗壓性。在基質(zhì)吸力為0時(shí)，e-p曲線平緩段的較其他情況而言平緩，主要是因?yàn)榇藭r(shí)土體處于飽和狀態(tài)，土體內(nèi)部充滿水，其壓縮變形的發(fā)展跟水的滲流有關(guān)，因而發(fā)展較為穩(wěn)定；而對(duì)于非飽和土來說，當(dāng)達(dá)到其屈服強(qiáng)度后，原有的土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)快速破壞，壓縮變形速度就較快。到達(dá)A點(diǎn)以后，孔隙比變化開始加劇，整個(gè)趨勢(shì)開始陡峭，主要是因?yàn)榻佋颇钙瑤r殘積土多為片狀結(jié)構(gòu)，在到達(dá)屈服強(qiáng)度后，很容易破碎，造成內(nèi)部土顆粒的重組，整個(gè)變化過程孔隙變發(fā)展變化較大。而在B點(diǎn)之后，曲線變化趨勢(shì)開始上揚(yáng)，孔隙變化開始減慢，主要是因?yàn)樵贑點(diǎn)之后，土顆粒之間，在高壓狀態(tài)下，絹云母片巖殘積土結(jié)構(gòu)性的破壞、重塑過程趨于穩(wěn)定，土體抗壓性增強(qiáng)。但是基質(zhì)吸力為0時(shí)，其壓縮變形發(fā)展依然較快，總量較大，而同樣的干密度下，基質(zhì)吸力越大，發(fā)展較慢，變形總量較小，原因在于非飽和土樣內(nèi)部存在結(jié)構(gòu)收縮膜，它的存在對(duì)土體的抗壓性有著一定的加強(qiáng)，其大小隨著基質(zhì)吸力變化，說明絹云母片巖殘積土在受到豎向荷載加壓時(shí)，基質(zhì)吸力是影響其壓縮變形的一個(gè)重要參數(shù)。

圖4(a)、圖4(b)分別為兩種干密度試驗(yàn)土樣的孔隙比變化曲線，干密度為2.10 g/cm3的壓縮曲線整體的變化趨勢(shì)較1.95 g/cm3較為緩和，說明干密度的提高能增強(qiáng)土的抗壓性。點(diǎn)A的屈服值在干密度為2.10 g/cm3時(shí)為200 kPa，干密度為1.90 g/cm3時(shí)為100 kPa，干密度較小時(shí)，在較低的豎向壓力下進(jìn)入快速變形狀態(tài)。伴隨著凈豎向壓力的增加，其尾部部分開始上揚(yáng)，干密度為1.95 g/cm3時(shí)，當(dāng)凈豎向壓力值達(dá)到1 000 kPa時(shí)開始出現(xiàn)，而干密度為2.10 g/cm3時(shí)則在800 kPa出現(xiàn)，說明干密度較小時(shí)，其重塑變形過程需要更長的時(shí)間。

圖4(c)、圖4(d)為切線壓縮系數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)切線壓縮系數(shù)隨著凈豎向壓力的增大呈指數(shù)衰減，發(fā)現(xiàn)切線壓縮系數(shù)的變化趨勢(shì)從一開始的急劇下降到后面的趨于穩(wěn)定，基質(zhì)吸力越大，其陡峭段的斜率越小，而隨著凈豎向壓力的增大，切線壓縮系數(shù)的變化開始趨于一致，主要是因?yàn)殡S著凈豎向壓力的增大，土體內(nèi)部完成重塑變形，內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。利用式(6)對(duì)其進(jìn)行擬合，擬合效果較好，擬合β值則反映了衰減速度快慢，β越大衰減越快。可以發(fā)現(xiàn)基質(zhì)吸力為0時(shí)，衰減速度最快，而基質(zhì)吸力為200 kPa時(shí)，衰減速度最慢，這與之前的研究結(jié)果是對(duì)應(yīng)的。

圖4(e)、圖4(f)為孔隙比變化率隨凈豎向壓力的變化關(guān)系圖，可以看出，Δe隨著凈豎向壓力的增大而增大，但非線性增大。基質(zhì)吸力和干密度越大，Δe越小，在基質(zhì)吸力為0時(shí)，Δe-p曲線近似呈線性，整個(gè)過程孔隙變化增大較快，說明干密度與基質(zhì)吸力的提高可以增強(qiáng)對(duì)絹云母片巖殘積土抗壓性。綜上，可以看出在不同的干密度和吸力下，絹云母片巖殘積土的壓縮性受到的影響較大。因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)充分考慮這些因素。

3 結(jié)論

(1)絹云母片巖殘積土的土水特征曲線呈現(xiàn)非典型“S”形，由于其內(nèi)部片狀結(jié)構(gòu)，水汽遷移與典型非飽和土有明顯區(qū)別，過渡段比較明顯，非飽和殘余段不太明顯；整體基質(zhì)吸力隨著含水率的上升而減小，直至含水率為18%時(shí)，基質(zhì)吸力趨近于0，土體趨于飽和。

(2)絹云母片巖殘積土屬于亞穩(wěn)定型土，非飽和工程性質(zhì)明顯，基質(zhì)吸力的存在對(duì)其結(jié)構(gòu)十分重要。在凈豎向壓力相同時(shí)，孔隙比隨著基質(zhì)吸力的增大而增大，得到其屈服吸力為200 kPa，當(dāng)施加的凈豎向應(yīng)力大于200 kPa時(shí)，產(chǎn)生的變形主要是由凈豎向應(yīng)力引起。

(3)相同基質(zhì)吸力下，試驗(yàn)段絹云母片巖殘積土的孔隙比隨著凈豎向壓力的增大而逐漸減小，其切線壓縮系數(shù)隨基質(zhì)吸力的增大呈指數(shù)衰減，且干密度較大時(shí)，孔隙比的變化更小，說明基質(zhì)吸力和干密度的提高能明顯提高絹云母片巖的抗壓性。