含砂量对砂-粉土混合物强度特性的影响试验研究

常留成,王红雨,曹 静,王 亚

(1.宁夏大学 土木与水利工程学院, 银川 750021; 2.宁夏大学 旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心, 银川 750021)

0 引 言

在水土流失较为严重的宁夏南部黄土高原地区,修建有防止水土流失、用于拦泥淤地、农田灌溉的淤地坝。泥沙逐年进入库区淤积,导致水库拦蓄库容日益减少,成为病险水库,不能达到设计拦淤蓄水的目标。为使土坝继续发挥效应,同时为了节约成本,需要对水库进行除险加固,加高培厚坝体。“坝前淤积面加坝”工法是宁夏南部山区淤地坝除险加固工程中常用的一种工法。该法可以节省大量填筑土方,缩短工期、节约成本,因而在陕西、宁夏、甘肃等黄土高原地区中、小型水库的除险加固中得到广泛应用[1-3]。该法在实践中积累了大量经验,但相关配套理论研究相对滞后,没有形成统一的理论体系支撑,严重影响“坝前淤积面加坝”工法在工程实践中的应用。

在“坝前淤积面加坝” 理论研究中最核心的问题是坝基稳定性,而作为坝基的淤积土强度特性是稳定性分析的重要参考依据。在前期走访调研、钻孔取土时发现淤积土的含砂量在0%～50%之间[4],试验表明含砂量对淤积土的强度有重要影响。针对砂粒对黏土强度特性影响的研究,国内外很多学者开展了不同程度的工作,并取得了大量有益成果。国外,Monkul 和Ozden[5]对不同含砂量的重塑高岭土进行一维固结试验,结果表明,高岭土-砂混合物的压缩性主要由含砂量控制。Naeini和Baziar[6]进行了不同粉粒含量的Ardebil(伊朗阿尔达比勒市)砂的不排水单调和动三轴压缩试验,研究表明,当粉粒含量增加到35%时,稳态状态线向下移动,抗剪强度降低。Kim等[7]的研究结果表明,随含砂量的降低,风化花岗岩土的黏聚力增大,内摩擦角减小,30%的含砂量可作为衡量风化花岗岩土工程特性的一个重要指标。Polito等[8]和 Sadrekarimi[9]研究了黏粒含量对砂土抗液化性能的影响。国内,朱建群等[10]通过三轴固结不排水试验探讨了粉粒含量对砂土强度特性的影响,发现粉粒含量增加到15%时砂土的静态液化现象消失,稳态线也随黏粒含量的增加逐步向下移动。吕玺琳等[11]对砂和黏土混合物进行了固结排水条件下的环剪试验,发现随含砂量的增加,黏土的应力-应变关系从持续应变向应变软化转变。陈永健等[12]、冯晓腊等[13]、孙昱等[14]和Li等[15]通过室内直剪试验和固结试验,探讨了不同黏土类型对砂-土混合物强度和压缩性的影响。关于砂粒对砂-土混合物工程特性的影响,国外学者主要侧重于砂粒对砂-土混合物压缩性和抗液化性能的影响研究;国内学者主要集中在砂-土混合物强度特性方面,对其强度特性及深层次的微观机制研究还比较薄弱[12-15],而力学机制的转变在某种程度上可从微观结构的定量演变得到解释[16]。实际工程中岩土体的受力状态更为复杂,三轴试验能更好地反映岩土体的实际受力状态[17]。

基于上述分析,本文通过制备不同含砂量的砂-粉土混合物,并采用三轴固结排水剪切试验,分析含砂量对砂-粉土混合物强度的影响规律,同时对不同含砂量的试样进行压汞试验(Mercury Injection Test,MIP),从微观角度探讨含砂量对砂-粉土混合物强度的影响机制。

1 试样制备和试验方法

1.1 试样来源

试验用土主要来自宁夏南部山区索草窝子水库。通过对不同深度处淤积土样进行粒径分析(见图1),发现淤积土的砂粒(75～2 000 μm)质量分数为0～55%,黏粒(<5 μm)质量分数为0～30%,粉粒(5～75 μm)质量分数>50%。从上述分析可以看出淤积土属于粉质黏土。

图1 不同深度处淤积土颗粒组成Fig.1 Particle composition of silted soil atdifferent depths

1.2 试样制备

试验所用土样均来自同心县索草窝子水库,取样深度为0.5～1.0 m。制备试样前应先将土样自然风干,然后将风干土样按砂粒和粉粒进行分选:风干土样过0.075 mm和0.180 mm筛,取<0.075 mm范围内的土样为粉粒;[0.075,0.180] mm范围内的土样为砂粒。根据图1可知,不同深度处淤积土的砂粒质量分数主要分布在0～30%,6 m处淤积土的砂粒质量分数为55.42%,故将砂粒的比例配置设置为0%、16.67%、28.57%、50.00%和60.00%。表1为各砂-粉土试样基本物理指标。从表1可以看出,随着含砂量的增加,试样相对密度、液限和塑限明显减小。

表1 各砂-粉土混合物基本物理指标Table 1 Physical properties of sand-silt mixtures

现场测得原状样的天然干密度为1.66 g/cm3,天然含水率为22%。根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)中关于制样的规定,按如下步骤制样:①配样。将事先配好的土样配置成含水率为22%的湿样,为保证土体含水率均匀,将配置好的湿样用密封袋密封放在阴凉处闷样24 h;②采用击实法制样。将制备好的湿样分5层压入直径为50 mm、高为100 mm的制样桶中;③抽真空饱和。将制样桶放入真空缸中抽真空3 h,然后向真空缸注入蒸馏水,直至水位漫过制样桶的高度为止,最后将制样桶在水中静置24 h。同一含砂量的粉质黏土5个试样,其中4个进行三轴固结排水试验,1个用于MIP试验,共计25个试样。

1.3 试验方案

1.3.1 三轴固结排水剪切试验方法

三轴固结排水剪切试验在宁夏大学GSY-SYL-100型应力应变三轴仪上进行。仪器最大轴向位移为40 mm,最大轴向荷载为20 kN。试样的尺寸为50 mm×100 mm,剪切速率为0.005 mm/s,试验围压分别为100、200、300、400 kPa。当有明显峰值时,再继续剪切5%轴向应变;没有明显峰值时,剪切至轴向应变到20%结束试验。整个试验过程数据由电脑自动采集,时间间隔为1 s。

1.3.2 MIP试验

MIP试验设备为精微高博公司生产的YG-97A压汞仪。工作压力为1～50 MPa,孔直径测定范围为30～600 μm。将用于微观结构试验的试样切成5 mm×5 mm×5 mm的立方体土块放到真空冷冻干燥机上在-193 ℃冻干,防止水气界面表面张力改变土体孔隙形态影响试验精度[18],最后将冻干样放入压汞仪中进行试验。

2 试验结果分析

2.1 应力-应变关系

通过三轴固结排水剪切试验可以获取砂-粉土混合物的应力-应变关系曲线,如图2所示。由图2可知,不同含砂量的砂-粉土混合物的应力-应变关系曲线对围压的响应有所不同。

图2 不同含砂量砂-粉土混合物的应力-应变关系曲线Fig.2 Stress-strain curves of sand-silt mixtures with varying sand content

(1)对于含砂量为0%、16.67%和28.57%的砂-粉土混合物,不同围压条件下应力-应变关系有着明显的相似性,即:随着轴向应变的增加,偏应力开始迅速增加,而后缓慢增长,最后趋于一个稳定值,应力-应变曲线属于应变硬化型。由于粉粒含量远高于含砂量,试样的破坏呈现“塑性”,随着含砂量的增加,试样的破坏形式由“塑性”向“脆性”转换,相应的应力-应变曲线也由应变硬化向应变软化转变,如图2(d)所示。破坏时的剪切滑动面也随着含砂量的增加变得显著(应变硬化型选15%轴向应变对应的剪切面,应变软化型选峰值处轴向应变对应的剪切面),如图3所示。

图3 300 kPa围压下不同含砂量砂-粉土混合物破坏时的剪切破坏面Fig.3 Shear failure plane of sand-silt mixture with varying sand content under 300 kPa confining pressure

(2)围压较大的试样应力-应变关系曲线位于上方,所获取的峰值强度也较大。

(3)对于含砂量为50%和60%的砂-粉土混合物,随着围压的增大,土样的应力-应变关系由应变软化型转变为应变硬化型,说明高围压使土颗粒变得更加密实,能有效抑制剪切过程中土体结构发生破坏。

图4是不同围压条件下砂-粉土混合物的应力-应变关系曲线。从图4可知同一围压条件下不同含砂量砂-粉土混合物的力学特性也不相同。

图4 不同围压条件下不同含砂量砂-粉土混合物的应力-应变关系Fig.4 Stress-strain curves of sand-silt mixtures under different confining pressures

(1)含砂量高的试样的应力-应变关系曲线位于上方,说明含砂量的增加能有效提高砂-粉土混合物的强度。这和文献[10]的结论相一致。

(2)在低围压下(100～300 kPa),随着含砂量的增加,试样的应力-应变关系由应变硬化向应变软化转变。这是由于含砂量为0%的砂-粉土混合物的结构为絮凝结构,土颗粒任意排列,具有较大的孔隙,颗粒间引力较小,所以强度较低。掺入的砂粒能填充颗粒间较大的孔隙,增大土颗粒的接触面积,使土体结构变得更加密实。土体受剪时,土颗粒发生错动需要克服较大的咬合力,因而表现出较高的强度。一旦部分颗粒绕过另一部分土粒,结构变得松动,抵抗变形的能力随之降低,故而表现为软化。

2.2 峰值偏应力的变化规律

从图2和图4可以看出,不同应力条件下不同含砂量的砂-粉土混合物的应力-应变关系曲线既有应变硬化型,也有应变软化型。对于应变软化型曲线,取峰值处的轴向应力为峰值偏应力;对于应变硬化型曲线,选轴向应变15%处的轴向应力为峰值偏应力。

图5是不同围压条件下砂-粉土混合物峰值偏应力与含砂量的关系。从图5可知:①当围压相同时,峰值偏应力随着含砂量的增加而增大,说明含砂量能有效提高砂-粉土混合物的强度。②随着围压的增大,峰值偏应力随着含砂量的增幅明显增加。以100 kPa和400 kPa围压条件下的试样为例,当含砂量由0%增加到60%,围压为400 kPa时,峰值偏应力增加了1 295.42 kPa;而围压为100 kPa时,峰值偏应力仅增加了421.24 kPa。③当含砂量<28.57%时,随着含砂量的增加,砂-粉土混合物的峰值偏应力增幅明显,当含砂量>28.57%时,增幅明显降低。说明含砂量的增加并不能无限制提高砂-粉土混合物的强度。

图5 不同围压条件下峰值偏应力与含砂量的关系Fig.5 Curves of peak deviatoric stress versus sand content under different confining pressures

2.3 强度指标的变化规律

通过三轴固结排水剪切试验可以获得不同围压条件下不同含砂量试样的内摩擦角,如图6所示。由图6可知,随着含砂量的增加,内摩擦角呈增大趋势,而黏聚力呈减小趋势。在含砂量<30%时,黏聚力减小幅度和内摩擦角增大幅度最大,这和强度-含砂量关系曲线呈现类似规律。存在2个临界含砂量:12.5%、30%。当含砂量<12.5%时,砂-粉土混合物的强度受黏聚强度控制,随着含砂量的增加,摩擦强度对砂-粉土混合物强度的增加起主要贡献作用;当含砂量>30%时,摩擦强度增幅和黏聚强度减幅明显减小,土体强度逐渐趋于一个稳定值。

图6 含砂量与抗剪强度指标的关系Fig.6 Relationship between sand content and shear strength parameters

3 含砂量对砂-粉土混合物力学特性影响微观机制分析

3.1 不同含砂量砂-粉土混合物孔径分布测试结果

图7是不同含砂量砂-粉土混合物孔径分布。由图7可知,孔径分布曲线呈现“双峰”特征,说明砂-粉土混合物存在2种主要孔径(5～10、40～65 μm),同时这2种孔径也是含砂量的作用区域。Shear等[19]在分析蒸发对原状土渗透系数-孔隙率关系的影响时对孔隙进行如下划分:微裂隙(≥100 μm)、大孔隙([20,100) μm)、中孔隙([5,20) μm)、小孔隙([0.4,5) μm)、微孔隙(<0.4) μm)。其中大孔隙为团聚体间孔隙,中孔隙为团聚体内孔隙,小孔隙为土颗粒间孔隙,微孔隙为土颗粒内孔隙[20]。砂-粉土混合物的孔隙类型主要为团聚体间孔隙和团聚体内孔隙。

图7 不同含砂量砂-粉土混合物孔隙分布曲线Fig.7 Pore distribution curves of sand-silt mixtures with varying sand content

根据上述孔径分类方法,可以得到砂-粉土混合物各类孔径体积占比随含砂量变化分布,如图8所示。从图8可以看出,随着含砂量的增加(0%→60%),团聚体间孔隙体积明显减小,团聚体内孔隙体积增幅明显,颗粒间孔隙体积增加较小。团聚体间孔隙的减小导致总孔隙面积收缩,说明提高含砂量可以减小砂-粉土混合物的孔隙体积。

图8 不同含砂量砂-粉土混合物各类孔隙相对变化量Fig.8 Volumetric proportions of different types of pores in sand-silt mixtures with varying sand content

3.2 砂-粉土混合物力学特性变化微观机制分析

3.2.1 含砂量对强度的影响

根据MIP试验结果,作者认为,随含砂量的增加,砂-粉土混合物内部结构变化可以表述为:当含砂量为0%时,由于土颗粒间引力的作用,片状颗粒相互吸引形成团粒,如图9(a)所示。团粒通过胶结物质的胶结作用和团粒间相互吸力黏聚在一起形成如图9(b)所示的絮凝结构,土粒间的接触以面-边和面-角接触为主[21],此时土体的孔隙以团聚体间孔隙和团聚体内孔隙为主。随含砂量的增加,砂粒首先进入团聚体间孔隙填充大孔隙(见图9(c)),使大孔隙体积减小,其次较小的砂粒进入团聚体内孔隙填充中孔隙(见图9(d)),使小孔隙体积增加。但由于<5μm的砂粒有限,仅有少量砂粒能进入团聚体内孔隙,中孔隙体积收缩有限,如图9(e)所示。中孔隙体积的增加主要由于砂粒填充大孔隙所致,此时中孔隙主要为团聚体内孔隙和砂粒间孔隙,颗粒间的接触以面-角和点-点接触为主。

图9 砂粒进入粉质黏土孔隙示意图Fig.9 Schematic of sand grains entering the pore of silt clay

砂粒进入土体会改变土颗粒间的孔隙形态、排列方式、相互作用力,从而改变土的力学性质,孔隙的变化是土体力学性质变化的重要体现。当含砂量为0%时,砂-粉土混合物的结构以絮凝结构为主,孔隙较大,颗粒骨架多以团粒和集粒为主,土-水作用形成的结合力以边对面结合为主,结合强度较高。饱和砂-粉土混合物的孔隙被薄层强结合水、较厚的弱结合水所填充,结合水强烈地与黏土颗粒相结合,阻碍颗粒之间的真正接触,同时传递和影响黏土矿物晶体之间的电化学力(范德华力和库仑力)。在电化学力和粒间力作用下,土体具有较高的黏聚强度,此时土体强度受黏聚力控制。当含砂量>15%时,由于砂粒填充颗粒间的孔隙,破坏了土体原有黏聚性,黏聚强度降低,但增加了颗粒间的咬合作用力,摩擦强度开始超过黏聚强度对强度起主要作用。随着含砂量的继续增加,孔隙体积不断减小,土体变得密实,增大了颗粒间的咬合摩擦和滑动摩擦,使得颗粒滑动和定向排列在剪切过程中需要消耗更多能量,因而抗剪强度得到提高。含砂量>30%时,土体已经相当密实,继续增大含砂量,强度增加已不明显。

3.2.2 含砂量对黏聚力的影响

砂-粉土混合物的黏聚力主要包括原始黏聚力和固化黏聚力。原始黏聚力主要来源于黏粒晶体之间的电化学力,包括库仑力和范德华力;固化黏聚力主要取决于胶结物质的胶结作用。砂粒进入并填充土颗粒之间的孔隙,一方面起胶结作用的胶结物质被砂粒所取代,使土体的胶结作用减弱,固化黏聚力随之降低;另一方面由于砂粒的嵌入锲入,增大了黏土颗粒的间距,范德华力随颗粒间距的6次方下降,库仑力2次方下降,原始黏聚力大幅下降。但由于<5 μm的砂粒有限,少量团聚体内孔隙没有被填充,土体的原有结构没有被完全破坏,所以黏聚力随着含砂量的增加并未降为零,而是收敛于>0的某个稳定值。

3.2.3 含砂量对内摩擦角的影响

由前面分析可知,随着含砂量的增加,总孔隙体积不断减小,土体变得更加密实,颗粒之间的咬合能力增加,在发生剪切时,土颗粒跨过相邻颗粒需要消耗更多能量,这部分能量需要由剪应力做功来补偿,宏观上表现为内摩擦角增加;另一方面增大颗粒之间的滑动摩擦,土体密实使土颗粒的接触面积增加,相邻两颗粒滑动时所做的功也相应增加,内摩擦角随之增大。如图6所示,内摩擦角也不是随着含砂量一直上升,而是在含砂量>30%后逐步趋于一个稳定值,可能由于含砂量为30%时,土体原有的孔隙已被大量填充,继续增加的砂粒没有明显改变颗粒、粒团和孔隙的排列、分布,所以内摩擦角并没有明显增加,而是趋于稳定。

4 结 论

本文通过对不同含砂量的砂-粉土混合物进行三轴固结排水剪切试验和MIP试验,得到以下几点结论:

(1)三轴固结排水剪切试验结果表明,不同围压条件下应力-应变关系随含砂量的变化表现出较大的差异。低含砂量(≤ 30%)砂-粉土混合物的应力-应变关系为应变硬化型,土体破坏呈现“塑性”;高含砂量(≥50%)砂-粉土混合物的应力-应变关系随围压增加由应变软化型向应变硬化型转变。峰值偏应力随着含砂量的增加而增大,说明含砂量能有效提高砂-粉土混合物的强度。当含砂量<12.5%时,砂-粉土混合物的强度受黏聚强度控制,随着含砂量的增加,摩擦强度超过黏聚强度对强度起主要作用;含砂量超过30%时,峰值偏应力随含砂量增速明显下降。

(2)砂粒填充土颗粒间孔隙破坏土体原有的组构导致强度参数均发生较大变化。其黏聚力随含砂量增加,先迅速下降,后趋于稳定,内摩擦角随含砂量增加,先迅速升高,后逐渐趋于稳定。

(3)MIP试验结果表明,砂-粉土混合物的孔隙主要为团聚体间孔隙和团聚体内孔隙。随着含砂量增加,团聚体间孔隙体积明显减小,团聚体内孔隙体积增幅明显,土颗粒间孔隙体积增加较小,总孔隙体积收缩。增加含砂量可以减小砂-粉土混合物的孔隙体积,增大土体的致密性。