排水條件對粗粒土強度和變形影響的試驗研究

杜 俊，楊新昭，張 龍，張梅金，撒召全

（昆明學院 建筑工程學院，昆明 650214）

粗粒土是指粒徑小于0.075mm、土的質量不大于總質量12%的粗粒組和巨粒組土的總稱［1］。由于粗粒土均勻性差、孔隙較大、抗壓縮性能好，故其具有良好的滲透性和承載能力， 通常被作為回填土料使用在水利筑壩與山區道路路基回填等工程領域。 雖然粗粒土廣泛應用在高填方工程中， 但其在極端環境影響下也會產生滑坡失穩危害， 回填邊坡穩定性成為制約工程建設與運營安全的關鍵因素。

具有典型散體結構特征的粗粒土， 其力學響應特性和抗剪強度指標是客觀分析與評價回填邊坡穩定性的重要依據。 粗粒土在荷載作用下易產生顆粒破碎［2］，其粒度組成 具有寬級配特征［3］，受 土樣相對密度的影響剪切變形會產生應變硬化和應變軟化［4］兩類應力應變關系。同時，由于顆粒介質的強烈作用伴隨有土體的剪縮和剪脹變化［5］。 受母巖性質的影響， 富含黏土類礦物的粗粒土浸水作用下常發生顯著的濕化變形［6］。 粗細顆粒占比不同，粗粒土呈現出不同的骨架結構特征，隨粗顆粒的增多，土骨架逐漸由塊石懸浮向塊石嵌合及塊石架空結構演變［7，8］；與此同時，土體的孔隙逐漸增多，滲透性也增強。 為獲取粗粒土強度指標， 通常需要開展原位試驗和室內試驗，原位試驗多為水平推剪［9］，室內試驗按照不同的儀器分為直剪和三軸試驗［10］。 雖然原位試驗更接近現場實際， 能夠反映真實土體的級配特征和天然密度狀態，但受限于試驗條件，試驗精度和變量因素控制較不理想。

室內試驗中三軸試驗比直剪試驗能夠更好的控制排水條件， 且土樣應力狀態更加符合實際的受力特征［11］，因此，粗粒土三軸壓縮試驗得到了更為廣泛的使用。 盡管已有研究圍繞粗粒土力學響應機制開展了深入分析，取得了豐碩的研究成果，但多集中在單一試驗條件下， 并且就排水條件對土體強度和變形影響的對比研究相對較少，而土體固結完成后，經降雨入滲， 土體的排水條件顯然對其力學特性有十分重要的影響。 為此， 本文基于粗粒土三軸壓縮試驗，分別開展固結排水（CD）和固結不排水（CU）剪切試驗，探究土體的力學響應機理，對分析回填邊坡穩定性有重要的科學意義和實踐價值。

1 試驗方案設計與實現

1.1 試驗儀器

本次試驗采用昆明學院巖土工程實驗中心的DJSZ-150型粗粒土動靜三軸壓縮試驗機， 該儀器可完成尺寸φ300mm×600mm土樣的動靜加載， 并能實現不同應力路徑條件，包含了軸向加載系統、圍壓加載系統、體變量測系統、孔隙測量系統，以及加載伺服控制系統。試驗機可提供最大圍壓3.0MPa，靜態加載0～1500kN，體變量測0～8000mL，孔隙水壓力量測精度0.1%F·S，試驗數據計算機自動采集。

1.2 試驗材料

試驗材料選自云南省臨滄大橋坡水庫筑壩堆石料，該土料為一種人工爆破和加工的碎石散體，母巖為弱風化花崗巖， 巖石平均飽和單軸抗壓強度50MPa，軟化系數0.79，比重2.70，天然含水率2.6%，天然密度2.12g/cm3。

為滿足室內三軸試驗裝料需要， 按照GB/T50123—2019《土工試驗方法標準》對現場測定的原型級配依據等量替代法縮尺處理， 縮尺前后土體顆粒級配累積曲線如圖1。

圖1 試驗土料縮尺前后顆粒級配累積曲線

1.3 試驗方案

依據土體天然含水量和天然容重稱取對應縮尺級配粒組的土顆粒質量，分5層裝入試驗筒內，并擊實至土體天然密度狀態， 通過抽真空與水頭飽和法飽和土樣， 待飽和土樣制備完成后， 分別施加圍壓0.2，0.4，0.6，0.8MPa，當土樣固結完成后，分別進行排水與不排水剪切試驗（控制排水閥門打開或關閉），土樣軸向應變達到15%視其剪切破壞，終止試驗。 試驗操作嚴格按照T/CHES29—2019《粗粒土試驗規程》執行。

2 試驗結果分析

2.1 應力應變分析

固結排水（CD）剪切與固結不排水（CU）剪切試驗土樣偏差應力-軸向應變曲線如圖2。

分析圖2可知：兩種不同排水剪切條件下，土體應力應變曲線均呈現硬化特征， 即隨著軸向應變的持續發展，偏差應力未見明顯的峰值；當軸向應變小于6%時，土體中的剪應力隨軸向應變增加而顯著增大，當軸向應變大于6%時，土體的剪應力隨軸向應變增加變化緩慢。隨著試驗圍壓的增大，土體應變硬化特征逐漸顯著， 且土體達到剪切破壞時的偏差應力也逐漸增大。 其中，圍壓由0.2MPa增大至0.8MPa，固結排水剪切土體最大剪應力為1082，1728，2375，3051kPa；固結不排水剪切土體最大剪應力為683，1392，1951，2633kPa； 兩類試驗土體最大剪應力分別相差58.41%，24.13%，21.73%，15.87%，由此可見，隨圍壓增大， 由排水條件引起的土樣破壞時最大剪應力差值逐漸減小， 即增大圍壓可抑制排水條件對土體強度的影響。

圖2 CD與CU試驗土樣偏差應力-軸向應變曲線

2.2 孔隙水壓變化特征

固結不排水（CU）剪切試驗土體的孔隙水壓力與軸向應變關系曲線如圖3。

圖3 CU試驗孔隙水壓力-軸向應變關系曲線

分析圖3可知，不同圍壓條件下，剪切過程中土體孔隙水壓力隨軸向應變的持續增加均表現為先增大后趨于平緩且略有減小的趨勢， 當軸向應變達到2%時，靜孔隙水壓出現最大值，分別是294，578，925，1181kPa，也即圍壓愈大，孔隙水壓力也愈大；當軸向應變超過2%，孔隙水壓基本不變或出現較小幅度的減小。 其原因是，固結不排水試驗中排水閥門關閉，隨軸向荷載的持續增加，土體孔隙水未被排出，總應力荷載分別由土骨架與孔隙水共同承擔， 剪切變形初期，荷載迅速施加，由于孔隙水是不可壓縮流體且不具備外排條件，孔隙水壓力顯著增大，孔隙水是加載初期主要的受荷對象。隨著荷載的持續增加，土顆粒擠壓咬合緊密，顆粒間產生相對的旋轉、翻滾，土體將獲得一定的剪切變形空間， 此時孔隙水將沿剪切變形的方向呈現流動，但由于這類剪切變形有限，則孔隙水壓力略有下降且基本保持穩定， 該現象一直持續到土樣剪切破壞， 也即當土樣軸向應變超過2%，飽和土體主要受荷的對象為土骨架。

2.3 體積應變變化特征

固結排水剪切（CD）試驗土體的體積應變與軸向應變關系曲線如圖4。 規定圖4中剪縮為正，剪脹為負。

圖4 CD試驗體積應變-軸向應變關系曲線

分析圖4可知，不同圍壓條件下，固結排水剪切試樣均呈現出先剪縮后剪脹的變化特征， 圍壓由0.2MPa增大至0.8MPa， 土樣由剪縮向剪脹變化對應的軸向應變分別為：2.91%，4.54%，5.94%，6.59%。 由此可見， 土樣發生相變時的軸向應變隨圍壓增加而增大，其原因是低圍壓條件下，土樣側向應力限制相對較小， 土顆粒在剪切變形中更容易產生旋轉、翻滾，獲得更多的剪切變形空間，從而較早出現剪脹；高圍壓條件下， 較大圍壓有效抑制了塊石顆粒間的強烈運動，由于應力集中，顆粒將先呈現擠壓破碎，細小顆粒進一步填充于塊石顆粒之間， 使得土樣更為密實，隨軸向荷載的持續增加，剪切帶內的塊石為獲取更多的剪切變形能，將產生沿塊石界面的翻滾，從而出現剪脹，但相比低圍壓條件下的土樣，其剪脹相變點相對滯后。

2.4 強度特性

土體剪切破壞時， 其剪切面上的正應力與剪應力滿足莫爾-庫侖準則，分別繪制不同圍壓條件下固結排水試驗和固結不排水試驗土樣的應力莫爾圓，采用線性強度準則得到土體抗剪強度包線如圖5。

圖5 不同排水條件下土體的抗剪強度包線

分析圖5 可知， 固結排水剪切土樣黏聚力45.3kPa，內摩擦角31.3°；固結不排水剪切試驗土樣黏聚力34.3kPa，內摩擦角30.8°。 對比可知，固結排水剪切土樣抗剪強度指標均大于固結不排水剪切土樣，排水條件對土樣抗剪強度影響顯著。這是由于土樣剪切變形時孔隙水迅速排出， 土體總應力荷載由土骨架全部承擔，顆粒之間的咬合力增大，從而其摩擦特性增強； 而不排水條件下土樣總應力荷載分別由土骨架與孔隙水共同承擔，土骨架有效應力減小，顆粒間相互擠壓、咬合作用減弱，其摩擦特性相對較弱。 因此， 為獲取反映工程實際的土體抗剪強度指標，需要結合工況條件設計對應試驗研究，嚴格控制排水條件，反映工程土體不同的力學響應特征。

3 結語

（1）排水條件是影響土體強度特性的關鍵因素，固結排水剪切土樣破壞的最大剪應力均大于固結不排水剪切土樣， 但最大剪應力差值隨圍壓的增大而逐漸減小。

（2）固結不排水剪切初期土樣孔隙水壓力迅速增大至峰值，隨著軸向應變的持續發展，孔隙水壓力保持相對的穩定且略有下降。

（3）固結排水剪切土樣均呈現出先剪縮后剪脹的特征，且隨圍壓的增大，各土樣剪脹相變點相對滯后出現。 剪切破壞土樣表征出低圍壓剪脹和高圍壓剪縮現象。

（4）排水條件對土體黏聚力影響顯著，而內摩擦角變化不大。為獲取真實的土體抗剪強度指標，需嚴格控制土體排水條件，以符合工況實際。