低应力下膨胀土的压缩与剪切行为

周葆春,李 颖,马全国,郎梦婷,赵鑫鑫,王少奇,韩灵灵, 张 斌,卢承东,陈翔宇,梁维云

(信阳师范学院 建筑与土木工程学院, 河南 信阳 464000)

0 引言

膨胀土是典型的特殊土[1],由于蒙脱石、伊利石等黏土矿物的存在,其与水及水中离子发生物理化学反应,诱发土体胀缩与应变软化及因胀缩受约束会引起土体开裂,导致膨胀土强度与变形行为非常复杂,相关研究成果亦非常丰富[1-3]。

膨胀土工程中存在一个问题是:采用常规饱和抗剪强度参数进行设计计算，不能保证其稳定性[4-5]。最近10余年的研究表明,膨胀土抗剪强度的应力相关性(应力水平的影响)即低应力下抗剪强度的非线性是导致上述问题的原因之一。根据现有规范,采用三轴试验测定土体抗剪强度时一般采用50～400 kPa的围压[6]；采用直剪试验一般采用100～400 kPa的垂直压力[7]。然而,膨胀土变形与破坏问题大多发生在近地表区域,通常在3 m以内[2],滑动面上法向应力通常在50 kPa以内[8]；程展林等[8]通过直剪试验测定南阳中膨胀土抗剪强度、低应力(垂直压力为5、20、40 kPa)下抗剪强度明显位于一般应力水平(垂直压力为60、100、200、400 kPa)对应的抗剪强度线之下,这意味着采用一般应力状态下的抗剪强度指标会高估低应力状态下的抗剪强度。为此,邹维列等[5]、程展林等[8]、杨和平等[9]建议了分段线性形式,LADE[10]建议了幂函数形式的抗剪强度公式描述低应力下抗剪强度的非线性行为。但针对同一膨胀土样,高、中、低应力水平分别对其峰值强度[11]、完全软化强度[12]与残余强度[13]影响规律的研究并不系统,对原状与压实弱膨胀土在低、中、高应力水平下峰值、完全软化与残余强度间关系的认知有待深化。

为此,本文以荆门棕褐色弱膨胀土为研究对象,开展泥浆固结样、原状样、压实样的一维压缩-卸荷试验获得压缩特性,开展泥浆固结样的固结慢剪试验获得完全软化强度,开展原状与压实样的排水反复直接剪切试验获得峰值与残余强度,探讨应力水平与初始结构对弱膨胀土压缩与剪切行为的影响,试图为原状与压实弱膨胀土工程设计计算的参数确定提供参考。

1 试验方案

1.1 试验土样

试验用土为荆门棕褐色膨胀土,原状样照片见图1。其物理性质指标见表1,自由膨胀率为40%,阳离子交换量为254 mmol/kg[14],根据《膨胀土地区建筑技术规范》[15]判别为弱膨胀土。击实试验[7]获得其最优含水率为15.9%,最大干密度为1.85 g/cm3。

图1 原状、压实、泥浆固结环刀试样Fig. 1 Intact, compacted and reconstituted specimens

表1 试验用土的物理性质指标Tab. 1 Physical property index of tested soil

原状样采用环刀在原状土块上切取而成。压实样采用与原状样相同的制样控制含水率与干密度,用静力压实而成,具体制样方法参见文献[16],压实样照片见图1。

1.2 试样饱和

对于原状样与压实样,试验前采用毛细管饱和法,将环刀试样置于固结容器(固结试验)/剪切盒(直剪试验)中毛细饱和至体积不变为止；相对真空饱和法,毛细饱和优点参见文献[19]。泥浆固结样为饱和泥浆固结而成,试验前不需饱和。

1.3 一维压缩-卸荷试验

在高压固结仪上分别对原状、压实、泥浆固结样开展一维压缩-卸荷试验,以获得压缩特性。试验参照“标准固结试验”方法[7]执行,压力等级为12.5、25、50、100、200、400、800、1600、3200、4000、3200、1600、800、400、200、100、50、25、12.5 kPa,每级压力下稳定标准为24 h。

1.4 原状样饱和-固结-排水反复直接剪切试验

1.5 压实样饱和-固结-排水反复直接剪切试验

在同一直剪仪上对压实样开展毛细饱和-固结-排水反复直接剪切试验,以获得压实样的峰值与残余强度；试验方案与原状样相同。

1.6 泥浆固结样的固结-慢剪试验

2 试验结果分析

2.1 一维压缩-卸荷试验结果

试验结果见表2与图2,可见:原状、压实、泥浆固结样压缩曲线相交于压力1200 kPa、孔隙比0.578对应点；即小于1200 kPa应力范围内,相同应力下原状样孔隙比 < 压实样孔隙比 < 泥浆固结样孔隙比,这与结构性软黏土同一压力下相对重塑样具有高孔隙比的特征[20-22]迥异,是由于(原状)弱膨胀土沉积过程中在膨胀压力作用下反复压密表现出的超固结性[23]造成。在大于1200 kPa应力范围内,相同应力下原状样孔隙比 > 压实样孔隙比 > 泥浆固结样孔隙比。同一应力范围内原状样孔隙比变化更小,即其压缩性更小,这亦是其超固结性的体现。

对于压实样,由于模拟的是填土过程中的压实行为,系由千斤顶静力压实到与原状样相同的孔隙比,因而具有一定的似超固结性[24]；反映在一维压缩曲线上,无论小于还是大于1200 kPa的应力范围内,压实样压缩曲线总位于原状样与泥浆固结样之间。

表2 一维压缩-卸荷试验结果Tab. 2 Results of one-dimensional compression-unload tests

此外,在图2所示的单对数坐标系中,泥浆固结样压缩曲线为非常理想的线性关系,其压缩指数Cc为0.246；原状样与压实样的后半段大体为线性,其压缩指数分别为0.133与0.151,表明原状样压缩性 < 压实样压缩性 < 泥浆固结样压缩性；用Butterfield方法[25]获得原状样先期固结压力为602 kPa,压实样固结屈服应力为453 kPa,列在表3中。

图2 一维压缩-卸荷曲线Fig. 2 One-dimensional compression-unload line

从卸荷曲线(图2与表2)看,从4000 kPa卸荷到12.5 kPa,泥浆固结样具有更大的孔隙比变化,即具有更大的回弹指数,而压实样的回弹指数略大于原状样(表3),即原状样回弹指数 < 压实样回弹指数 < 泥浆固结样回弹指数,这与压缩曲线表现出的原状、压实、泥浆固结样压缩性依序增大具有很好的一致性。

表3 先期固结压力、固结屈服应力、压缩指数与回弹指数Tab. 3 Values of preconsolidation pressure, consolidation yield stress, compression index and swelling index

下面采用Burland建议的孔隙比指数Iv[20]探讨初始结构对压缩行为的影响:

(1)

(2)

图3 孔隙比指数(Iv)-有效法向应力关系Fig. 3 Relationship between void index (Iv) and

2.2 原状样饱和-固结-排水反复直接剪切试验结果

原状样剪应力(τ)、水平位移(dh)、垂直位移(dv)关系见图4。

(a) τ-dh关系 (b) dv-dh关系 (c) τ-dh关系 (d) dv-dh关系

对于应变软化试样采用剪应力峰值作为峰值强度,对于应变硬化的试样,采用剪切位移为6 mm(约为试样直径61.8 mm的10%)对应的剪应力作为峰值强度[7，11],取值见表4；峰值强度对应孔隙比ef亦列入表4中。

表4 原状样峰值强度与残余强度Tab. 4 Peak and residual shear strengths of intact specimens

然后,分析原状样残余强度,由图4可见,随剪切位移增大、剪切次数增加,剪应力逐渐降低、趋于稳定,取第5次剪切的剪应力最后稳定值[7](τ-dh曲线接近水平时[13])作为残余强度,见表4；同时列出残余强度对应孔隙比ef。

2.3 压实样饱和-固结-排水反复直接剪切试验结果

压实样τ-dh、dv-dh关系见图5。

(a) τ-dh关系 (b) dv-dh关系 (c) τ-dh关系 (d) dv-dh关系

然后,分析压实样残余强度,由图5可见,随剪切位移增大、剪切次数增加,剪应力逐渐降低,至第3次剪切后趋于稳定,取第5次剪切的剪应力最后稳定值[7]作为残余强度,相应取值及对应ef见表5。

表5 压实样的峰值强度与残余强度Tab. 5 Peak and residual shear strengths of compacted specimens

图6 峰值强度与残余强度比-有效法向应力关系Fig. 6 Relationship between ratio of peak shear strength to residual shear strength and

图7 排水反复直接剪切试验结束后的剪切面Fig. 7 Slickensides formed in drained multiple reversal direct shear test on compacted specimen

2.4 泥浆固结样的固结-慢剪试验结果

(a) τ-dh关系 (b) dv-dh关系 (c) τ-dh关系 (d) dv-dh关系

表6 泥浆固结样峰值强度Tab. 6 Peak shear strength of reconstructed specimens

3 试验结果讨论

3.1 排水抗剪强度-有效法向应力-孔隙比关系

图关系

下文讨论泥浆固结样峰值强度、原状与压实样峰值强度、原状与压实样残余强度分别在整个低中高应力水平下的分布规律,并给出取值建议。

3.2 泥浆固结样峰值强度

图10 泥浆固结样峰值强度线Fig. 10 Peak shear strength envelope of reconstructed specimens

3.3 原状样与压实样的峰值强度

图11 原状、压实、泥浆固结样峰值强度线Fig. 11 Peak shear strength envelope of intact, compacted, and reconstituted specimens

综合3.1节～3.3节,在1～800 kPa有效法向应力范围内,泥浆固结样峰值强度可用通过坐标原点的Mohr -Coulomb抗剪强度直线拟合；在6.5～800 kPa有效法向应力范围内,原状与压实样峰值强度亦可用Mohr -Coulomb抗剪强度直线拟合；即本文试验结果表明,在整个低中高应力水平,原状、压实、泥浆固结样峰值强度线均为线性,且有效内摩擦角基本一致,在25.0 °～ 25.7 °之间。原状与压实样的结构性体现在峰值强度有效凝聚力上[26],分别为29.6 kPa与15.2 kPa,体现原状样具有更大结构强度。

3.4 原状样与压实样的残余强度

将表4与表5中原状样与压实样残余强度绘制在图12(a)可见,在6.5～ 800 kPa有效法向应力范围内二者残余强度值非常接近,可认为原状与压实样具有相同的残余强度。

为此,采用通过原点的幂函数[10](式(3))描述残余强度的非线性行为。

(3)

4 结论

(1)原状、压实、泥浆固结样压缩曲线相交于压力1200 kPa对应点；无论小于还是大于1200 kPa,压实样压缩曲线总位于原状样与泥浆固结样之间。原状样、压实样、泥浆固结样压缩指数分别为0.133、0.151、0.246,回弹指数分别为0.030、0.032、0.042。原状样先期固结压力为602 kPa,压实样固结屈服应力为453 kPa。

(2)泥浆固结样压缩曲线与固有压缩线ICL经验公式(Burland, 1990)几乎重合；原状与压实样压缩曲线均穿越ICL,为典型超固结土压缩特征；原状样膨胀敏感性大于压实样,表明原状样颗粒间胶结更强。

(4)原状样与压实样剪切过程中,低应力下剪胀,较高应力水平下剪缩,剪胀/剪缩的幅度均随剪切次数的增加而收窄。在整个剪切过程中,原状样的体积变化幅度明显大于相应压实样。

(6)整个低中高应力水平,原状、压实、泥浆固结样峰值强度线均为线性,且有效内摩擦角基本一致,在25.0 °～ 25.7 °之间。原状样、压实样的结构性体现在峰值强度有效凝聚力上,分别为29.6 kPa与15.2 kPa。

(7)整个低中高应力水平,原状样与压实样具有相同的残余强度。低应力水平下,残余强度线表现出强烈的非线性；取一般应力水平试验数据获得的抗剪强度参数明显高估了低应力水平残余强度。采用幂函数可很好描述低中高应力水平下原状与压实样的残余强度特征。

致谢感谢中国科学院武汉岩土力学研究所特殊土力学课题组提供的膨胀土样。