荷載與干濕循環協同下紅黏土的強度特性與裂隙演化規律

徐剛敏,陳開圣,羅國夫

(貴州大學 土木工程學院,貴州 貴陽 550025)

0 引 言

紅黏土是一種典型的特殊性黏土[1],具有對環境濕度變化敏感、多裂縫、強脹縮和強度衰減等特性。在干濕循環和上覆荷載協同作用下使得土體力學特性進一步退化,強度降低,變形加大,加劇了以紅黏土作為地基基礎的構筑物發生沉陷、開裂、滑坡等地質災害的可能性[2-5]。

當前黏性土干濕循環試驗方法大致可以分為兩類,無荷載下干濕循環試驗和有荷載下干濕循環試驗。目前無荷載干濕循環對土體力學特性研究較多,且結論也比較明確,即干濕循環后紅黏土的黏聚力及內摩擦角均不同程度地降低[6-8]。但在實際工程中荷載與干濕循環是共同作用的。因此,國內外學者針對荷載作用下黏性土的干濕循環裝置及試驗方法進行了一些初步研究。楊和平等利用直剪儀杠桿施加上覆荷載,進行荷載作用下土的干濕循環試驗[9];張啟等利用固結儀進行裝置改裝實現加載,通過拆除荷載對試樣進行稱重控制含水率[10];楊和平通過環刀試樣上方的鋼片加載,在干濕循環過程中使用烘箱烘24 h后再稱重[11];趙克烈通過在定制套筒兩端安裝軸力傳導帽連接施力彈簧對三軸樣加縱向荷載,烘箱干燥[12];DONG等使用杠桿和砝碼對試樣加壓,為控制含水率變動幅度,在干燥一段時間后通過固定螺母限制土樣回彈,認為限制面板對土的作用力等同于上覆荷載,通過稱重確定含水率[13]。

以上裝置考慮了荷載與干濕循環的共同作用,但也存在一些不足。首先,在干濕循環的過程中將試樣取出測含水率,這就不可避免地發生卸荷且擾動試樣,與實際工程不符。其次,在加載方式上如采用彈簧加載時,試樣在干濕循環過程中產生的形變會導致施加荷載有偏差。最后,在通過固定螺母限制土樣回彈來控制含水率變動幅度時,螺母擰緊程度需要試驗人員具有較高的試驗素質,擰緊程度不一會影響上覆荷載大小,每個試樣是否承受相同的上覆荷載,有待進一步研究。

基于以上,研發一種荷載與干濕循環協同作用下土的直剪試驗裝置與方法,試驗過程中不需要卸載。采用圖像處理系統,提出考慮表面裂隙和側面裂隙下土的裂隙率計算方法,分析了荷載與干濕循環協同作用下紅黏土抗剪強度指標及裂隙演化規律,建立抗剪強度指標與裂隙率、壓實度的關系,為獲取符合工程實際的紅黏土設計參數提供依據。

1 原材料性能

試驗用土取自貴州福泉某公路改擴建工程中段,取土深度0～3 m。現場土樣呈黃褐色,含少許植物根莖及礫石,土質均勻,結構致密,天然含水率高,黏聚性較大,符合典型的紅黏土特征(表1)。

表1 紅黏土基本物理性質

2 樣品制備

紅黏土置于105 ℃烘箱中烘干后過2 mm篩,加水充分攪拌至目標含水率,密封24 h。根據《公路路基設計規范》(JTG D30—2015),高速公路、一級公路上路床壓實度大于等于96%,下路堤壓實度大于等于93%,三、四級公路下路堤壓實度大于等于90%,設置90%、93%和96%這3個壓實度。按設計壓實度稱取所需質量的土樣,采用靜力壓實法[14]在最佳含水率條件下制備不同壓實度的環刀樣品,直徑為61.8 mm、高為20 mm。干濕循環次數擬定為6次,上覆荷載分別為0,10,30和60 kPa(表2)。用于直剪試驗時每組制備4個平行試樣。

表2 荷載與干濕循環協同下試驗工況

3 試驗方案

3.1 土的直剪試驗裝置與方法

3.1.1 試驗裝置

模擬干濕循環與荷載協同作用下土的直剪試驗裝置根據現有直剪儀改裝而成(圖1和圖2),包括加載裝置、剪切裝置、增濕裝置、干燥裝置和測量裝置。加載裝置通過杠桿施加砝碼完成。剪切裝置在現有的直剪儀上完成,上下剪切盒用長螺絲旋緊固定,剪切盒內從下至上依次放置不透水板、濾紙、試樣、濾紙、透水石、透水傳壓蓋。傳壓桿的施力螺絲頂在透水傳壓蓋上,傳壓桿上的兩根立桿連接下部杠桿。增濕裝置通過注射器緩慢注水進入鋁箔圓環與透水傳壓蓋所圍的槽內完成。干燥裝置包括可調節支架、燈暖浴霸和均勻開孔的透水傳壓蓋。測量裝置包括縱向百分表和測力環。該裝置可對土樣施加荷載的同時進行干濕循環,在干濕循環過程中無需卸載,有效解決以往干濕循環過程中土樣反復卸載與擾動的問題,通過杠桿和砝碼加載有效保證施加荷載一致,開孔的透水傳壓蓋可加速試樣干燥過程(圖1(c))。

1-調節支架;2-燈暖浴霸;3-推動座;4-傳壓桿;5-直剪盒;6-量力環;7-平穩錘;8-杠桿;9-支撐底座;10-砝碼托盤;11-鎖緊螺母;12-透水傳壓蓋;13-鋁箔圓環;14-長螺絲;15-上剪切盒;16-下剪切盒;17-不透水板;18-試驗土樣;19-透水石;20-透水孔圖1 模擬荷載與干濕循環協同作用裝置結構Fig.1 Structure of the device for simulating the synergistic effect of load and dry-wet cycle

圖2 模擬荷載與干濕循環協同作用裝置Fig.2 Device for simulating the synergistic effect of load and dry-wet cycle

3.1.2 試驗方法

1)加載:將試樣放于加載裝置上,分別施加0,10,30 和60 kPa的上覆荷載。

2)預增濕:通過注射器緩慢注入鋁箔圓環與透水傳壓蓋所圍的槽內,使水緩慢滲入,對樣品增濕到目標含水率40%,靜置24 h。

3)干燥過程:打開燈暖浴霸,烘干至目標含水率25%。通過預試驗確定干燥到目標含水率所需的時間。在預試驗的干燥過程中,卸下荷載,記錄干燥時間,測定試樣含水率,當試樣達目標含水率時記錄在該級荷載下的時間。正式試驗以預試驗的時間為依據確定干燥時間,此時上覆荷載不能卸載,確保干濕循環與荷載協同作用。

文獻[15-18]表明黏性土在有防排水等措施的情況下,含水率變幅在4%～14.83%。鋪筑完成、長期穩定后,含水率下限在OMC(最佳含水率)-5%～OMC+5%。陳南、吳立堅等對貴州余凱高速及凱羊高速6個標段共33處邊坡含水率開展測試,邊坡含水率為16%～45%[19]。綜合考慮,試驗的干濕循環含水率的變化幅度為25%～40%。

4)再增濕:同預增濕操作一致,使試樣含水率由25%升至30%,到此完成一次干濕循環。重復以上步驟直至完成預定次數的干濕循環(圖3)。

圖3 干濕循環試驗方法Fig.3 Dry-wet cycle test skedule

5)直剪試驗:對4個直剪盒內的試樣以0.8 mm/min進行當前荷載下的快剪。每15 min計1次測力環上百分表的讀數,取最大值計算出的剪切應力作為試樣的最大抗剪強度值。

3.2 荷載與干濕循環協同下土的裂隙率計算方法

試樣經歷荷載與干濕循環協同作用后在光照角度、位置相同的條件下對表面與側面進行拍照。處理步驟(圖4)為:①除去試樣以外的背景,保留表面的彩色圖片信息,將其轉化為灰度圖像。②設置閾值對灰度圖像進行二值化,將灰度值大于閾值的裂隙區變為黑色,小于閾值的土塊區變為白色。③由于表面不均勻,二值圖像可能會因土顆粒的存在使得代表土塊的白色區域內出現孤立黑點,通過Photoshop橡皮檫功能去除。④分別統計出除去邊框后的黑色像素點數、總像素點數。用除去邊框后的黑色像素點數與除去邊框后的總像素點數的比值作為表面或側面裂隙率(式(1))。

圖4 圖像處理過程Fig.4 Image processing process注:第一行照片與第二行照片分別是荷載與干濕循環協同下試樣的表面裂隙、側面裂隙。

在干濕循環與荷載協同下土樣在其表面和側面均有裂隙,用單一的表面或側面的裂隙不能完全反映總體的裂隙發育情況(圖4)。因此,按照面積比作為權重,對表面和側面裂隙率進行加權平均計算,用加權平均值作為試樣總體的裂隙率。本試驗環刀試樣直徑為 6.18 cm,高度為 2 cm,表面面積為 29.99 cm2,側面面積為 12.36 cm2,因此表面裂隙率權重為0.708,側面裂隙權重為0.292。

(1)

式中δfi為試樣表面或側面裂隙率,%;Ai為圖片中除去邊框后的黑色像素點數;Aw為除去邊框后的總像素點數。

4 結果分析

4.1 紅黏土的抗剪強度指標變化規律

在荷載與干濕循環協同下,紅黏土黏聚力和內摩擦角隨壓實度的增大而增大(圖5、圖6)。這是因為紅黏土的黏聚力主要由土粒間水膜受到相鄰土粒之間的電分子引力以及土中化合物的膠結作用而形成的[20],對于黏性土來說,在同一含水率下增大壓實度可增加土體的密實度,顆粒之間的距離越小,水膜越薄,黏聚力也就越大。同時,土的密實度越大,土顆粒間接觸較緊,土粒間的摩擦力和咬合力也就越大,表現為內摩擦角越大。

圖5 不同上覆荷載下黏聚力與壓實度的關系Fig.5 Relationship between cohesion and compaction for different overburden loads

圖6 不同上覆荷載下內摩擦角與壓實度的關系Fig.6 Relationship between internal friction angle and compaction for different overburden loads

在荷載與干濕循環協同作用下,紅黏土黏聚力隨干濕循環次數的增加而降低,前面3次降低顯著,后逐漸趨于穩定(圖7(a))。內摩擦角隨干濕循環次數增加總體在10°的范圍內波動(圖7(b))。產生這種結果的原因可能是:紅黏土在增濕過程中土體內孔隙被水分填充,顆粒中的膠結物得到溶蝕,摩擦力減小,同時親水性礦物吸水膨脹;在脫濕過程中水分蒸發,土體收縮,孔隙增多,土顆粒間更加緊密,摩擦力增大;反復的干濕循環過程會導致土體骨架反復收縮膨脹,破環土體的結構完整性,造成不可逆轉的結構損傷[21]。

圖7 黏聚力、內摩擦角與干濕循環次數的關系Fig.7 Relationship between cohesion,internal friction angle and number of dry-wet cycles

無上覆荷載和10 kPa上覆荷載作用下,土樣的黏聚力在經歷1～2次循環后急劇降低,2～6次循環時下降趨勢逐漸平緩(圖7(a))。這說明紅黏土在經歷一定次數的干濕循環后土體強度會趨于穩定。在30 kPa上覆荷載下,土樣黏聚力在經歷1～2次循環后下降趨勢有所放緩;在60 kPa上覆荷載下,土樣黏聚力在1～2次循環時下降坡度更平緩且更均勻,且經歷6次干濕循環后黏聚力的穩定值明顯大于其他上覆荷載的穩定值(圖7(a))。這說明增大上覆荷載延長了土體抵抗干濕循環劣化作用的能力。為進一步探究上覆荷載對抗剪強度指標的影響,作黏聚力與內摩擦角隨上覆荷載變化情況圖(圖8)。

圖8 黏聚力與內摩擦角隨荷載變化Fig.8 Variation of cohesion and angle of internal friction with loading

在荷載與干濕循環協同作用下,紅黏土黏聚力都隨上覆荷載增加先顯著增加,然后緩慢增加(圖8(a))。可以看出,同一干濕循環次數下,當上覆荷載越大,紅黏土的黏聚力也就越大。產生這種結果的原因可能是:紅黏土為強膨脹土,在增濕過程中含水率升高、體積膨脹、密度降低,增加上覆荷載可有效限制土體內部顆粒表面水膜的加厚,抑制紅黏土的膨脹[22],從而有效限制土體強度衰減。內摩擦角隨上覆荷載增加總體在10°的范圍內波動(圖8(b))。不同干濕循環次數下的內摩擦角變化曲線相互重疊,說明內摩擦角沒有隨荷載增加而出現明顯的變化。

4.2 荷載與干濕循環協同下裂隙演化規律

無論有無上覆荷載,紅黏土試樣的表面和側面裂隙都隨著干濕循環次數的增加而不斷發育(圖9)。隨著荷載增大,表面裂隙在10 kPa時裂隙寬度達到最大,大中裂隙發育最明顯。側面裂隙由環向裂隙向縱向裂隙發展。原因是無荷試樣在失水收縮的過程中,水分主要從表面豎直方向蒸發[23],豎直方向拉應力超過允許應力,導致出現明顯的環向裂縫。隨著豎直方向荷載增大,改變了水分擴散路徑[24],抑制水分從表面豎直方向蒸發,使水分從側面向四周蒸發,拉應力超過允許應力,出現縱向裂隙。但10 kPa上覆荷載還不能完全抑制土體水分從表面散失,故10 kPa上覆荷載試樣側面有微小的環向裂隙,同時出現縱向裂隙。

圖9 不同荷載和干濕循環次數下紅黏土試樣裂隙發育情況Fig.9 Fissure development of red clay samples under different loads and number of dry-wet cycles 注:從左至右分別為1～6次干濕循環階段。圓形表示表面裂隙,矩形表示側面裂隙。

各級上覆荷載下裂隙率都隨壓實度的增大而降低(圖10)。此結論在褚衛軍在干濕循環作用下紅黏土脹縮變形特性及裂縫擴展規律研究中得到驗證[25]。壓實度從90%增大至96%,裂隙率下降0.17%～1.37%,降幅9.87%～80.24%。

圖10 裂隙率與壓實度關系曲線Fig.10 Relationship curves of fracture ratio versus compaction degree

裂隙率在各壓實度下變化規律相似,隨著干濕循環次數的增加,裂隙率逐漸增大(圖11)。這與李焱等的研究結論一致[26-27]。上覆荷載為10 kPa,壓實度為90%的紅黏土試樣在干濕循環次數從1次增加到6次時,裂隙率從0.61%增大到5.54%。

圖11 裂隙率與干濕循環次數關系曲線Fig.11 Relationship curves between fracture ratio and number of dry-wet cycles

隨上覆荷載增加,裂隙率先增加后降低,在上覆荷載為10 kPa時總裂隙率達到最大,在10～60 kPa,隨上覆荷載增大裂隙率逐漸降低(圖12),這是由于在吸水增濕過程中上覆荷載限制了土體的膨脹,在干燥階段土體失水后收縮產生裂隙被上覆荷載壓住,抑制了裂隙的發育,上覆荷載越大,這種抑制作用越強。但10 kPa上覆荷載下的裂隙率比無荷時要大,導致10 kPa上覆荷載下總裂隙率比無荷時要大的原因可能是試樣是環刀樣,有側限,紅黏土試樣在吸水膨脹的過程中主要是縱向的膨脹。施加上覆荷載后,紅黏土縱向膨脹受到抑制,在膨脹的過程中由于壓力作用產生比無荷時更多的裂隙。由于低荷載不能完全抑制縱向膨脹,使得先前由于荷載作用產生的表面裂隙在干濕循環過程中不斷加深加寬,這也導致10 kPa荷載作用下的表面裂隙比30 kPa時的大。

圖12 裂隙率與上覆荷載關系曲線Fig.12 Relationship curves between fracture ratio and overburden loads

4.3 抗剪強度指標與裂隙率、壓實度的關系

土的裂隙發育會降低土體的強度,是強度劣化的一個重要影響因素[28-29],為探究強度指標與裂隙率的關系,作裂隙率與抗剪強度指標對應圖。從圖13可以看出,黏聚力隨裂隙率的增大而大幅降低,內摩擦角隨裂隙率增大而小幅降低。但無論是黏聚力還是內摩擦角,在同一個范圍內的裂隙率水平下,都會出現很大波動。這說明了對于土體抗剪強度指標來說,裂隙率不是唯一的影響因素,單獨使用裂隙率來量化強度的變化,會出現誤差。

圖13 裂隙率與抗剪強度指標對應圖Fig.13 Corresponding diagram of fracture ratio and shear strength index

建立抗剪強度指標與裂隙率、壓實度關系。黏聚力與裂隙率、壓實度關系的可用二元非線性擬合(式(2)),試驗點基本分布在擬合曲面上(圖14),相關系數均大于0.9(表3)。內摩擦角與裂隙率、壓實度關系的可用二元非線性擬合(式(3)),試驗點基本分布在擬合曲面上(圖15),相關系數均大于0.9(表4)。

圖14 黏聚力的二元非線性擬合Fig.14 Binary nonlinear fit of cohesion

圖15 內摩擦角的二元非線性擬合Fig.15 Binary nonlinear fit of inner friction angle

表3 黏聚力的待定系數及擬合效果

表4 內摩擦角的待定系數及擬合效果

c(x,y)=a1x2+a2x+a3y3+a4y2+a5y+a6

(2)

式中c(x,y)為黏聚力,kPa;x為壓實度,%;y為裂隙率,%;ax為待定系數。

φ(x,y)=b1x+b2y3+b3y2+b4y+b5xy2+b6

(3)

式中φ(x,y)為內摩擦角,(°);x為壓實度,%;y為裂隙率,%;bx為待定系數。

5 結 論

1)發明了一種模擬荷載與干濕循環協同作用下的直剪裝置,試驗過程中不需卸載即可實現荷載與干濕循環的協同作用,提出了荷載與干濕循環協同下土的直剪試驗方法。

2)在荷載與干濕循環協同作用下,紅黏土黏聚力和內摩擦角隨壓實度的增大而增大,黏聚力隨壓實度的增大幅度大于內摩擦角的增大幅度。黏聚力隨干濕循環次數的增加在前3次降低顯著,后逐漸趨于穩定,隨上覆荷載增加先顯著增加,然后緩慢增加。內摩擦角隨干濕循環次數和上覆荷載增加總體在10°的范圍內波動。

3)在荷載與干濕循環協同作用下,紅黏土表面和側面裂隙都隨干濕循環次數的增加而不斷發育。隨著荷載增大,表面裂隙在10 kPa時裂隙寬度達到最大,大中裂隙發育最明顯,側面裂隙由環向裂隙向縱向裂隙發展。裂隙率隨壓實度的增大而降低,隨干濕循環次數增加而增加,隨上覆荷載增加,裂隙率先增加后降低,在上覆荷載為10 kPa時達到最大。

4)紅黏土具有對環境濕度變化敏感,多裂縫、強脹縮和強度衰減等特性。在干濕循環和上覆荷載協同作用下使得土體力學特性進一步退化,強度降低,變形加大,裂隙的發展加劇了以紅黏土作為地基基礎的構筑物破壞。

這種模擬荷載與干濕循環協同下的直剪試驗裝置和方法,科學評價了紅黏土的工程特性,在工程設計中建議考慮干濕循環和荷載的協同下紅黏土力學指標的衰減特性。施工中提高紅黏土地基壓實度,做好防排水措施,確保工程質量與安全。