土工格柵抑制黃土干縮裂隙試驗分析

2020-12-21 10:20:42馬帥帥陳能遠薛道耐胡囝楠

水資源與水工程學報 2020年4期

郭鴻，馬帥帥，王普，曹龍，陳能遠，薛道耐，胡囝楠

(1.陜西理工大學土木工程與建筑學院，陜西漢中 723000；2.信息產業部電子綜合勘察研究院，陜西西安710054)

1 研究背景

在廣大的黃土區域內，由于土體內部水分蒸發而引起的干縮裂隙[1-3]十分常見。在黃土地區的堤壩、路基等工程中，由于季節性降雨[4]和干旱交替的氣候特點，黃土路基貫通裂隙現象已經成為公路路基病害之一。

引起土體干縮裂隙的原因一般是由于土顆粒之間的“吸引力”增大，土顆粒出現“團聚”現象，宏觀上的表現則是顆粒被“撕裂”，出現干縮裂隙。在農業領域，土體的干縮裂隙直接影響農作物的生長、發育及產量[5]；在巖土工程領域，土體的干縮裂隙對土工構筑物的安全造成了不可忽視的隱患。比如在降雨后，如果出現連續干旱天氣，黃土持續失水會導致干縮裂隙不斷擴展，而干旱過后的降水將會更容易滲入黃土構筑物深層，從而使得深層黃土的黏聚力和內摩擦角減小，這就為滑坡或不均勻沉降埋下了隱患。近年來由于土體干縮裂隙對工程嚴重的影響而受到學者們的廣泛關注。Horgan等[6]定量描述了土體的干縮裂隙，并建立了可以模擬干縮裂隙發展演化過程的模型；Ringrose-Voase等[7]通過試驗，解決了土體顆粒表面裂隙定量測量的問題；Vogel等[8]基于室內試驗的方法揭示了黏性土干縮裂隙的內在機制和動力學特征，并建立了基于動力學的裂隙模型；Yoshida等[9]采用Biot固結理論，對農田飽和黏土的干縮裂隙進行了預測研究。

影響土體干縮裂隙的因素很多，如蒙脫石含量[10]、顆粒特性[11]、土體內部含水情況[12]以及土水特征等[13-15]。以往針對土體干縮裂隙的研究基本都集中在裂隙產生的力學機制、幾何形態的定量描述以及裂隙模型等方面，對于裂隙的抑制方法尚未見文獻報道。從土體裂隙產生的機理看，主要是因為黏土抗拉強度達到極限而導致局部顆粒被“撕裂”。土工格柵具有良好的力學特性，在工程上常常被用于增加土體的抗拉、抗剪強度，因此被廣泛應用于土體加固工程中[16-20]。鑒于此，本文從公路工程的背景出發，綜合考慮環境溫度、土層厚度和有無格柵等條件，分析出土工格柵、環境溫度、土體厚度等對黃土干縮裂隙的影響規律，彌補土工格柵對黃土干縮裂隙影響方面的研究空缺，并對黃土地區路基的干縮裂隙防治提供相應的理論依據。

2 試驗材料與試驗方案

2.1 試驗材料

試驗采用的黃土為西安市某工程基坑深5 m處的Q3黃土，土樣的物理性質指標見表1，土樣取回后經室內風干粉碎并過2 mm篩；本試驗所用土工格柵為雙向聚酯經編滌綸型，如圖1所示，其力學指標見表2。

表1 土樣的物理性質指標

表2 土工格柵力學指標

圖1 雙向聚酯經編滌綸土工格柵

2.2 試驗方案

在試驗方案的確定中，綜合考慮土工格柵、試樣厚度及溫度對裂隙的影響。試樣厚度共分3種，分別為5、9、14 mm(用H1、H2、H3表示)，試樣的直徑均為15 cm，試驗溫度分別為30、40、50℃(用T3、T4、T5表示)。試驗中不加格柵用N表示，加格柵用G表示；厚度主要依靠控制分裝質量來實現；溫度依靠調節恒溫烘干箱的溫度來實現。通過對上述不同試樣進行組合，可以得到這18個試樣標簽，如表3所示。

表3 18個試樣標簽

需要指出的是，本文試驗采用恒溫蒸發，且試驗溫度區間有限，而實際黃土構筑物工程的干縮問題，受風速、氣候等因素影響，長時間恒溫的可能性較小，且溫度區間很可能會超出30～50℃的區間。另外，由于試樣尺寸有限，邊界可能對土體干縮裂隙有一定影響，在本文中暫未考慮尺寸效應。盡管如此，本文試驗方案對于研究蒸發溫度對干縮裂隙的影響具有一定的理論指導意義。

試驗時稱取一定量的風干土置于攪拌容器中，后加入一定量的水，配置含水率為60%的泥漿。攪拌均勻后，按厚度對比分裝質量將試樣分裝，將準備好的格柵加入到標簽為G的試樣中，用泥漿將格柵埋沒。整平所有試樣并放在水平桌面靜置1 h，而后稱取所有試樣質量，將試樣放入對應溫度的烘干箱中，保證試樣在對應溫度下恒溫失水。試驗過程中每間隔2 h要對試樣進行圖像采集和數據采集。

3 結果與分析

3.1 含水率及水分蒸發速率變化

根據采集到的數據，分別計算得到試驗溫度為30、40、50℃下所有試樣的含水率和蒸發速率隨時間變化曲線，如圖2所示。

圖2 不同試驗溫度下各試樣含水率和蒸發速率隨時間變化曲線

由圖2(a)、2(c)、2(e)可知，所有試樣含水率變化曲線都有相同的趨勢，即在含水率大于2%時，含水率隨時間呈線性變化；當含水率降小于2%時，曲線近似平行于時間軸。因此曲線會出現轉折點，觀察在此拐點所對應的圖像，與其他圖像相比較，發現在此拐點后裂隙再無變化，說明此時裂隙的發展已經穩定。

對所有試樣含水率曲線進行分析，得出含水率曲線轉折點，分析達到該轉折點需要的時長可知，試驗溫度在30、40℃時，有無格柵對裂隙穩定所需時間沒有影響；在50℃時，有格柵試樣裂隙穩定所需時間比無格柵試樣裂隙穩定時間要短。說明在高溫情況下，格柵縮短了黃土裂隙穩定的時間。

對比觀察蒸發速率曲線可知，一定溫度下，試樣蒸發速率在某一時段內上下浮動，之后會迅速降低，如30℃下的所有試樣初始蒸發速率為0.012～0.018 g/(mm2·h)；40℃下試樣初始蒸發速率為0.02～0.025 g/(mm2·h)；50℃下試樣初始蒸發速率為0.035～0.045 g/(mm2·h)。由此可知：在一定溫度下，黃土中水的蒸發速率是一定的。同時觀察2(b)、2(d)、2(f)可知，初始蒸發速率與土體厚度、和加筋與否均無關。但是從蒸發速率開始快速衰減的時間來看，厚度越大，開始快速衰減前的耗時越長，且同等條件下，有格柵黃土的衰減耗時更長，尤其是在50℃時比較明顯。

3.2 干縮裂隙圖像分析

裂隙的形成和發展是改變土體結構的主要因素，這是極其復雜的過程，不過其具有一定的規律性。認識和了解其規律對于研究裂隙的形成機理和土體中水分的遷移有極大的幫助[3]。

3.2.1 土工格柵抑制干縮裂隙分析以試驗溫度為40℃時的情況為例，在試樣含水率相同的條件下分析試樣厚度及土工格柵對其裂隙形態的影響，如圖3所示。

圖3 含水率相同時試樣不同厚度及土工格柵對其裂隙的影響對比(試驗溫度40℃)

分析圖3可以看出，在溫度、厚度相同條件下，加格柵試樣比不加格柵的試樣出現裂隙多，且加格柵試樣裂隙在試樣表面分布比不加格柵試樣要均勻。另外，加格柵試樣裂隙比較細而窄，且在中心區域裂隙比較密集，但是大多并未形成貫通裂隙；試樣越厚的土體裂隙會越少，但是其寬度越大。在實際工程中，長而寬的裂隙遇到強降水，水會從裂隙快速流入土內，容易造成滑坡、崩塌、泥石流等自然災害，對于施工安全和工程質量是致命的。

試樣的干縮裂隙最大寬度和最大深度反映了土工格柵的加固效果。以40℃為例，測量了不同試樣厚度情況下裂隙的最大寬度和深度，如圖4所示。由于試樣的厚度在9～14 mm之間，干縮穩定后裂隙均貫穿到了試樣底部，因此，加固前后裂隙深度均一樣。但是土工格柵對于最大裂隙寬度影響較大，當試樣厚度分別為5、9和14 mm時，最大裂隙寬度分別減小了20%、24%和34%。這就說明土工格柵對于抑制黃土干縮裂隙的作用明顯，且隨著試樣厚度的增加效果更趨明顯。

圖4 不同試樣厚度下土工格柵對試樣最大裂隙寬度和深度的影響(試驗溫度40℃)

3.2.2 黃土試樣裂隙發展黃土試樣從完全飽和到完全干燥的過程中，裂隙不斷發展演變。以30℃下厚度為14 mm不加格柵試樣(NH3T3)的裂隙發展過程為例，如圖5所示。

觀察圖5中試樣裂隙形態發現，試樣在37 h的裂隙形狀與69 h的裂隙形狀大致相同，說明37 h以后沒有其他新的裂隙產生。但是在37 h以前，裂隙的數量、寬度和深度在緩慢增加。對試樣采集到的圖像觀察發現，所有試樣都有以上規律。因此可將裂隙的發展分為3個階段：

圖5 NH3T3試樣不同時間裂隙形態

(1)形成階段，在此階段內，試樣的裂隙會迅速增加，但是大多數裂隙是比較窄的；

(2)加速階段，其表現為不再有新裂隙的產生，只是形成階段產生的裂隙加寬加深；

(3)穩定階段，在此時間段內，試樣含水率繼續減小，但試樣裂隙的數量、寬度、深度不再隨時間的改變而改變。為探究土工格柵對裂隙發展的抑制作用，將每一階段起始時間以及試樣此時的含水率進行分析(以40℃為例)，如表4所示。

由表4可知，相同溫度和厚度情況下，土工格柵對于裂隙發展起到一定的作用，具體表現為：試樣厚度較小時，土工格柵加快了裂隙的形成；試樣厚度較大時，土工格柵減小了裂隙的形成。這一結果給實際工程帶來重要啟示，即在土工格柵加固黃土的施工過程中，“保護層”的厚度非常重要，必須達到一定的厚度才能有效抑制黃土干縮裂隙。需要指出的是，由于室內試驗的局限性，目前尚無法給出工程具體的“保護層”厚度，需要用模型試驗或現場試驗予以解決。