深基坑模型試驗(yàn)中相似土配比及其微觀表征研究

沈 吳 欽,吳 昌 將,2,張 軍,毛 良 根,仲 棟 宇

(1.南通大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院,江蘇 南通 226019; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116; 3.江蘇中南建筑產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,江蘇 南通 226100; 4.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430063)

0 引 言

近年來,隨著城市高層超高層建筑、地下軌道交通以及重大交通樞紐等民用與市政設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)發(fā)展,深大基坑工程也隨之不斷涌現(xiàn)。通常,深大基坑的開挖會(huì)引起坑外土體的側(cè)移和沉降[1-2],造成鄰近建(構(gòu))筑物以及管線的變形,甚至?xí)l(fā)基坑失穩(wěn)坍塌的安全事故。因此,對(duì)于深基坑工程,尤其是軟土地區(qū)以及富水砂層地質(zhì)條件下,基坑本體的安全與周圍環(huán)境的保護(hù)尤為重要[3]。為了能夠全面深入地研究深基坑工程的變形性狀以及安全穩(wěn)定性,模型試驗(yàn)方法已成為巖土工程中驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果是否準(zhǔn)確的重要手段之一[4]。諸多學(xué)者開展了大量模型試驗(yàn),對(duì)各類深基坑工程中水土壓力[5-6]、地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形[7]、內(nèi)力發(fā)展規(guī)律[8]以及周圍環(huán)境的影響[9]等問題進(jìn)行了模擬研究,取得了非常好的效果。

對(duì)于巖土工程的模型試驗(yàn),相似材料的選取是關(guān)系到試驗(yàn)?zāi)芊駵?zhǔn)確反映實(shí)際工程問題的關(guān)鍵[10]。因此,很多學(xué)者針對(duì)相似材料的研制開展了研究,如周慧穎等[11]以石膏、重晶石粉、石英砂以及水作為配比材料,結(jié)合正交試驗(yàn),成功配制了玄武巖相似材料,與目標(biāo)巖體具有較高的吻合度;耿曉陽等[12]基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法,利用磁鐵礦精礦粉、石英砂、石膏、水泥等組成的混合物制作巖石相似材料,結(jié)果表明其能夠較好地模擬砂巖。以上研究成果為模型相似材料的研制提供了良好的經(jīng)驗(yàn)與思路,但主要適用于巖質(zhì)類模型試驗(yàn),應(yīng)用于土質(zhì)模型試驗(yàn)時(shí)則會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度過大、制備時(shí)間長(zhǎng),以及材料重度大等問題?？妶A冰等[13]基于正交試驗(yàn),以黏土、重晶石粉、粉細(xì)砂和膨潤(rùn)土為配比材料,并采用極差法分析了相似材料參數(shù)的各敏感性因素,成功配制了振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中的土質(zhì)相似材料,但配比材料中黏土的選擇具有地域性,使得試驗(yàn)的可重復(fù)性較差;楊何等[14]選取石英砂、河砂、粉煤灰、機(jī)油作為配比材料,基于三軸試驗(yàn),利用多元線性回歸分析法,得到了石砂比、砂膠比與相似土參數(shù)的函數(shù)關(guān)系,對(duì)土質(zhì)相似材料參數(shù)具有很好的預(yù)測(cè)性,但關(guān)于各因素對(duì)相似土參數(shù)的影響機(jī)理分析較少;竇遠(yuǎn)明等[15]基于正交試驗(yàn),以重晶石粉、石英砂、石膏、洗衣液、膨潤(rùn)土和水為配比材料,采用極差法和方差法分析了各因素的敏感性和顯著性,成功配制了模型試驗(yàn)中的軟弱土質(zhì)相似材料,所研制相似材料重制性好、穩(wěn)定,但配比材料中石膏遇水易團(tuán)聚、硬化,其和易性相對(duì)較差。此外,以上研究成果中關(guān)于相似土的壓縮模量參數(shù)均與目標(biāo)值差距較大。

針對(duì)模型試驗(yàn)中土質(zhì)相似材料配制可重復(fù)性差、各因素的影響機(jī)理不明等問題,本文依托南通市地鐵1號(hào)線的某深基坑工程,以富水砂層地質(zhì)條件為基礎(chǔ),基于正交試驗(yàn),選取粉細(xì)砂、重晶石粉、洗衣液、膨潤(rùn)土、水等常規(guī)材料作為配比材料,開展相似土材料的配比試驗(yàn),研制了一種適用于砂性或黏性土質(zhì)的相似土材料。同時(shí),從微觀的角度對(duì)相似土的密度、抗剪強(qiáng)度以及壓縮模量等物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)進(jìn)行探討。

1 工程概況及模型試驗(yàn)相似比

1.1 基坑工程概況

本文依托南通市地鐵1號(hào)線汽車東站某深基坑工程開展室內(nèi)相似模型試驗(yàn)。該基坑位于南通市青年中路與世倫路交叉口,沿東西向敷設(shè),地下2層島式站;車站全長(zhǎng)214.6 m,主體標(biāo)準(zhǔn)段基坑深約16.9 m,寬約19.7 m;車站兩側(cè)均為盾構(gòu)區(qū)間,盾構(gòu)井段基坑深約18.5 m,寬約24.4 m。車站周圍環(huán)境復(fù)雜,臨近有多棟高層建筑、公交換乘中心、高壓線等建(構(gòu))筑物以及眾多市政管線。車站基坑支護(hù)縱斷面詳見圖1。

1.2 地質(zhì)條件

場(chǎng)地屬于長(zhǎng)江下游沖積平原,地形平坦,地貌類型單一。地面高程2.0～6.0 m不等,地下120 m以內(nèi)為上更新統(tǒng)(Q3)第四系至全新統(tǒng)(Q4)沉積物,由粉質(zhì)黏土、粉土和粉細(xì)砂(局部含淤泥質(zhì)土)等組成?；娱_挖影響范圍內(nèi)土層自上而下為:① 填土、②2砂質(zhì)粉土、③1粉砂夾砂質(zhì)粉土、③2粉砂、④1粉質(zhì)黏土、⑤1砂質(zhì)粉土夾粉砂、⑤2粉砂夾砂質(zhì)粉土(見圖1)。各土層參數(shù)詳見表1。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of different soil layer

1.3 模型試驗(yàn)相似指標(biāo)

相似地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)要求滿足原型與模型的相似規(guī)律,包括模型幾何尺寸、邊界條件、外界荷載、相似材料的容重、強(qiáng)度及變形特性方面的相似。

根據(jù)模型箱和模擬剖面的尺寸大小,以及模型試驗(yàn)相似性原理[8,16],確定試驗(yàn)的幾何相似系數(shù)Cl=50,然后選擇容重相似比為 1作為先決條件,用量綱分析與方程推導(dǎo)的方式得到模型試驗(yàn)中模型與原型各物理量的相似比,具體如表2所列。

表2 土的物理量相似比Tab.2 Similarity ratio of the physical parameters of soil

基于相似系數(shù)Cl=50的要求,根據(jù)原型土主要參數(shù)可得到富水砂層相似土模型配制的目標(biāo)參數(shù)范圍,如表3所列。

表3 原型與模型材料參數(shù)Tab.3 Physical and mechanical parameters of the prototype and model material

2 相似土正交試驗(yàn)方案

2.1 相似材料確定

土質(zhì)相似材料一般由骨料、膠結(jié)材料和輔助材料3類材料構(gòu)成[15]。參照前人研究經(jīng)驗(yàn),選取粉細(xì)砂、重晶石粉(1 250目)、膨潤(rùn)土(鈉基膨潤(rùn)土)、洗衣液(主要成分為非離子表面活性劑)以及水作為相似土的配比材料,如圖2所示。配比材料中,為了保持富水砂層土的特性,粉細(xì)砂及重晶石粉作為骨料,膨潤(rùn)土作為膠結(jié)材料,洗衣液作為輔助材料。其中,組成骨料的粉細(xì)砂及重晶石粉為主要配比材料,二者參數(shù)如表4所列。

表4 主要配比材料的物理力學(xué)參數(shù)Tab.4 Physical and mechanical parameters of main

圖2 配比材料Fig.2 Materials for mixture

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

相似土模型材料的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)主要有:密度、含水率、壓縮模量、黏聚力以及內(nèi)摩擦角。本次試驗(yàn)采用的相似土配比方案中,重晶石粉重度較大,既可作為骨料成分,也可充當(dāng)相似材料的配重,因此通過調(diào)節(jié)重晶石粉的骨料占比,可對(duì)相似土材料的密度參數(shù)進(jìn)行調(diào)整;膨潤(rùn)土因其黏性特性可作為膠結(jié)材料,通過改變膨潤(rùn)土的摻量,可調(diào)節(jié)配比材料的黏聚力參數(shù);因洗衣液富含表面活性劑成分,通過控制洗衣液的添加量,可調(diào)整相似土材料黏聚力及內(nèi)摩擦角等參數(shù)。因此,通過控制骨料、膠結(jié)劑和添加劑之間的比例,可使相似土材料的密度、壓縮模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)在理想范圍內(nèi)波動(dòng),從而使得相似土模型材料盡可能接近目標(biāo)參數(shù)。

本次試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)方案,選取4種因素:洗骨比(洗衣液質(zhì)量/骨料質(zhì)量)、重晶體石含量(重晶石粉重量/骨料重量)、膨潤(rùn)土摻量(膨潤(rùn)土重量/總質(zhì)量)、含水率(水質(zhì)量/干燥相似土質(zhì)量),每種因素設(shè)計(jì)4個(gè)水平,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表5所列。根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),采用正交表L16(45)可得出正交試驗(yàn)方案,如表6所列。

表5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.5 Orthogonal test design %

表6 正交試驗(yàn)方案Tab.6 Orthogonal test schemes %

2.3 試驗(yàn)實(shí)施與結(jié)果

2.3.1試樣制備

試樣制備流程為:首先,依次稱取該組試驗(yàn)所需質(zhì)量的粉細(xì)砂、重晶石粉、膨潤(rùn)土,并將三者干拌均勻至無顏色分層;然后,使用滴管或針筒工具向干拌土料內(nèi)注入指定質(zhì)量的洗衣液,進(jìn)行二次搓拌至均勻;接著,向混合料內(nèi)注入指定質(zhì)量的水,緩慢進(jìn)行第三次攪拌至無生團(tuán)結(jié)塊。由于洗衣液與水結(jié)合易混入空氣,第三次攪拌時(shí)應(yīng)注意避免產(chǎn)生過多氣泡影響試樣密度;最后,將均質(zhì)試樣材料裝入環(huán)刀,環(huán)刀上下蓋合玻璃片防止試樣水分蒸發(fā)。每組配比制備16個(gè)試樣,分別用于直剪試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)及備用試驗(yàn)。

2.3.2試驗(yàn)結(jié)果

表7為正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的配比材料試驗(yàn)結(jié)果。由表7可知,M1～M16組試樣的密度分布在1.632～2.196 g/cm3之間,黏聚力分布在0～6.80 kPa之間,內(nèi)摩擦角分布在3.82°～32.20°之間,壓縮模量分布在2.44～5.63 MPa之間,試驗(yàn)結(jié)果覆蓋范圍較大,基本滿足土質(zhì)相似材料在相似模型試驗(yàn)中的要求。從試驗(yàn)結(jié)果可知,M6、M9、M11這3組配比的參數(shù)較為符合試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

表7 相似土材料試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Test results of similar soil material

另外由表7可知,固結(jié)試驗(yàn)得出各組配比在100～200 kPa壓力范圍的壓縮模量Es(100～200)分布在2.44～5.63 MPa之間,而相似材料壓縮模量參數(shù)的配制目標(biāo)為0.16～0.24 MPa,二者相差較大。值得討論的是,工程上常使用壓縮模量Es(100～200)對(duì)土的壓縮性進(jìn)行評(píng)價(jià),但是試驗(yàn)中難以得到100～200 kPa壓力范圍條件下的相似土壓縮模量參數(shù)的目標(biāo)值,前人研究成果中也大多未涉及壓縮模量參數(shù)的分析[12-14]。實(shí)際上,對(duì)于開挖深度在10～20 m的基坑,土層開挖影響深度在40 m以內(nèi),對(duì)應(yīng)相似比為1∶50的模型試驗(yàn)中相似土的平均自重應(yīng)力狀態(tài)在7.0 kPa左右。因此,模型試驗(yàn)中相似土的壓縮模量采用Es(100～200)顯然有些欠妥。所以,本次試驗(yàn)建議選擇Es(2～4)作為相似土的壓縮模量目標(biāo)值。

當(dāng)然,常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)難以測(cè)定Es(2～4),但可以結(jié)合現(xiàn)有固結(jié)試驗(yàn)中孔隙比與壓力的e-p曲線進(jìn)行擬合,得到壓力為2 kPa和4 kPa時(shí)孔隙比e的近似值,進(jìn)而計(jì)算出模量Es(2～4)。黃楊一[17]提出的固結(jié)曲線最佳擬合方法可以獲得較好的e-p曲線擬合效果。設(shè)固結(jié)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)組為(pi,ei),擬合方程及參數(shù)取值如下:

y=e0·exp(-aNxbN)

(1)

(2)

(3)

以M9組試樣(Es(100～200)=4.88 MPa)為例,進(jìn)行固結(jié)曲線擬合,結(jié)果如圖3所示。最終,得到M9組試樣的壓縮模量Es(2～4)=0.33 MPa,與壓縮模量參數(shù)目標(biāo)值貼近。因此,對(duì)于相似土的壓縮模量目標(biāo)值,應(yīng)選取合理的壓力范圍。

圖3 固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果擬合曲線Fig.3 Fitting curve of consolidation test result

3 試驗(yàn)結(jié)果敏感性因素分析

3.1 密 度

由極差分析可知各因素(洗骨比、重晶石含量、膨潤(rùn)土含量、含水率)在各水平下的均值與其對(duì)應(yīng)的極差。通過比較極差的大小,可評(píng)估各因素對(duì)相似土各參數(shù)影響程度的大小,極差越大則影響程度越大。正交試驗(yàn)結(jié)果中關(guān)于相似土密度參數(shù)的極差分析結(jié)果如表8所列。由表8可知,各因素對(duì)密度的敏感性由大到小為:重晶石含量>含水率>膨潤(rùn)土含量>洗骨比。

表8 密度極差分析Tab.8 Extreme difference analysis of density

借助SPSS數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)相似土密度參數(shù)進(jìn)行線性回歸分析,結(jié)果如表9所列。其中,線性回歸方程顯著性水平<0.001,德斌-沃森(DW)值為1.935(較接近2),R2=0.729,因此回歸方程擬合程度較好,具有較好預(yù)測(cè)性。自變量標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)β越大,則其對(duì)因變量的影響相對(duì)其它自變量更大;自變量顯著性越小,則對(duì)應(yīng)其對(duì)變量影響程度越大。通過各自變量(洗骨比、重晶石含量、膨潤(rùn)土含量、含水率)顯著性及標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)比較分析可知,各因素對(duì)密度參數(shù)的影響大小為:重晶石含量>膨潤(rùn)土含量>含水率>洗骨比,與極差分析結(jié)果基本一致,重晶石含量對(duì)密度參數(shù)影響顯著。

表9 密度線性回歸分析Tab.9 Linear regression analysis of density

圖4為密度敏感性因素直觀分析圖。由圖中可知,相似土的密度參數(shù),在洗骨比為0～0.3%范圍內(nèi)呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì);在重晶石含量為0～40%范圍內(nèi)隨其增大而增大,且重晶石含量對(duì)密度參數(shù)影響顯著;在膨潤(rùn)土摻量為5%～20%范圍內(nèi)呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì),并在膨潤(rùn)土摻量為15%附近達(dá)到最大值;在含水率為11%～20%范圍內(nèi)呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì),并在含水率為14%附近達(dá)到最大值。

圖4 密度敏感性因素直觀分析Fig.4 Sensitivity analysis of the factors affecting density

3.2 抗剪強(qiáng)度

3.2.1內(nèi)摩擦角

表10為相似土內(nèi)摩擦角特性的極差分析結(jié)果。由表可知,各因素對(duì)于內(nèi)摩擦角的敏感性大小為:重晶石含量>含水率>膨潤(rùn)土含量>洗骨比。因此,重晶石含量對(duì)相似土內(nèi)摩擦角的影響十分顯著,起控制作用。這是因?yàn)橹鼐圩鳛閮煞N骨料成分之一,其含量直接影響粉細(xì)砂的含量,而相似土的摩擦特性主要來自于粉細(xì)砂組分。

表10 內(nèi)摩擦角極差分析Tab.10 Extreme difference analysis of internal friction angle

表11為相似土內(nèi)摩擦角特性的線性回歸分析。由表可知,線性回歸方程顯著性水平<0.001,德斌-沃森(DW)值為2.428,R2=0.767,因此回歸方程擬合良好,具有一定預(yù)測(cè)性。通過各自變量顯著性及標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)比較分析可知,各因素對(duì)內(nèi)摩擦角的影響大小為:重晶石含量>含水率>膨潤(rùn)土含量>洗骨比,與極差分析結(jié)果一致,重晶石含量對(duì)內(nèi)摩擦角影響顯著。

表11 內(nèi)摩擦角線性回歸分析Tab.11 Linear regression analysis of internal friction angle

圖5為內(nèi)摩擦角敏感性因素直觀分析圖。由圖可知,相似土的內(nèi)摩擦角參數(shù),在洗骨比為0～0.3%范圍內(nèi)隨其增大而減小,且減小速率逐漸加快,可知洗骨比對(duì)內(nèi)摩擦角的影響效果隨洗骨比的增大逐漸提高;在重晶石含量、膨潤(rùn)土摻量、含水率相應(yīng)范圍內(nèi)均隨其增大而減小。由此可見,試驗(yàn)中洗骨比對(duì)內(nèi)摩擦角敏感性雖小,但洗衣液含量在較低的水平,且洗衣液富含表面活性劑,隨著洗骨比的增大,對(duì)內(nèi)摩擦角的減小效果將愈發(fā)顯著;膨潤(rùn)土與水的結(jié)合可起到潤(rùn)滑作用,兩者含量的升高會(huì)減小內(nèi)摩擦角。重晶石粉含量對(duì)相似土內(nèi)摩擦角參數(shù)起著控制作用,是因?yàn)橹鼐酆颗c粉細(xì)砂含量負(fù)相關(guān),而相似土的摩擦特性主要來自于粉細(xì)砂。

圖5 內(nèi)摩擦角敏感性因素直觀分析Fig.5 Sensitivity analysis of the factors affecting internal friction angle

3.2.2黏聚力

表12為相似土黏聚力參數(shù)的極差分析結(jié)果。由表可知,各因素對(duì)黏聚力的敏感性大小為:含水率>洗骨比>膨潤(rùn)土摻量>重晶石含量。由此可知,含水率對(duì)相似土黏聚力參數(shù)的影響十分顯著,起控制作用。膨潤(rùn)土作為膠結(jié)劑對(duì)黏聚力的影響反而不太突出,主要原因是:為了控制相似土黏聚力盡量貼近目標(biāo)值,試驗(yàn)方案中的膨潤(rùn)土摻量水平不高。此外,洗衣液與水對(duì)膨潤(rùn)土的黏性作用也產(chǎn)生了較大影響。

表12 黏聚力極差分析Tab.12 Extreme difference analysis of cohesion

表13為相似土黏聚力特性的線性回歸分析。由表可知,線性回歸方程顯著性水平為0.001,德斌-沃森(DW)值為2.27,R2=0.661,因此回歸方程擬合良好,具有一定預(yù)測(cè)性。通過各自變量顯著性及標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)比較分析可知,各因素對(duì)黏聚力的敏感性大小為:含水率>洗骨比>膨潤(rùn)土摻量>重晶石含量,與極差分析結(jié)果一致,含水率與洗骨比對(duì)黏聚力參數(shù)的影響顯著。

表13 黏聚力線性回歸分析Tab.13 Linear regression analysis of cohesion

圖6為黏聚力敏感性因素直觀分析圖。由圖可知,相似土的黏聚力參數(shù),在洗骨比為0～0.3%范圍內(nèi)大致呈現(xiàn)下降趨勢(shì),在洗骨比為0.02%時(shí)達(dá)到最小值并出現(xiàn)一定程度的反彈,洗骨比對(duì)黏聚力參數(shù)影響顯著;在重晶石含量為0～40%范圍內(nèi)黏聚力先減小后增大,其最小值在重晶石含量為30%附近;在膨潤(rùn)土摻量為5～20%范圍內(nèi)黏聚力呈上升趨勢(shì);在含水率為11%～20%范圍內(nèi)黏聚力先增大后迅速減小,且在含水率為11%附近達(dá)到最大值,含水率對(duì)黏聚力參數(shù)影響顯著。由此可見,洗衣液的含量雖少,但因其富含表面活性劑,對(duì)黏聚力的減小效果突出;重晶石粉在工業(yè)方面可作為機(jī)械潤(rùn)滑劑,對(duì)黏聚力能起到一定的減小效果,但其含量的增大會(huì)伴隨著粉細(xì)砂組分的減少,黏聚力反而出現(xiàn)上升趨勢(shì);膨潤(rùn)土作為膠結(jié)劑,其含量的上升本應(yīng)導(dǎo)致相似土黏聚力的增大,但試驗(yàn)方案中洗衣液與水對(duì)其起到了抑制作用,使其對(duì)黏聚力參數(shù)的影響能力有限;含水率的上升增強(qiáng)了相似土的流動(dòng)性,使其黏聚力顯著下降,故含水率對(duì)黏聚力參數(shù)起控制作用。

圖6 黏聚力敏感性因素直觀分析Fig.6 Sensitivity analysis of the factors affecting cohesion

3.3 壓縮模量

表14為相似土壓縮模量(Es(100～200))特性的極差分析結(jié)果。由表可知,各因素對(duì)壓縮模量參數(shù)的敏感性大小為:膨潤(rùn)土摻量>重晶石含量>含水率>洗骨比。由此可知,膨潤(rùn)土作為膠結(jié)劑對(duì)相似土壓縮模量參數(shù)的影響十分顯著,起控制作用。

表14 壓縮模量極差分析Tab.14 Extreme difference analysis of compression modulus

表15為相似土壓縮模量特性的線性回歸分析。由表可知,線性回歸方程顯著性水平<0.001,德斌-沃森(DW)值為1.789,R2=0.906,因此回歸方程擬合較好,具有一定預(yù)測(cè)性。通過各自變量顯著性及標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)比較分析可知,各因素對(duì)密度參數(shù)的影響大小為:膨潤(rùn)土摻量>重晶石含量>洗骨比>含水率,與極差分析結(jié)果基本一致,膨潤(rùn)土摻量與重晶石含量對(duì)壓縮模量參數(shù)影響顯著。

表15 壓縮模量線性回歸分析Tab.15 Linear regression analysis of compression modulus

圖7為壓縮模量敏感性因素的直觀分析圖。由圖可知,相似土的壓縮模量參數(shù),在洗骨比為0～0.3%范圍內(nèi)先增大后減小,在洗骨比為0.01%附近達(dá)到最大值,且達(dá)到峰值后減小速率逐漸加快,可知洗骨比對(duì)壓縮模量參數(shù)影響程度隨洗骨比的增大而逐漸提升;在重晶石含量為0～40%范圍內(nèi),壓縮模量隨其增大而減小;在膨潤(rùn)土摻量為5%～20%范圍內(nèi),壓縮模量隨其增大而減小,且膨潤(rùn)土摻量對(duì)壓縮模量參數(shù)影響效果顯著;在含水率為11%～20%范圍內(nèi),壓縮模量呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì),在含水率為17%附近時(shí)達(dá)到最大值。

圖7 壓縮模量敏感性因素直觀分析Fig.7 Sensitivity analysis of the factors affecting compression modulus

4 相似土物理力學(xué)性質(zhì)及微觀表征

為了更好地探究相似土配比的各因素對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的影響機(jī)理,進(jìn)一步從微觀角度對(duì)材料表面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究與分析。固結(jié)試驗(yàn)結(jié)束后,可以得到各組試樣在環(huán)刀底部的平整壓實(shí)面,部分試樣壓實(shí)面如圖8所示。

圖8 試樣壓實(shí)面Fig.8 Bottom compacted surface of samples

土樣的微觀結(jié)構(gòu)分析,通常需借助SEM掃描電鏡進(jìn)行圖像的拍攝,但SEM掃描電鏡租用價(jià)格昂貴,且土樣需經(jīng)過烘干及“噴金”鍍膜處理,操作較為繁瑣、耗時(shí)較長(zhǎng)。然而,經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)利用放大倍率為50～400倍的微觀圖像對(duì)土樣進(jìn)行微觀分析,也可達(dá)到較好的效果[18-20]。所以,從便利性與高效性的角度考慮,本文選用了50～400倍高清數(shù)碼顯微鏡裝置進(jìn)行試樣微觀結(jié)構(gòu)圖像的拍攝。

4.1 壓縮模量

圖9為M1～M4組試樣的微觀結(jié)構(gòu)特征。由圖可知,M1組試樣土骨架顆粒主要為砂粒,粒間孔隙較大,屬于單粒狀結(jié)構(gòu)。隨著重晶石含量、膨潤(rùn)土摻量以及含水率的增大,砂粒的分布變疏,粒間孔隙增大且被小顆粒材料填充。砂粒間小顆粒與黏性物質(zhì)的逐漸增多,減少了砂粒間的直接接觸,相似土結(jié)構(gòu)從單粒狀結(jié)構(gòu)向單粒-絮狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,雖然微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出土樣整體密實(shí)度由疏松變密實(shí),但實(shí)際上砂粒的骨架作用被削弱,導(dǎo)致材料壓縮性變大。由此可知,重晶石與膨潤(rùn)土因其顆粒粒徑相對(duì)較小,可充填入砂粒間孔隙中,隨著兩者含量的增加,會(huì)大大削弱砂粒組成的骨架結(jié)構(gòu),從而增加相似土的壓縮性,使得M1～M4組配比壓縮模量(見表16)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),這與極差、線性回歸分析所得規(guī)律一致。

表16 M1～M4組試樣配比參數(shù)及壓縮模量參數(shù)Tab.16 Mixture ratio and corresponding compression modulus of samples(M1～M4)

圖9 M1～M4組試樣微觀結(jié)構(gòu)特征Fig.9 Microstructure characteristics of M1～M4 samples

4.2 密度與抗剪強(qiáng)度

同樣由圖9可知,隨著重晶石和膨潤(rùn)土含量的增大,相似土結(jié)構(gòu)從單粒狀結(jié)構(gòu)向單粒-絮狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,砂粒之間孔隙被重晶石與膨潤(rùn)土顆粒填充,且砂粒的間距逐漸變大,以致砂粒間的機(jī)械咬合作用逐漸減小,致使M1～M4組試樣內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì),但是材料的整體密實(shí)度由疏松變?yōu)槊軐?shí),使得其密度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。然而,雖然重晶石含量的增加對(duì)密度的增大有控制作用,但也不能忽視膨潤(rùn)土和含水率對(duì)密度的減小作用,當(dāng)三者含量增加到一定程度,便會(huì)超出砂粒間孔隙的容納能力,即出現(xiàn)重晶石和膨潤(rùn)土填滿砂粒間孔隙且開始包裹砂粒的現(xiàn)象,其密度反而開始下降,具體如表17及圖9中M4所示。

另外,由表18可知,膨潤(rùn)土摻量相同的情況下,含水率的增加會(huì)降低材料的黏聚力。從圖10的微觀結(jié)構(gòu)可知,當(dāng)材料的含水率較低時(shí),如M7組配比,該試樣砂粒間由黏性物質(zhì)聯(lián)結(jié),并出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,大孔隙較多,團(tuán)粒輪廓明晰,此時(shí)膨潤(rùn)土主要表現(xiàn)為“黏結(jié)”作用;隨著含水率的增加,如M13、M10、M4組配比,砂粒間出現(xiàn)糊狀物質(zhì),輪廓逐漸模糊化,砂粒間物質(zhì)表面形成泥膜,大孔隙明顯減少,此時(shí)膨潤(rùn)土逐漸從“黏結(jié)”作用開始轉(zhuǎn)變?yōu)椤皾?rùn)滑”作用。因此,相似土黏聚力明顯呈現(xiàn)下降趨勢(shì),內(nèi)摩擦角亦呈現(xiàn)下降趨勢(shì),這與極差、線性回歸分析所得規(guī)律一致。

表18 M7,M13,M10,M4組試樣配比參數(shù)及抗剪強(qiáng)度參數(shù)Tab.18 Mixture ratio of M7,M13,M10,M4 samples and corresponding shear strength

圖10 不同配比相似土的微觀結(jié)構(gòu)特征Fig.10 Microstructure characteristics of similar soil with different mixture ratios

5 結(jié) 論

(1) 極差、線性回歸以及直觀圖分析表明,重晶石粉含量對(duì)相似土密度參數(shù)起控制作用,呈正相關(guān)關(guān)系,其余3個(gè)因素對(duì)相似土密度影響較小;含水率與洗骨比對(duì)相似土黏聚力參數(shù)起控制作用,呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,膨潤(rùn)土摻量對(duì)黏聚力參數(shù)有明顯影響且呈正相關(guān)關(guān)系,重晶石含量影響較小;重晶石含量對(duì)相似土內(nèi)摩擦角參數(shù)起控制作用,含水率與膨潤(rùn)土摻量對(duì)內(nèi)摩擦角參數(shù)有明顯影響,洗骨比影響較小,內(nèi)摩擦角參數(shù)與各因素皆呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中洗骨比因素隨其水平上升其影響效果會(huì)愈發(fā)顯著;膨潤(rùn)土摻量與重晶石含量對(duì)相似土壓縮模量參數(shù)起控制作用,洗骨比的影響次之,含水率最小,試驗(yàn)中壓縮模量參數(shù)與含水率因素呈正相關(guān),與其它各因素負(fù)相關(guān)。

(2) 微觀表征分析研究表明,重晶石粉與膨潤(rùn)土此類相對(duì)小粒徑、黏性物質(zhì)含量的上升,將減少砂粒間的直接接觸,從而減小相似土的內(nèi)摩擦角;此外,小粒徑與黏性物質(zhì)還會(huì)填充孔隙、包裹砂粒,使相似土密度變大、壓縮模量變小;含水率的上升會(huì)使粒間膨潤(rùn)土從黏結(jié)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闈?rùn)滑作用,從而減小內(nèi)摩擦角與黏聚力。

(3) 試驗(yàn)中相似土密度分布在1.632～2.196 g/cm3之間,黏聚力分布在0～6.80 kPa之間,內(nèi)摩擦角分布在3.82°～32.20°之間,壓縮模量分布在2.44～5.63 MPa之間,結(jié)果基本滿足土質(zhì)相似材料在類似相似模型試驗(yàn)中的要求,可為類似相似模型試驗(yàn)土質(zhì)相似材料的研制提供參考。