側(cè)向應(yīng)變下膨脹土側(cè)向壓力變化規(guī)律試驗(yàn)研究

馮煒棟,張文慧*,王少鵬,王東英,王斯杰

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210024;2.中國農(nóng)業(yè)發(fā)展銀行西藏自治區(qū)分行,西藏 拉薩 850000;3.宿遷市港航事業(yè)發(fā)展中心,江蘇 宿遷 223899)

膨脹土含有大量親水性黏土礦物,具有顯著的干縮濕脹特性[1],而在大部分膨脹土分布地區(qū)有著較為明顯的季節(jié)性氣候變化,降雨入滲與干旱蒸發(fā)使得膨脹土水分發(fā)生較大幅度變化,產(chǎn)生大量膨脹與收縮變形,或因各類約束產(chǎn)生膨脹力,導(dǎo)致土體與上部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。豎直方向膨脹會造成膨脹土地基及上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形開裂,側(cè)向膨脹會導(dǎo)致膨脹土邊坡及支擋結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)破壞[2]。

膨脹土邊坡穩(wěn)定分析不同于一般黏土邊坡[3-4],不能僅從滑體強(qiáng)度不足來考慮,還需要考慮膨脹力作用。包承綱[5]、程展林等[6]通過室內(nèi)試驗(yàn)和模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)膨脹土吸水膨脹造成坡體內(nèi)水平應(yīng)力增加從而使得坡體有更大的下滑趨勢,導(dǎo)致發(fā)生邊坡失穩(wěn)。張震等[7]通過兩種條分法推導(dǎo)出了考慮膨脹力與上覆荷載的膨脹土邊坡穩(wěn)定分析方法,發(fā)現(xiàn)考慮膨脹力時(shí)邊坡安全系數(shù)大幅下降。秦祿生等[8]將膨脹力引入鄧肯-張模型,并用有限元分析了雨季膨脹土邊坡的穩(wěn)定性,通過應(yīng)力應(yīng)變分布差異對照發(fā)現(xiàn),邊坡表層土體產(chǎn)生膨脹力為邊坡淺層滑坡主要原因。因?yàn)橛绊懸蛩乇姸?機(jī)制復(fù)雜、測量困難等原因,側(cè)向膨脹規(guī)律相關(guān)研究不多。張銳等[9]改進(jìn)了常規(guī)側(cè)限膨脹試驗(yàn)裝置與方法,能更好地測量上覆荷載下側(cè)向膨脹力,用于膨脹模型的建立與支檔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參考。池澤成等[10]運(yùn)用改良的三向脹縮儀研究了不同含水率、干密度、單向應(yīng)變下三向膨脹力的變化,發(fā)現(xiàn)干密度增大使得各向異性減弱,微小的應(yīng)變會使膨脹力大幅減小,三向膨脹力逐漸趨同。楊果林等[11]進(jìn)行了側(cè)向膨脹力的現(xiàn)場原位測試,發(fā)現(xiàn)膨脹力變化與含水率增量有關(guān);其大小隨深度增加呈梯形分布;側(cè)向膨脹力與豎向膨脹力差異明顯,不能輕易進(jìn)行各向同性簡化。

以上研究大多將膨脹力作為一個(gè)面力或體力均勻施加,對于具有臨空面的坡體,變形分析難以準(zhǔn)確反映側(cè)向膨脹力變化規(guī)律。在膨脹土邊坡中,側(cè)向壓力包括含水率增加引起的側(cè)向膨脹變形,因不同深度處含水率變化幅度與土體約束條件不同,產(chǎn)生的不同側(cè)向膨脹力以及由土體自重與上覆荷載產(chǎn)生的側(cè)向土壓力。膨脹土吸水膨脹的過程中邊坡土體的側(cè)向壓力增加導(dǎo)致發(fā)生邊坡失穩(wěn)。而邊坡各處土體的含水率分布、土體性質(zhì)、深度等條件的不同導(dǎo)致土體側(cè)向變形的位置與程度不同,側(cè)向壓力也隨之變化,本文使用自制儀器進(jìn)行了側(cè)向應(yīng)變條件下側(cè)向壓力試驗(yàn),研究了側(cè)向應(yīng)變、干濕循環(huán)次數(shù)、上覆壓力等對側(cè)向壓力的影響。

1 試驗(yàn)裝置

常規(guī)的固結(jié)儀等儀器用于測量豎向壓力的單向膨脹試驗(yàn),不能測量側(cè)向壓力,膨脹土邊坡的淺層土體容易發(fā)生不同程度的側(cè)向變形,導(dǎo)致側(cè)向壓力差別巨大。自制儀器可在側(cè)向應(yīng)變控制條件下同時(shí)測量側(cè)向的兩個(gè)不同方向上的壓力。

自制儀器試樣盒見圖1,整體為長方形,以鐵塊與特制鋼螺絲拼接,可通過位移螺桿和后方位移計(jì)調(diào)整側(cè)向變形。在側(cè)壁的預(yù)留孔洞內(nèi)嵌入四個(gè)土壓力傳感器以測定側(cè)向壓力,并通過百分表與靜態(tài)應(yīng)變測試儀測量側(cè)向應(yīng)變。在試樣失水收縮過程中由試樣盒底部的加熱銅片對試樣加熱以加速失水,減少試驗(yàn)時(shí)間,由溫度控制器和溫度測量探頭控制試樣溫度在35 ℃～40 ℃。荷載使用所需質(zhì)量的砂筒施加,在每次試驗(yàn)開始和結(jié)束時(shí)要進(jìn)行多次標(biāo)定。供水時(shí)定量的水流從儲水瓶中流出,通過輸水管上的閥門控制水流的速率,經(jīng)連接器到達(dá)加壓蓋板上的散水孔流入試樣,多余的水通過側(cè)面鐵板高于頂部的出水孔流出進(jìn)入收集瓶,使試樣可以充分利用毛細(xì)管力吸收水。

圖1 試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)土樣與方案

試驗(yàn)用土取自江蘇省南京市某膨脹土滑坡治理工程,取樣深度為地面以下1.5～3.5 m處。土體整體呈現(xiàn)黃褐色,部分土中含有灰白色夾層,呈硬塑狀態(tài)。在現(xiàn)場采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀取樣,計(jì)算天然含水率和天然干密度。之后進(jìn)行了液塑限、顆分、輕型擊實(shí)、礦物成分等基本物理指標(biāo)的試驗(yàn),以及無荷線膨脹率與豎向極限膨脹力等膨脹特性試驗(yàn),根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GBJ 112—87)判定土樣屬于高液限黏土、弱膨脹土。具體參數(shù)見表1。

表1 膨脹土的基本性質(zhì)

取土風(fēng)干過篩加水?dāng)嚢杞M成重塑土,其含水率取土體最優(yōu)含水率21.1%,之后按最大干密度1.58 g/cm3進(jìn)行制樣。在檢查裝置正常后開始安裝試樣,進(jìn)行側(cè)向壓力試驗(yàn)與測量記錄。參考以往諸多學(xué)者研究可知,膨脹土脹縮特性和強(qiáng)度特性在干濕循環(huán)6～7次之后開始逐漸趨于穩(wěn)定[12],同時(shí)通過施加不同豎向壓力模擬土體不同深度受力情況,一般大氣影響深度在4 m之內(nèi)[13-14],通過查閱相關(guān)的研究和預(yù)試驗(yàn)可知[15-16],弱膨脹土側(cè)向應(yīng)變控制量的最大值可定為1.2%。試樣按照五種干濕循環(huán)次數(shù)0、2、4、6、8次;五種上覆壓力0、20、40、60、80 kPa;六種側(cè)向應(yīng)變0、0.15%、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%分別進(jìn)行側(cè)向壓力試驗(yàn),各狀態(tài)的試樣共有150個(gè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 側(cè)限條件下側(cè)向壓力變化規(guī)律

3.1.1 上覆土層壓力對側(cè)向壓力的影響

天然狀態(tài)下膨脹土?xí)艿缴细餐馏w的豎直應(yīng)力,不同深度的膨脹土的力學(xué)與膨脹特性會有所不同,圖2為側(cè)限情況下側(cè)向壓力與上覆土層壓力的關(guān)系,可以看出,隨著上覆壓力的加大,側(cè)向壓力近似呈線性增加。其中上覆壓力的增加作為約束抑制了一定的膨脹變形,抵消了一定的豎向膨脹力,使更多的膨脹潛勢作用于其他方向,從而使得側(cè)向膨脹力增加。同時(shí)上覆壓力也產(chǎn)生了一定的靜止土壓力,共同使側(cè)向壓力增加。

圖2 側(cè)向壓力隨上覆土層壓力變化規(guī)律

3.1.2 干濕循環(huán)對側(cè)向壓力的影響

圖3為不同上覆壓力下干濕循環(huán)時(shí)側(cè)向壓力變化情況。從圖中可以看出,干濕循環(huán)的發(fā)生使得側(cè)向壓力大幅降低,之后隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加側(cè)向壓力不斷降低,但變化幅度也在逐步減小,而隨著上覆壓力的施加,側(cè)向壓力總體明顯提升,初始側(cè)向壓力增加的同時(shí)使得干濕循環(huán)產(chǎn)生的降幅變大,達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也有所變化。干濕循環(huán)使得膨脹土不斷脹縮破壞土體顆粒排列與土體結(jié)構(gòu),強(qiáng)度降低,對膨脹力與土壓力都有所影響,一般在經(jīng)歷6次干濕循環(huán)后試樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也趨于穩(wěn)固,側(cè)向壓力基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 不同上覆壓力下側(cè)向壓力隨干濕循環(huán)變化規(guī)律

3.2 側(cè)向應(yīng)變控制下側(cè)向壓力變化規(guī)律

3.2.1 側(cè)向應(yīng)變對側(cè)向壓力的影響

上覆壓力為零時(shí)側(cè)向應(yīng)變與側(cè)向壓力的關(guān)系見圖4,可以發(fā)現(xiàn),側(cè)向應(yīng)變在開始的小范圍內(nèi)會使側(cè)向壓力產(chǎn)生驟降。相比側(cè)限情況,微小的側(cè)向應(yīng)變都可以使得側(cè)向壓力大幅降低,因?yàn)閭?cè)向應(yīng)變的出現(xiàn)使得試樣產(chǎn)生了更多的吸水膨脹變形,消耗了部分膨脹潛勢,使側(cè)向膨脹力減弱,同時(shí)側(cè)向變形使得土壓力介于靜止土壓力與主動土壓力之間而有所減弱。但這種影響隨著側(cè)向應(yīng)變的增加在逐漸降低。在一些裂縫或臨空面處,側(cè)向應(yīng)變的產(chǎn)生會使得局部側(cè)向壓力減少,引發(fā)內(nèi)力平衡變化,可能會是影響膨脹土邊坡失穩(wěn)的主要原因。

圖4 側(cè)向壓力隨側(cè)向應(yīng)變變化規(guī)律

3.2.2 上覆土層壓力對側(cè)向壓力的影響

圖5為不同側(cè)向應(yīng)變下側(cè)向壓力與上覆壓力的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)上覆壓力與側(cè)向壓力依舊呈線性關(guān)系,側(cè)向應(yīng)變的增加雖然使得側(cè)向壓力減少,但隨上覆壓力的變化規(guī)律沒有明顯改變。因?yàn)樯细矇毫Φ脑黾邮峭ㄟ^約束豎向膨脹的方法以保留更多膨脹潛勢,側(cè)向應(yīng)變的增加是通過側(cè)向膨脹消耗膨脹潛勢,相互之間基本沒有較大的關(guān)聯(lián)與影響。

圖5 不同側(cè)向應(yīng)變下側(cè)向壓力隨上覆壓力變化規(guī)律

3.2.3 干濕循環(huán)對側(cè)向壓力的影響

上覆壓力為零時(shí)不同側(cè)向應(yīng)變下干濕循環(huán)次數(shù)與側(cè)向壓力的關(guān)系見圖6,可以看出,側(cè)向壓力均隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小,在6次循環(huán)時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)定。相同干濕循環(huán)次數(shù)下,側(cè)向壓力隨側(cè)向應(yīng)變的增加而減小。側(cè)向應(yīng)變達(dá)到0.9%時(shí),干濕循環(huán)對側(cè)向膨脹的影響大幅削弱,可能是因?yàn)樽銐虻膫?cè)向膨脹增加了土體的孔隙體積,與干濕循環(huán)一樣,破壞了土體結(jié)構(gòu),使得干濕循環(huán)引起的脹縮對于土體結(jié)構(gòu)的破壞減少,影響變小。而在沒有上覆壓力的情況下,土體自重引起的土壓力較小,基本不產(chǎn)生影響。

圖6 不同側(cè)向應(yīng)變下側(cè)向壓力隨干濕循環(huán)變化規(guī)律

3.2.4 不同側(cè)向應(yīng)變與上覆壓力下側(cè)向壓力隨干濕循環(huán)變化規(guī)律

在施加上覆荷載后,不同側(cè)向應(yīng)變下干濕循環(huán)次數(shù)與側(cè)向壓力的關(guān)系又有了一些變化。圖7與圖8為上覆壓力為20 kPa與80 kPa時(shí)的側(cè)向壓力變化情況,從圖中可以看到,上覆壓力為20 kPa時(shí),除側(cè)向應(yīng)變?yōu)榱銜r(shí)經(jīng)過8次干濕循環(huán)后側(cè)向壓力基本穩(wěn)定外,側(cè)向應(yīng)變大于零時(shí)經(jīng)過8次干濕循環(huán)后側(cè)向壓力仍在降低。當(dāng)上覆壓力為80 kPa,只有側(cè)向應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)經(jīng)過8次干濕循環(huán)后側(cè)向壓力仍在降低。總的趨勢是隨著上覆壓力的增加,側(cè)向壓力達(dá)到穩(wěn)定的干濕循環(huán)次數(shù)逐漸減少。

圖7 上覆壓力20 kPa下側(cè)向壓力隨干濕循環(huán)變化規(guī)律

圖8 上覆壓力80 kPa下側(cè)向壓力隨干濕循環(huán)變化規(guī)律

這可能是因?yàn)樯细矇毫Φ氖┘右种屏嗽嚇拥呐蛎涀冃?干濕循環(huán)過程中土體的結(jié)構(gòu)變化更小,側(cè)向壓力達(dá)到穩(wěn)定的干濕循環(huán)次數(shù)逐漸減少。

為探究側(cè)向壓力在不同條件的變化規(guī)律,以不同狀態(tài)下側(cè)向壓力相對于初始沒有改變時(shí)的側(cè)向壓力的變化幅度作為側(cè)向壓力絕對變化率,具體結(jié)果見表2,可以發(fā)現(xiàn),在現(xiàn)有的變化范圍內(nèi),側(cè)向應(yīng)變對側(cè)向壓力的改變最為明顯,上覆壓力次之,干濕循環(huán)次數(shù)的影響相對較小。對于膨脹土邊坡來說,干濕循環(huán)發(fā)生在大氣影響深度內(nèi),隨著深度增加,上覆壓力增加,而側(cè)向變形減少,干濕循環(huán)幅度也在減小,所以產(chǎn)生的側(cè)向壓力增加,膨脹土邊坡更加容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

表2 不同條件下側(cè)向壓力絕對變化率

4 結(jié)論

1)在側(cè)限條件下,土體上覆壓力的增加會使得側(cè)向壓力隨之增加,兩者基本呈線性關(guān)系。而干濕循環(huán)的進(jìn)行則會導(dǎo)致側(cè)向壓力緩慢降低,直到一定循環(huán)次數(shù)后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),不再產(chǎn)生較大變化。同時(shí)上覆壓力的增加會導(dǎo)致干濕循環(huán)引起的側(cè)向壓力降幅增大,達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間變長。

2)不同側(cè)向應(yīng)變下側(cè)向壓力與上覆壓力基本呈線性關(guān)系,但側(cè)向壓力隨側(cè)向應(yīng)變的增加而大幅下降。干濕循環(huán)造成的側(cè)向壓力降低會隨著側(cè)向應(yīng)變的增加而逐漸減弱。在一些出現(xiàn)側(cè)向應(yīng)變處,如一些裂縫或臨空面附近,局部側(cè)向壓力明顯減少,影響土體受力狀態(tài)變化,可能會是影響膨脹土邊坡失穩(wěn)的主要原因。

3)通過定義側(cè)向壓力絕對變化率,研究各條件下側(cè)向壓力的變化規(guī)律,在現(xiàn)有的變化范圍內(nèi),側(cè)向應(yīng)變對側(cè)向壓力的改變最為明顯,上覆壓力次之,干濕循環(huán)次數(shù)的影響相對較小。從側(cè)向壓力的角度一定程度上解釋了膨脹土邊坡淺層破壞的可能原因。