三峽庫區(qū)砂質(zhì)黏性紫色土強度劣化規(guī)律試驗研究

肖雪， 汪時機，2， 楊尋， 李賢， 黎桉君， 夏浩城

1. 西南大學 工程技術學院，重慶 400715；2. 重慶市建筑物全生命周期健康檢測與災害防治工程研究中心，重慶 408100

紫色土主要分布于我國長江流域及西南片區(qū), 紫色土中富含蒙脫石、 高嶺石等黏粒礦物成分, 具有一定的膨脹性, 因此易在周期性干濕循環(huán)交替的環(huán)境中產(chǎn)生裂隙[1]． 同時三峽庫區(qū)地處亞熱帶季風氣候區(qū), 在周期性庫水位漲落、 西南片區(qū)季節(jié)性降雨的環(huán)境影響下, 土體內(nèi)部質(zhì)量含水率(下文中含水率均指質(zhì)量含水率)呈現(xiàn)飽和-非飽和-飽和的交替變化狀態(tài), 導致土表顆粒級配改變, 易引起三峽庫區(qū)土體的水土流失和山體滑坡等自然災害, 從而對農(nóng)田水利、 邊坡等設施造成嚴重危害[2]． 因此, 模擬周期性干濕循環(huán)條件, 研究土體抗剪強度衰減規(guī)律并探討其對力學性能的影響, 對防止自然災害的發(fā)生以及揭示紫色土的結構特性具有重要的理論和現(xiàn)實意義．

國內(nèi)外學者對此進行了大量研究, 張芳枝等[3]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)反復干濕循環(huán)后, 非飽和土產(chǎn)生相同應變時的應力有所減小, 土樣破壞時的強度有所降低; Chen等[4]人研究發(fā)現(xiàn)與隨后的干濕循環(huán)相比, 第一個干濕周期的體積收縮更為顯著; 李妍等[5]研究表明, 紫色土在經(jīng)歷干濕循環(huán)后, 土體內(nèi)部結構發(fā)生破壞, 且前3次干濕循環(huán)衰減強度最大, 3次循環(huán)后下降速率減慢． 吳楊等[6]人開展了不同細顆粒含量甲烷水合物沉積物三軸剪切試驗研究, 結果表明隨細顆粒含量的增加, 土的抗剪強度以及剪脹性都呈上升趨勢; Kampala等[7]研究發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)可導致多種人工改良土的無側(cè)限抗壓強度和抗剪強度衰減; 湯華等[8]研究表明低含水率時試樣整體結構密實, 隨含水率的升高, 試樣抗剪強度出現(xiàn)不同程度的劣化效應, 內(nèi)摩擦角呈線性趨勢衰減, 黏聚力呈波動趨勢; 李賢[9]研究發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)次數(shù)和土壤細顆粒等變量與土體黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ存在一定的線性關系, 且土壤細顆粒含量與干濕循環(huán)次數(shù)對黏聚力的影響遠遠大于對摩擦角的影響．

自然環(huán)境下, 干濕交替常導致砂質(zhì)黏性紫色土細顆粒流失及裂隙萌生、 發(fā)育等． 基于此本文將在干濕循環(huán)次數(shù)、 細顆粒含量以及質(zhì)量含水率三因素下, 探討非飽和土三軸剪切強度峰值及其參數(shù)等土力學性質(zhì), 并分析抗剪強度指標在干濕循環(huán)次數(shù)變化等條件下的劣化趨勢, 對揭示三峽庫區(qū)紫色土抗剪強度的劣化機制有重要參考意義．

1 材料與方法

1.1 土樣與試樣制備

本次試驗用土取自重慶市北碚區(qū)縉云山水土保持基地, 取土深度距地表40 cm, 按照《土工試驗方法標準》進行室內(nèi)試驗． 土樣物理性質(zhì)見表1, 測定其天然濕密度為1.68 g/cm3, 經(jīng)計算天然干密度為1.4 g/cm3, 相對密度2.69, 孔隙率48%, 塑性指數(shù)為14.8, 結合土壤分類標準(塑性指數(shù)>10, 粒徑大于0.075 mm的顆粒含量>50%), 本次試驗用土定義為砂質(zhì)黏性土． 試驗用土顆粒級配如圖1所示, 經(jīng)計算不均勻系數(shù)Cu>5, 曲率系數(shù)為1.6, 級配良好．

圖1 紫色土顆粒級配曲線

表1 紫色土的主要物理特性指標

制樣物性指標為: 含水率18%、 干密度1.5 g/cm3． 本次試驗按照《土工試驗方法標準》進行操作, 制樣過程如下: 紫色土碾碎過2 mm篩, 然后置于105 ℃烘箱烘干至恒重, 配制成相應細顆粒含量的土體后進行配水; 將制備好的質(zhì)量含水率為18%的土體放置24 h后, 在制樣器內(nèi)分5層擊實, 層高為16 mm, 每層壓實后接觸面刨毛, 避免試樣分層, 每層完成后, 倒入下一層土壤進行壓實; 制成高80 mm, 直徑39.1 mm的土柱, 存放于保濕缸24 h后用于試驗． 本次試驗使用儀器為南京TSZ10-1.0型應變控制飽和三軸儀, 電機自動升降可控制自動剪切速率以及圍壓． 儀器精度(軸力0.01 kN, 軸向位移0.01 mm, 進排水和體變0.001 mL)．

1.2 試驗方案

本次試驗旨在模擬土體排水條件較差時的受力狀態(tài), 因此, 將制備好的試樣進行不固結不排水試驗, 試驗設置干濕循環(huán)次數(shù)、 細顆粒含量以及質(zhì)量含水率3個因素為變量, 共36組試驗． 試驗中圍壓分別設置為100 kPa,200 kPa,300 kPa, 剪切速率為0.8 mm/min, 當軸向應變大于20%時停止剪切, 應力-應變曲線有峰值時取峰值偏應力作為三軸剪切強度, 無峰值時取軸向應變15%所對應的偏應力作為三軸剪切強度[15]．

1.2.1 細顆粒含量、 最終含水率試驗

由土壤篩分法得直徑為0.075 mm的紫色土細顆粒含量為20%左右． 根據(jù)黃麗等[16]的研究, 由于西南地區(qū)常年雨水充沛, 導致土壤退化、 表土顆粒流失, 降雨后, 表層土中小于0.02 mm的黏粒比降雨前下降160%, 因此設置細顆粒含量分別為10%, 20%(原級配), 30%來模擬降雨前后細顆粒含量的變化(分別為F1,F2,F3)．

本次實驗中, 將細顆粒(直徑<0.075 mm)篩分后, 按照10%,30%的細顆粒含量配比, 原級配則不用篩分, 將干土混合均勻, 以備試驗; 將制備好的土樣進行相應次數(shù)的干濕循環(huán), 此時試樣已完成烘干． 吸濕階段采用小型噴霧器, 每隔半小時對試樣噴灑3 mL蒸餾水, 相應質(zhì)量含水率達到6%,12%,18%(分別為ω1,ω2,ω3)時停止, 將土樣覆蓋保鮮膜靜置24 h備用．

1.2.2 干濕循環(huán)次數(shù)試驗

將制備好的土樣分別進行0,3,5,7次干濕循環(huán), 分別記為N0,N3,N5,N7, 采用先濕后干的循環(huán)方式． 吸濕: 將制備好的土樣用飽和三瓣膜封裝, 放入飽和缸內(nèi)抽真空飽和24 h; 脫濕: 取出后放入溫度為60 ℃的烘箱, 半小時檢測一次含水率, 含水率達5%時停止烘干, 至此一個為干濕循環(huán)． 根據(jù)涂義亮等[17]的研究, 干濕循環(huán)幅度介于飽和含水率及烘干至恒重范圍內(nèi); 本次試驗循環(huán)幅度為飽和狀態(tài)-5%含水率-飽和狀態(tài)． 具體試驗設計方案見表2．

表2 試驗方案設計

1.3 干濕循環(huán)作用下的強度劣化指標

1.3.1 結構性定量參數(shù)

根據(jù)謝定義等[10-11]對綜合結構勢理論的定義, 結構土既具有結構可穩(wěn)性也具有結構可變性． 為使土體結構性參數(shù)能與荷載的作用相互聯(lián)系, 以反映土體受荷載過程中原始結構的破壞, 次生結構逐漸形成的耦合和動態(tài)變化規(guī)律, 謝定義建議以原狀土、 飽和原狀土和擾動重塑土的試驗來定義和測定綜合結構勢參數(shù), 具體表達式如下:

(1)

式中,S0為某一壓力下原狀土的壓縮應變,Ss為飽和原狀土的壓縮應變,Sr為重塑土的壓縮應變． 本次試驗將未經(jīng)干濕循環(huán)的土體作為式(1)中的原狀土, 經(jīng)過干濕循環(huán)作用的土體為擾動重塑土． 即以同一理論方法提出干濕循環(huán)作用對紫色土三軸剪切結構性定量參數(shù)mεn的影響, 其中

(2)

1.3.2 劣化度

為定量分析偏應力隨干濕循環(huán)次數(shù)的劣化規(guī)律, 本文采用劣化度來反映干濕循環(huán)次數(shù)對土體抗剪強度的損傷程度, 其中包括總劣化度、 階段劣化度、 階段內(nèi)單次循環(huán)劣化度[12-13]; 本文采用式(3)中的總劣化度作為強度劣化指標．

(3)

式中,Di為抗剪強度的總劣化度,C0為初始狀態(tài)偏應力大小,Ci為經(jīng)干濕循環(huán)后的偏應力大小．

根據(jù)胡長明等[14]的研究, 通過(4)式所示的雙曲線函數(shù)進行不同含水率, 不同細顆粒含量下的黏聚力的擬合．

(4)

式中,D0為黏聚力劣化度,A為最終劣化度,B為控制劣化度發(fā)展速率的參數(shù),B值越小說明強度指標劣化的發(fā)展速率越快． 式(4)中B值通過試驗數(shù)據(jù)擬合得出,A值通過試驗直接得出． 即A值是基于不同含水率、 細顆粒含量下, 干濕循環(huán)對土樣抗剪強度參數(shù)的影響, 直接計算得出．

2 結果與分析

2.1 三因素對紫色土抗剪強度的影響規(guī)律

2.1.1 含水率的影響規(guī)律

根據(jù)室內(nèi)試驗結果, 不同含水率下試樣的應力-應變曲線如圖2所示, 抗剪強度及強度參數(shù)如表3所示．

圖2 不同含水率下試樣應力-應變曲線(F2N0)

表3 不同含水率下試樣的抗剪強度參數(shù)

如圖2和表3所示, 含水率越小, 抗剪強度峰值越大; 相應地, 抗剪強度參數(shù)也越大; 土中含水率ω=6%時, 應力-應變曲線呈軟化型, 有明顯的應力峰值出現(xiàn), 剪切完成后, 土體發(fā)生脆性破壞, 剪切破壞面大致呈45°+φ/2角, 即剪切破壞面與大主應力面所成夾角為45°+φ/2． 當ω=12%及ω=18%時, 應力-應變曲線呈應變硬化型,ω=18%時的硬化程度高于ω=12%, 因此隨土中含水率逐漸增加, 應力-應變曲線逐漸硬化． 含水率對強度參數(shù)有重要影響, 含水率從6%增加到18%時, 試樣黏聚力下降38.81%, 內(nèi)摩擦角下降32.85%． 分析其影響機制為: 土體含水率越高, 就會有越多的水分子填充土顆粒間的孔隙部分, 水分子的存在有利于土體顆粒間滑移, 減小土顆粒間的摩擦力, 起到潤滑作用．

2.1.2 細顆粒含量的影響規(guī)律

不同細顆粒含量下試樣的應力-應變曲線如圖3所示(原級配試樣的應力-應變曲線見圖2b), 抗剪強度參數(shù)如表4所示．

圖3 偏應力-應變曲線(ω2N0)

表4 不同細顆粒含量試樣的抗剪強度參數(shù)

如圖3和表4所示, 不同級配對偏應力及強度參數(shù)有重要影響, 原級配土體試樣偏應力高于另外兩組, 考慮是由于土體顆粒級配良好(經(jīng)計算原級配土不均勻系數(shù)Cu=16.973>5, 曲率系數(shù)CC=1.979>1.6, 均高于另外兩組), 顆粒間填充密實, 能形成更加穩(wěn)固的骨架和填充結構． 表4中, 隨細顆粒含量增加, 土樣黏聚力增加25.15%, 對摩擦角的影響無明顯線性規(guī)律, 而黏聚力變化的幅度明顯大于內(nèi)摩擦角的變化, 這與許沖等[18]所得的結論相同． 部分細顆粒土通過毛水提供黏聚力, 常吸附在粗顆粒表面的水層或與其他細顆粒形成具有一定強度的團聚體, 但相鄰的土顆粒并未直接接觸, 因此表現(xiàn)出黏聚力效應大, 摩擦角效應小．

2.1.3 干濕循環(huán)次數(shù)的影響規(guī)律

不同循環(huán)次數(shù)下, 偏應力與應變的關系如圖4所示, 抗剪強度及其參數(shù)如表5所示, 干濕循環(huán)次數(shù)對摩擦角的影響如圖5所示．

圖4 偏應力與應變的關系(F2ω2,σ=200 kPa)

干濕循環(huán)作用對偏應力及強度參數(shù)的影響如圖4和表5所示, 可以發(fā)現(xiàn), 應力-應變曲線整體趨勢大致相同, 證明試驗具有可重復性; 同時, 隨干濕循環(huán)次數(shù)增加, 試樣的破壞偏應力呈減小趨勢, 第3次循環(huán)后, 偏應力減小的幅度最大; 在干濕循環(huán)作用下, 試樣黏聚力下降幅度分別為12.2%, 10.4%, 4.5%, 可得隨干濕循環(huán)作用黏聚力下降幅度逐漸減緩, 5次循環(huán)后, 強度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)． 干濕循環(huán)對摩擦角的作用關系圖如圖5所示, 可以看出摩擦角變化較小, 相比未經(jīng)干濕循環(huán)的試樣, 摩擦角下降大約10%, 這與張芳枝等[3]的研究結果一致, 同時, 摩擦角遠沒有黏聚力對強度參數(shù)的作用大．

2.2 干濕循環(huán)次數(shù)對紫色土強度劣化的影響

2.2.1 結構性定量參數(shù)

據(jù)式(2)可知,mεn值越小, 干濕循環(huán)對結構損傷程度越大． 三軸剪切結構性參數(shù)mεn與軸向應變ε之間的關系曲線如圖6所示．

圖6 含水率12% mεn-ε關系曲線圖

由圖6可知, 在軸向應變未超過2%時, 三軸剪切結構性參數(shù)mεn急劇下降, 考慮是由于試樣帽與加載桿之間接觸不緊密, 前期結構不穩(wěn)定所致． 由圖6縮略圖可知, 軸向應變大于2%時,mεn逐漸減小, 前期減小速度較快, 對結構損傷程度越來越大; 當軸向應變到達6%時, 結構性參數(shù)下降速度趨于緩慢, 軸向應變到15%時, 結構性參數(shù)趨于穩(wěn)定, 后期紫色土的結構性損傷基本保持不變． 說明前期土體損傷較大, 后期逐漸形成對偏應力敏感性較低的結構特性, 結構性參數(shù)趨于平緩． 隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加, 對土體結構的破壞作用更加明顯, 這與Hu等[13]的研究結果一致． 同時,N=3時對土體結構產(chǎn)生的損傷最大, 3次循環(huán)以后對土體結構損傷程度下降． 第5次干濕循環(huán)與第3次干濕循環(huán)的結構性參數(shù)接近, 表明干濕循環(huán)對紫色土初始結構有損傷作用, 前3次干濕循環(huán)對試樣結構影響最大, 干濕循環(huán)次數(shù)越多, 結構損傷程度也就越大．

2.2.2 劣化度

根據(jù)式(3)強度劣化表達式可知, 干濕循環(huán)對試樣強度劣化作用如圖7所示． 由圖7可以看出, 干濕循環(huán)對試樣強度的劣化趨勢大致相同, 前3次的劣化作用明顯; 含水率越高, 劣化速度越快, 劣化度也越高, 劣化速度及劣化度大小依次為18%>12%>6%． 同時相較于原級配及細顆粒含量為10%的試驗組, 細顆粒含量為30%的試驗組劣化速度更快． 劣化速度及劣化度大小依次為30%>10%>20%(原級配), 土樣中細顆粒含量越大, 形成初期土骨架越不穩(wěn)定． 根據(jù)式(4)定量分析干濕循環(huán)對黏聚力的劣化作用, 干濕循環(huán)次數(shù)對黏聚力的擬合參數(shù)如表6所示．

圖7 干濕循環(huán)對強度的劣化作用

表6 不同細顆粒含量、 含水率下黏聚力劣化度的擬合參數(shù)

由表6可知, 擬合的相關指數(shù)R2均大于0.95, 具有良好的擬合度． 且黏聚力的最終劣化度以及劣化速率(即擬合參數(shù)A和B)能夠反映不同含水率及細顆粒含量的劣化規(guī)律． 原級配顆粒的劣化速度較慢, 而另外兩組細顆粒含量的劣化速度更快． 同時, 含水率為18%的土樣劣化速度最快． 由于土中自由水過多, 土體結構易受干濕循環(huán)作用影響． 隨含水率的增加, 劣化速度越快． 但含水率對劣化的影響小于細顆粒含量對劣化度的影響, 也就是說在考慮對土體劣化程度的影響時, 應當優(yōu)先考慮顆粒級配的影響．

2.4 三因素對強度參數(shù)的耦合效應

為研究干濕循環(huán)作用、 細顆粒含量以及含水率對土體抗剪強度指標的耦合影響作用, 用Design-Expert軟件, 通過二次多元回歸擬合及方差分析可得二次多項式回歸方程為:

(5)

(6)

式中,c為黏聚力,φ為內(nèi)摩擦角,N為干濕循環(huán)次數(shù),ω為含水率,F為細顆粒含量． 黏聚力方差分析結果見表7, 摩擦角方差分析結果見表8．

表7 黏聚力擬合方差分析結果

表8 摩擦角擬合方差分析結果

如表7和表8所示, 含水率ω以及細顆粒含量F均為顯著性． 根據(jù)p值大小, 在三因素水平內(nèi), 對土體黏聚力劣化程度的影響依次為含水率>干濕循環(huán)次數(shù)>細顆粒含量; 三因素對內(nèi)摩擦角的劣化影響分別為含水率>細顆粒含量>干濕循環(huán)次數(shù)． 表7和表8對比可得, 三因素對黏聚力的影響大于對摩擦角的影響, 實際工程中若需提高紫色土抗剪強度以及降低對土體內(nèi)部結構的影響, 改善黏聚力應作為改良紫色土的重點． 根據(jù)公式(5)和公式(6), 分別將N=3,ω=12%,F=20%帶入, 可得3組表達式, 根據(jù)表達式畫出曲面并于實驗數(shù)據(jù)點作比較, 最終擬合精度較好．N=3時公式(5) 和公式(6)二次擬合曲面如圖8所示．

圖8 黏聚力(左)及內(nèi)摩擦角(右)公式曲面和試驗數(shù)據(jù)(N=3)

經(jīng)計算黏聚力二次擬合式R2=0.931, 內(nèi)摩擦角二次擬合式R2=0.972, 擬合精度較高, 說明公式(5)和公式(6)具有較高可靠性, 能準確地描述實驗數(shù)據(jù), 可信度較高; 同時圖8中可以看出, 含水率對黏聚力的影響遠大于細顆粒含量的影響, 公式(5)中含水率ω項的系數(shù)顯然大于F的系數(shù); 根據(jù)圖8中對內(nèi)摩擦角影響, 含水率的影響大于細顆粒含量． 從公式(5)也可以得出三因素對黏聚力影響的大小分別是含水率>干濕循環(huán)次數(shù)>細顆粒含量． 根據(jù)擬合曲線圖, 對摩擦角的影響因素排序大小分別是含水率>細顆粒含量>干濕循環(huán)次數(shù), 公式(5)和公式(6)擬合式可為紫色土在自然狀態(tài)下的強度變化提供參考．

因此, 通過三因素耦合效應分析可以得出相較于其他兩種因素的影響, 含水率的影響程度最大, 實際情況中, 應當先從土中含水率開始, 及時排水, 降低土中含水率來提高三峽庫區(qū)堤壩穩(wěn)定性; 土體黏聚力的下降是造成土體強度下降、 內(nèi)部結構損傷的重要因素, 這與楊和平等[19]的研究結果相符． 若需增加土體抗剪強度、 改良紫色土土體, 增加土顆粒間黏聚力是重點．

3 結論

本文針對重慶地區(qū)紫色土在干濕循環(huán)作用下的強度劣化規(guī)律, 綜合考慮干濕循環(huán)次數(shù)、 含水率以及細顆粒含量的影響, 通過三軸剪切試驗, 分析紫色土本身物理結構性質(zhì), 擬合分析得出紫色土黏聚力的劣化規(guī)律; 并通過Design-Expert進行二次多元回歸擬合及方差分析, 得出3種影響因素的作用大小, 得到如下結論:

(1) 當含水率ω=6%時, 應力-應變曲線呈軟化型, 剪切破壞面大致呈45°+φ/2, 含水率越低偏應力及強度參數(shù)越高; 當ω=12%及ω=18%時, 應力-應變曲線呈應變硬化型, 發(fā)生剪漲現(xiàn)象, 含水率越高, 硬化程度越大．

(2) 隨細顆粒含量的增加, 相較于級配不良的土體, 級配良好的土體具有較大的偏應力及強度參數(shù), 即級配良好的土體劣化度較低．

(3) 干濕循環(huán)作用使土體抗剪強度下降, 黏聚力降低, 同時, 干濕循環(huán)作用對摩擦角的影響不明顯, 但總體呈減小趨勢, 根據(jù)結構性定量參數(shù)mεn, 前3次循環(huán)對土的結構影響最大, 到5次及以后, 結構性損傷趨于穩(wěn)定．

(4) 根據(jù)二次多項式回歸方程及方差分析p值得出擬合表達式能較好的反映試驗點; 含水率對抗剪強度參數(shù)的影響最大, 應該優(yōu)先考慮干濕循環(huán)作用以及含水率的影響; 三因素對黏聚力的影響大于對內(nèi)摩擦角的影響, 因此, 若需提高紫色土抗剪強度以及降低對土體內(nèi)部結構的影響, 改善黏聚力應作為改良紫色土的重點, 以上結論可以為現(xiàn)實工程提供理論依據(jù)．