弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)性黏土力學特性試驗研究

弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)性黏土力學特性試驗研究

近年來，結(jié)構(gòu)土變形和破壞特征的研究取得了很大進展。研究人員進行了大量的實驗和理論研究，建立了考慮結(jié)構(gòu)土變形特征的結(jié)構(gòu)模型，并以重建地面的共同模型為基礎(chǔ)。由于土壤在受負荷過程中經(jīng)歷了不同的電壓路徑，如深層開挖和隧道施工，因此在不同的電壓路徑下進行了試驗和研究。傳統(tǒng)的三軸壓試驗和不同基質(zhì)壓下三軸循環(huán)阻力試驗可持續(xù)變化。同時，在試驗中，我們發(fā)現(xiàn)了土壤侵蝕和變形的逆轉(zhuǎn)。目前，有更詳細的解釋粘土和重建粘土導(dǎo)致云收縮的原因和機制，但對結(jié)構(gòu)土壤的云收縮現(xiàn)象的研究還不夠充分。本文對人工制備結(jié)構(gòu)性土樣進行了軸向加載—卸載—再加載的三軸壓縮試驗,探討了結(jié)構(gòu)性土的變形和結(jié)構(gòu)弱化過程.采用人工制備的結(jié)構(gòu)性土樣,在2種圍壓(25和100kPa)作用下,分別進行了固結(jié)排水(CD)和固結(jié)不排水(CU)壓縮試驗.最后分析和探討了結(jié)構(gòu)性土在軸向加載—卸載—再加載條件下的變形機理和力學特性.1傳統(tǒng)三軸壓縮試驗及其結(jié)果1.1無砂混凝土混合料的制備本試驗所用的土料為粉質(zhì)黏土,土料的物性指標為:wL=38.28%、wP=22.04%,粒徑級配曲線如圖1.把土料自然風干后過0.5mm的篩子,加入質(zhì)量分別為土料質(zhì)量的20%、5%的國產(chǎn)高嶺土和水泥,然后加入一定量的國產(chǎn)525#硅酸鹽水泥,配成混合料質(zhì)量.鹽粒由國產(chǎn)的大粒徑(粒徑d≥3mm)食用鹽碾碎并過0.5mm的篩子制成.制樣嚴格按照國家標準進行,將所需質(zhì)量的混合料分4層.每層添加5g鹽粒,拌和均勻,采用標準擊實器,分層擊實.擊實后的土樣的質(zhì)量密度ρ=1.473g/cm3,含水量w=2.55%.將擊實后裝有土樣的飽和器進行抽氣飽和,飽和完成后把飽和器放入水中,并保證土樣完全浸在水里,通過水的緩慢流動把溶解的鹽粒沖走,形成具有膠結(jié)作用和大孔隙的結(jié)構(gòu)性土樣.養(yǎng)護時間為7d,試驗時進行反壓飽和.1.2平均有效應(yīng)力與體積應(yīng)變?yōu)榘驯疚乃苽涞娜跄z結(jié)結(jié)構(gòu)性土樣與重塑土的變形特性作比較,對這2種土樣進行了排水等向壓縮試驗,記體應(yīng)變以壓縮為正.重塑土是由剪切破壞后的結(jié)構(gòu)性土樣完全重塑充分擾動后制成的飽和試樣.人工制備結(jié)構(gòu)性土樣和重塑土樣的平均有效應(yīng)力與體積應(yīng)變(εV)的關(guān)系如圖2.結(jié)構(gòu)性土的等向壓縮曲線有明顯的拐點,且對應(yīng)的結(jié)構(gòu)屈服強度約為105.6kPa.在應(yīng)力狀態(tài)較低且小于結(jié)構(gòu)屈服強度時,εV很小,隨著應(yīng)力水平的增加并超過結(jié)構(gòu)屈服強度時,εV很快增加,應(yīng)力水平很高時體積變化趨勢同重塑土的相似.而重塑土的εV隨平均有效應(yīng)力的增加大體上線性增加.這與文獻中發(fā)表的結(jié)構(gòu)性土樣的等向壓縮試驗結(jié)果是一致的.1.3cd試驗結(jié)果分析圖3、4分別為圍壓為25和100kPa時的CU試驗的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(圖(a))和孔壓-應(yīng)變關(guān)系(圖(b)).圖5、6分別為圍壓為25和100kPa時CD試驗的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(圖(a))和體變-應(yīng)變關(guān)系(圖(b)).2試驗結(jié)果的分析2.1cd試驗結(jié)果分析對于CU試驗,從圖3(a)和4(a)可以看出:隨著應(yīng)變ε1的增加,25kPa圍壓時的偏應(yīng)力σ1-σ3增大到最大值后稍有降低,100kPa圍壓時的σ1-σ3增大到最大值后基本不再變化,近于塑性流動.在每次卸載軸向荷載然后再增加軸向荷載的應(yīng)力循環(huán)中,卸載初期應(yīng)力-應(yīng)變曲線很陡,表示應(yīng)力降低很多而應(yīng)變沒有很大的減少,卸載后期應(yīng)力-應(yīng)變曲線變緩,表示應(yīng)力降低不多而應(yīng)變減小較多;再加載時剛好相反,再加載初期,應(yīng)變增加很少,而相應(yīng)的應(yīng)力增加很多,再加載后期,應(yīng)變與應(yīng)力都相應(yīng)增加.為研究不同應(yīng)力循環(huán)和應(yīng)變時的模量變化,在一個軸向卸載和加載應(yīng)力循環(huán)中,定義平均模量Eave為Eave=(σ1?σ3)B?(σ1?σ3)AεB?εA(1)Eave=(σ1-σ3)B-(σ1-σ3)AεB-εA(1)式中符號代表的意義見圖7,其中點B為開始軸向卸載,點A為卸載完成開始再加載.圖8(a)為CU試驗時模量的變化過程,隨著應(yīng)變水平的增加,軸向加載—卸載—再加載時的平均模量逐漸減小,原因是不排水時產(chǎn)生了正的孔隙水壓力(見圖3(b)和4(b))使得有效應(yīng)力減小,且豎向應(yīng)變(εs)的增加使得粒間膠結(jié)逐漸破碎,故試樣在宏觀上表現(xiàn)出平均模量逐漸減小.對于CD試驗,從圖5(a)和6(a)可以看出:隨著應(yīng)變的增加偏應(yīng)力是逐漸增加的,表現(xiàn)為應(yīng)變硬化,100kPa比25kPa圍壓下應(yīng)變硬化明顯,在軸向卸載—再加載的應(yīng)力循環(huán)中,偏應(yīng)力的行為與不排水條件下的相似.CD試驗時模量的變化過程如圖8(b),隨著應(yīng)變水平的增加,軸向加載—卸載—再加載時的平均模量逐漸增加,原因是排水時體積總體收縮(見圖5(b)和6(b)),且應(yīng)變硬化使得有效應(yīng)力增加.盡管豎向應(yīng)變的增加使得粒間膠結(jié)逐漸破碎,但是與平均有效應(yīng)力相比,由此引起的模量弱化對土樣的總體模量影響較小,所以使得試樣在宏觀上表現(xiàn)出平均模量逐漸增加.2.2軸向壓力循環(huán)由圖5(b)和6(b)可知,2種圍壓下的總體積是收縮的,在軸向加載-卸載過程中,體積變化很小,在加載時體積繼續(xù)收縮.表1是不同軸向荷載循環(huán)時,卸荷終止與卸荷開始的體積變形之差(ΔV),可見圍壓為25kPa時,在每次軸向應(yīng)力循環(huán)過程中,體積都是收縮的,沒有剪脹發(fā)生,且隨著循環(huán)次數(shù)的增加,ΔV在逐漸增大;圍壓為100kPa時,在前3次循環(huán)過程中,ΔV很小(幾乎是0),且第2次循環(huán)過程中體積發(fā)生了輕微的剪脹,其他3次的ΔV是收縮的,但是很微小(最大的收縮是第4次循環(huán),僅占總體變的0.0899%).2.3kpa時孔壓隨應(yīng)變的變化從圖3(b)、4(b)可知,在整個加載過程中,2種圍壓下產(chǎn)生的孔隙水壓力都是正孔壓,整體上,圍壓為25kPa時,孔壓隨應(yīng)變的增大首先增大然后逐漸降低;圍壓為100kPa時,孔壓是逐漸增大的.圖9中,橫軸標示過程的量綱為1的時間變量t.表2是2種圍壓下,不同的軸向應(yīng)力循環(huán)過程中,軸向卸荷終止與卸荷開始的孔壓之差.可見,在應(yīng)變水平較低時,卸載軸向應(yīng)力時孔壓是減小的,隨著應(yīng)變的增加,卸載軸向應(yīng)力時孔壓是增大的.2.4材料壓韌性共進行了25和100kPa兩種圍壓下的CD和CU三軸試驗,圍壓為25kPa時的模量基本上都低于圍壓為100kPa時的模量,這也是巖土材料壓硬性的具體表現(xiàn).CD試驗中,圍壓25kPa時,在軸向加載-卸載時的體積是一直收縮的;而圍壓100kPa時,在軸向加載-卸載時的體積收縮不明顯,反而有膨脹的趨勢,但在軸向應(yīng)變很大時(大于10%)也是收縮的.圍壓25kPa時體變的量值較大.CU試驗時,2種圍壓下軸向卸荷時,在應(yīng)變較小的情況下孔隙壓力減小,在應(yīng)變較大的情況下孔隙壓力增大,圍壓為100kPa時孔壓增加的量值大.3膠結(jié)變形機理弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)性土的結(jié)構(gòu)劣化過程和破損機理與其具有的大孔隙組構(gòu)和粒間的聯(lián)接方式是密不可分的.與本文同樣的制樣方法制備的結(jié)構(gòu)性土樣的微觀結(jié)構(gòu)見圖10,從圖中可見人工制備結(jié)構(gòu)性土樣的大的孔隙組構(gòu)和顆粒粒間的膠結(jié)聯(lián)接.與重塑黏土樣相比,結(jié)構(gòu)性土樣在受荷過程中顆粒間的膠結(jié)在逐漸地弱化,期間伴隨有土顆粒組構(gòu)的變化,即顆粒的滑移、滾動與轉(zhuǎn)動.隨著應(yīng)變的增大和有效應(yīng)力的增加,當膠結(jié)作用破壞嚴重時(宏觀表現(xiàn)是作用力超過了結(jié)構(gòu)強度),局部結(jié)構(gòu)會坍塌、孔隙變小,引起宏觀的體積收縮,此后的變形機理趨向于重塑土的變形機理.重塑黏土樣在加載—卸載—再加載過程中體積總是收縮,始終沒有剪脹發(fā)生.而對于弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)性土樣,在受荷初期,土樣在加載-卸載過程中卻有局部的剪脹(見表1)或體積收縮不明顯.產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是:此時的粒間膠結(jié)聯(lián)接保持得還較完好、沒有受到嚴重的損傷,所以在軸向卸載時,顆粒沒有發(fā)生明顯的位移,這使得體積變形不明顯,或者局部的顆粒膠結(jié)之間的聯(lián)接是近于彈性的,所以在卸載之后發(fā)生部分的位移回彈導(dǎo)致局部的剪脹.4軸向應(yīng)變時顆粒的局部剪脹.主要表現(xiàn)為顆粒間顆粒間顆粒間膠結(jié)的背景1)隨著應(yīng)變的增加和有效應(yīng)力的增加,結(jié)構(gòu)性土的結(jié)構(gòu)逐漸弱化,其特性逐漸趨向重塑土的特性.2)在整個加載—卸載—再加載過程中,結(jié)構(gòu)性土樣總體上是體積收縮的.但是,在軸向應(yīng)變較小時,顆粒間的膠結(jié)保持較完好時,在卸載時會出現(xiàn)局部剪脹或體積收縮不明顯的現(xiàn)