不同初始條件下察爾汗地區(qū)鹽漬土強(qiáng)度試驗研究

唐雄宇，張吾渝，何 蓓，童國慶，常立君

(1.青海大學(xué) 土木工程學(xué)院，青海 西寧 810016；2.青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗室，青海 西寧 810016)

0 引言

隨著我國西部大開發(fā)政策和“一帶一路”倡議的實(shí)施，鹽漬土地區(qū)擬建和在建的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越來越多[1-2]。由于鹽漬土的鹽脹性、腐蝕性和溶陷性等特殊性質(zhì)，會導(dǎo)致鹽漬土路基產(chǎn)生翻漿、鹽脹、腐蝕、凍脹等病害[3-5]。青海地區(qū)是我國鹽漬土分布面積最廣的區(qū)域之一，其境內(nèi)的道路、機(jī)場、管線、輸電、房建等工程建設(shè)大多會涉及此類病害問題[6-9]。

國內(nèi)外學(xué)者對鹽漬土的強(qiáng)度特性進(jìn)行了大量的研究，而對鹽漬土的研究最早始于前蘇聯(lián)[10-11]，Dobrovl skii等[12]通過研究給出了鹽漬土路基建設(shè)的力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)和鹽漬土路基的使用條件。Sayles[13]進(jìn)行了鹽漬土的三軸試驗，發(fā)現(xiàn)加載速率和圍壓的大小與剪切強(qiáng)度之間具有很大關(guān)系。Xu等[14]開展了不同圍壓、含水率和加載頻率條件下的三軸試驗，得出破壞強(qiáng)度隨著圍壓的增加而增加；動黏聚力和動摩擦角隨著含水率的增加而減小，隨著加載頻率的增加而增加。Peng等[15]發(fā)現(xiàn)吉林省地區(qū)的鹽漬土土粒間結(jié)合水膜的膠結(jié)強(qiáng)度容易受含水率和含鹽量的影響，壓實(shí)度也是影響土體強(qiáng)度的重要因素。

我國現(xiàn)階段對鹽漬土強(qiáng)度特性方面也做了大量的研究。陳煒韜等[16]通過研究得出氯鹽漬土在含水率一定時，鹽漬土的抗剪強(qiáng)度隨著含鹽量的增加而不斷減小，當(dāng)增加到某一范圍后開始增大。于青春等[17]分析了蘇打型鹽漬土在失水和吸水條件下抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化機(jī)制，得出土體在失水的過程中其抗剪強(qiáng)度逐漸增大，土體在吸水過程中抗剪強(qiáng)度逐漸降低。蔡國慶等對非飽和黃土開展直剪試驗，得出隨著含水率的增加，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均減小的結(jié)論。董山等得出壓實(shí)黃土狀粉土的含水率在最優(yōu)含水率附近取得最大值，內(nèi)摩擦角隨含水率的增加不斷減小，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨著壓實(shí)度的增大均不斷增大。馬軍澤等[18]研究了干濕循環(huán)和含鹽量對硫酸鹽漬土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著含鹽量的增大，在干濕循環(huán)作用下硫酸鹽漬土的強(qiáng)度逐級降低，含鹽量越大效果越明顯。趙福堂等[19]研究了溫度變化對鹽漬土動強(qiáng)度參數(shù)的影響，得出隨著溫度的降低，動摩擦角和動黏聚力逐漸增大。

從以往大量的研究中可知，影響土體強(qiáng)度特性的因素很多，在眾多影響鹽漬土強(qiáng)度的因素中，除了溫度、含鹽量、上覆荷載等因素影響外，含水率、壓實(shí)度和周圍壓力對鹽漬土的力學(xué)特性也有著重要的影響。而氯鹽漬土作為一種特殊土，具有較強(qiáng)的吸濕性。

隨著水分的浸入，和土體顆粒共同起骨架作用的鹽晶溶解，在荷載作用下失穩(wěn)壓密，導(dǎo)致路基下沉，故研究氯鹽漬土的強(qiáng)度特性具有重要意義。因此，本試驗以青海西部典型鹽漬土分布地區(qū)的路基鹽漬土為研究對象，分析了不同壓實(shí)度和含水率對其強(qiáng)度特性的影響以及變化規(guī)律，并通過微觀試驗闡述不同初始條件對其強(qiáng)度特性的影響機(jī)理，為該鹽漬土地區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)和路基病害防治提供一定的理論參數(shù)和依據(jù)。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗材料

表1 離子含量

表2 基本物理性質(zhì)

1.2 試驗方案

按照土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)以控制不同初始條件進(jìn)行不排水三軸剪切試驗。取5%，7%，10%的含水率和93%，95%，97%的壓實(shí)度制作試樣，分別在100，200，300 kPa的周圍壓力下進(jìn)行試驗，剪切速率為0.8 mm/min。試驗采用SLB-1型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗儀，試樣的直徑為39.1 mm，試樣的高度為80 mm，重塑土試樣采用分層擊實(shí)。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線模型及驗證

為了研究該地區(qū)鹽漬土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律，結(jié)合研究數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)圍壓為100 kPa和200 kPa時，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)變軟化型；圍壓為300 kPa時，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化型，而土的本構(gòu)模型能夠?qū)⑹覂?nèi)試驗所得的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系轉(zhuǎn)化為合理的數(shù)學(xué)表達(dá)式，選取合適的應(yīng)力-應(yīng)變模型對試驗結(jié)果進(jìn)行模擬，找到對應(yīng)的本構(gòu)模型能夠給實(shí)際工程建設(shè)提供理論指導(dǎo)。由于篇幅有限，故取壓實(shí)度為97%和含水率為7%的試樣試驗結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1.1 應(yīng)力應(yīng)變軟化模型

早在1986年，沈珠江[20]就提出了用來描述應(yīng)變軟化性的三次多項式，其表達(dá)式：

(1)

式中，a，b，c分別為試驗參數(shù)。當(dāng)ε1(軸向應(yīng)變)趨近于0時，應(yīng)力應(yīng)變曲線的起始斜率即為1/a，峰值應(yīng)力(σ1-σ3)p等于1/(4b-4c)，峰值應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)變εp等于a/(b-2c)，當(dāng)ε1無窮大時的軟化殘余強(qiáng)度為c/b2。

由計算得軟化模型參數(shù)見表3。

表3 軟化模型參數(shù)

由于察爾汗地區(qū)氯鹽漬土在低圍壓和低壓實(shí)度條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化型，故采用式(1)的三次多項式在不同周圍壓力、含水率和壓實(shí)度條件下進(jìn)行模擬，如圖1(a)、(b)和圖2(a)、2(b)所示。

圖1 不同含水率下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves of samples under different water contents

2.1.2 Duncan-Chang雙曲線模型

在以往對應(yīng)變硬化性的研究過程中，不難發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)者都用具有代表性的Duncan-Chang雙曲線模型。其表達(dá)式為：

(2)

式中，σ1-σ3為偏應(yīng)力；a和b為試驗參數(shù)；ε1為試樣的軸向應(yīng)變。

取周圍壓力為300 kPa的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。為了方便擬合，將式(2)改寫成如下形式：

(3)

由表4的擬合結(jié)果可以看出，式(3)的線性關(guān)系很強(qiáng)，不同含水率ω和壓實(shí)度條件下的擬合度都在0.97以上，所以用Duncan-Chang雙曲線模型來模擬氯鹽漬土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是可行的，故利用此應(yīng)變硬化模型對察爾汗地區(qū)氯鹽漬土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了模擬計算,見圖1(c)和圖2(c)。

表4 線性擬合結(jié)果

由圖1和圖2可以看出，模擬值和試驗值基本能吻合，說明模型和參數(shù)的選取較為合理。

2.1.3 氯鹽漬土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線模型的驗證

在壓實(shí)度一定時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線在圍壓較小的情況下隨含水率的變化呈應(yīng)變軟化型；在圍壓較大的情況下呈應(yīng)變硬化型。這是因為在相同的孔隙條件下，低圍壓時，在不排水的條件下，隨著應(yīng)變的增加，孔隙更容易達(dá)到最佳密實(shí)狀態(tài)且超靜孔隙水壓力的變化只會導(dǎo)致顆粒之間有效應(yīng)力的變化，進(jìn)而出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象，高圍壓時，孔隙被壓縮得更實(shí)，導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象。隨著周圍壓力的增加，導(dǎo)致“圍箍”作用增強(qiáng)，土顆粒相互間的接觸點(diǎn)增多，試樣在相同條件下的密實(shí)度不斷增大，從而導(dǎo)致試樣抵抗破壞的能力增強(qiáng)，宏觀表現(xiàn)為試樣破壞時峰值應(yīng)變整體呈增大的趨勢。含水率為7%時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線最先達(dá)到峰值點(diǎn)，試樣破壞時的峰值強(qiáng)度最大，而試樣的最優(yōu)含水率為6.82%，則試樣在最優(yōu)含水率附近的應(yīng)力應(yīng)變特性最佳。這是由于土樣在最優(yōu)含水率附近時土顆粒之間的咬合作用和膠結(jié)作用最強(qiáng)。

圖2 不同壓實(shí)度下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of samples under different compaction degrees

由圖2可以看出，在含水率一定時，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線隨壓實(shí)度變化呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化型，圍壓越小越明顯，這說明在低圍壓狀態(tài)下，試樣的側(cè)向變形約束較小，隨著軸向變形的增加，試樣很容易被破壞；圍壓一定時，峰值強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的增加而增加，這是因為在低壓實(shí)度狀態(tài)下，試樣孔隙未被壓實(shí)，試樣內(nèi)部的超靜孔隙水壓力大，顆粒之間的有效應(yīng)力小，試樣極易發(fā)生破壞，高壓實(shí)狀態(tài)反之，這也說明察爾汗地區(qū)氯鹽漬土的應(yīng)力應(yīng)變特性與壓實(shí)度的變化有密切的聯(lián)系。由表5可知，壓實(shí)度為93%時，周圍壓力為100,200 kPa和300 kPa試樣破壞時峰值應(yīng)力試驗值分別為346.8, 696.7 kPa和1 166.2 kPa；壓實(shí)度為95%時，周圍壓力為100,200 kPa和300 kPa試樣破壞時峰值應(yīng)力試驗值分別為499.5,851.8 kPa和1 296.3 kPa；壓實(shí)度為97%時，圍壓為100, 200 kPa和300 kPa試樣破壞時峰值應(yīng)力試驗值分別為576.4,897.2 kPa和1 345.5 kPa，故圍壓越大峰值強(qiáng)度越大，且圍壓對峰值強(qiáng)度的影響大于壓實(shí)度對峰值強(qiáng)度的影響。

2.2 氯鹽漬土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

試樣的破壞峰值即最大主應(yīng)力差，在試驗過程中，應(yīng)力應(yīng)變曲線若出現(xiàn)峰值，則取此值為破壞峰值，若未出現(xiàn)峰值，取試驗時應(yīng)變達(dá)到15%處的主應(yīng)力差為破壞峰值。不同圍壓條件下，最大主應(yīng)力差試驗值隨含水率和壓實(shí)度的變化見表5。

表5 最大主應(yīng)力差試驗值隨含水率和壓實(shí)度的變化

根據(jù)破壞強(qiáng)度值，取在相同壓實(shí)度和含水率條件下，不同周圍壓力的土樣在破壞時的σ1和σ3繪制莫爾應(yīng)力圓，作出莫爾應(yīng)力圓的公切線，得出2個區(qū)域試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)見表6。

表6 不同壓實(shí)度和含水率下的抗剪強(qiáng)度

圖3 不同壓實(shí)度下抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化Fig.3 Shear strength varying with water content under different compaction degrees

圖4 不同含水率下抗剪強(qiáng)度隨壓實(shí)度的變化Fig.4 Shear strength varying with compaction degree under different water contents

由圖3和圖4可以看出，含水率的變化對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響顯著，同一含水率條件下，隨著壓實(shí)度的增加，鹽漬土試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角不斷增加；同一壓實(shí)度條件下，鹽漬土試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角在最優(yōu)含水率附近時出現(xiàn)拐點(diǎn)，含水率增加到10%時降低趨勢明顯，這說明察爾汗地區(qū)氯鹽漬土的水穩(wěn)性較差，含水率的變化對其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響較大。這是因為黏性土的含水率在達(dá)到塑限之前土體內(nèi)的孔隙水主要是強(qiáng)結(jié)合水，基本沒有自由水，強(qiáng)結(jié)合水主要吸附在土顆粒的表面，土顆粒之間的間距較大，能夠傳遞靜水壓力。當(dāng)土的含水率大于塑限后，自由水不斷變多，土顆粒之間的間距減小，其收縮性和膨脹性增強(qiáng)，故黏聚力和內(nèi)摩擦角出現(xiàn)拐點(diǎn)。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

本試驗在三軸剪切試驗的基礎(chǔ)上選取含水率為7%(最優(yōu)含水率附近)和周圍壓力為100 kPa破壞后的試樣進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)微觀結(jié)構(gòu)分析，從微觀層面對宏觀試驗結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的解釋和說明。圖5為不同周圍壓力條件下不同壓實(shí)度鹽漬土試樣在試驗前后放大500倍的微觀形態(tài)圖。

圖5 σ3=100 kPa時，試驗前后微觀形態(tài)對比Fig.5 Comparison of microscopic morphology before and after test when σ3=100 kPa

由微觀圖形可以看出，在相同的壓實(shí)度條件下，試驗前后放大500倍后的微觀形態(tài)存在著顯著的差異。試驗前主要以塊狀存在，以大顆粒為主。試驗后主要以網(wǎng)狀和珊瑚狀附著在土顆粒周圍。同一壓實(shí)度狀態(tài)下，試驗后較試驗前土的顆粒之間的聯(lián)系更緊密。隨著壓實(shí)度的增加，顆粒之間的間隙和顆粒直徑逐漸變小，顆粒之間的孔隙的填充度越高，故其所表現(xiàn)出的土的強(qiáng)度逐漸增大，所表現(xiàn)出的土的抗剪強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)壓實(shí)度為97%時，抗剪強(qiáng)度最大。這與土體的孔隙結(jié)構(gòu)有一定的聯(lián)系，孔隙結(jié)構(gòu)是土體很主要的結(jié)構(gòu)特征，它直接決定了土的強(qiáng)度特征和壓縮性能，顆粒的形狀、大小以及顆粒之間的間隙不同，對土強(qiáng)度特性的影響也不同。在低壓實(shí)度條件下孤立孔隙的直徑和顆粒大且存在著過多的孤立孔隙，導(dǎo)致土體的壓縮性大，表現(xiàn)出的強(qiáng)度性質(zhì)就較差，反之，強(qiáng)度性質(zhì)越強(qiáng)。

3 結(jié)論

(1)采用Duncan-Chang雙曲線模型和軟化模型對應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行了模擬計算，計算值與試驗值的吻合度較高，對氯鹽漬土地區(qū)的工程建設(shè)能提供理論指導(dǎo)。

(2)含水率、壓實(shí)度和圍壓是影響鹽漬土抗剪強(qiáng)度的重要因素，圍壓對試樣峰值強(qiáng)度的影響大于壓實(shí)度對試樣峰值強(qiáng)度的影響。

(3)隨著壓實(shí)度的增加，試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角不斷增加。壓實(shí)度一定時，試樣在最優(yōu)含水率附近的抗剪強(qiáng)度最大；同一壓實(shí)度條件下，黏聚力和內(nèi)摩擦角在塑限附近出現(xiàn)拐點(diǎn)；從微觀層面對宏觀結(jié)果進(jìn)行了合理的解釋。

(4)察爾汗地區(qū)氯鹽漬土的水穩(wěn)性較差，含水率的變化對其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響較大。含水率一定時，察爾汗地區(qū)氯鹽漬土的抗剪強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的增加而不斷增加。