含水率對(duì)含粗?；瑤量辜粜阅苡绊懷芯俊?/h1>
2020-03-20 04:54:32李澤闖郭明勝秦智強(qiáng)趙劉陽(yáng)
山西建筑 2020年5期
張 鵬 李澤闖 郭明勝 秦智強(qiáng) 趙劉陽(yáng)
(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)
0 引言
眾所周知，滑坡常常給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，有的甚至是毀滅性的災(zāi)難。
目前國(guó)內(nèi)外已有大量對(duì)滑帶土的研究，而滑帶土大都為非均質(zhì)土粗細(xì)粒含量不均勻，故對(duì)含粗?；瑤恋难芯恳彩腔瑤裂芯恐胁豢扇鄙俚囊徊糠?。但是在已有的研究中對(duì)含粗?；瑤恋难芯繕O少，很難查詢(xún)到相關(guān)的資料和文獻(xiàn)。正是在這樣的基礎(chǔ)之上本項(xiàng)目著重展開(kāi)對(duì)含粗?；瑤量辜魪?qiáng)度影響因素試驗(yàn)研究，希望借助對(duì)此項(xiàng)目的研究為滑帶土的研究提供更多實(shí)用的數(shù)據(jù)，同時(shí)也更好的完善對(duì)滑帶土的系列研究。本項(xiàng)目借助三軸剪切試驗(yàn)和數(shù)字化圖像分析技術(shù)，研究含水率對(duì)含粗粒滑帶土抗剪性能影響。項(xiàng)目研究對(duì)于分析滑坡產(chǎn)生的原因、評(píng)價(jià)滑坡地段的穩(wěn)定性以及預(yù)測(cè)滑坡發(fā)生的時(shí)間和階段具有重要的實(shí)際意義。
1 試驗(yàn)用料
以含水率為變量，配置含粗?；瑤е厮芡?，根據(jù)學(xué)者們的研究成果，以2 mm為粗細(xì)顆粒粒徑分界線，即大于2 mm粒徑的顆粒為粗粒，小于2 mm粒徑的顆粒為細(xì)粒。本項(xiàng)研究選取的含粗?；瑤亮絽^(qū)間“10 mm～5 mm”“5 mm～2 mm”“2 mm～0.5 mm”“0.5 mm～0.075 mm”以及“<0.075 mm”的含量各占比20%，大于2 mm的顆粒含量占比為40%，即粗粒含量選定為40%，滿(mǎn)足“含粗?；瑤梁辛捷^大的粗顆粒且粗顆粒的含量占據(jù)25%～50%之間”的要求；含水率為單一變量，選定為3個(gè)水平，為16%,19%和22%。由于試樣中存在“10 mm～5 mm”和“5 mm～2 mm”粒徑區(qū)間的粗粒含量，三軸試樣選用為大尺寸試件，即試樣高度為125 mm，直徑為61.8 mm，試樣的干密度選定為1.8 g/cm3，故土樣體積為374.76 cm3，土的總顆粒質(zhì)量為674.57 g，各水平含水率對(duì)應(yīng)的含水量為107.93 g(16%),128.17 g(19%)和148.41 g(22%)。
2 三軸剪切試驗(yàn)
2.1 試驗(yàn)原理及方法
本次進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)(Unconsolidation Undrained)，設(shè)剪切破壞時(shí)軸向加荷系統(tǒng)加在試樣上的豎向壓應(yīng)力(稱(chēng)為偏應(yīng)力)為Δσ1，則試樣上的大主應(yīng)力為σ1=σ3+Δσ1，而小主應(yīng)力為σ3，據(jù)此可作出一個(gè)極限應(yīng)力圓。用同一種土樣的若干個(gè)試件(一般3個(gè)～4個(gè))分別在不同的周?chē)鷫毫Ζ?下進(jìn)行試驗(yàn)，可得一組極限應(yīng)力圓。作出這些極限應(yīng)力圓的公切線，即為該土樣的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線，據(jù)此可求得土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c值。結(jié)合工程實(shí)際，本試驗(yàn)選取3種含水率(16%，19%，22%)進(jìn)行試驗(yàn)，圍壓分別為100 kPa，200 kPa，300 kPa。
2.2 試樣制備
1)根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)范》首先取土放入烘箱中高溫烘干8 h，然后將烘干后的土進(jìn)行篩分，分出不同粒徑的土，本實(shí)驗(yàn)的篩分粒徑為10 mm～5 mm,5 mm～2 mm,2 mm～0.5 mm,0.5 mm～0.075 mm以及小于0.075 mm共五組粒徑的土，隨后根據(jù)三軸試驗(yàn)方案稱(chēng)重不同粒徑的土，根據(jù)含水率要求加入水，并攪拌均勻。
2)首先將與土樣會(huì)產(chǎn)生直接接觸的三軸模具上用硅油涂好，以免土樣與模具粘結(jié)，隨后將攪拌均勻的土放入準(zhǔn)備好的三軸模具(高125 mm，直徑61.8 mm)中，應(yīng)根據(jù)預(yù)定的干密度和含水量，在擊實(shí)器內(nèi)分5層擊實(shí)，各層土料數(shù)量應(yīng)相等，各層接觸面應(yīng)刨毛。
3)在滑帶試樣滿(mǎn)足試驗(yàn)所要求的高度和直徑之后，在試樣的圓形頂面用炭黑筆畫(huà)線，將試樣分出6部分，每份各占60°，再將試樣放置于坐標(biāo)紙上并標(biāo)記下位置(如圖3所示)，使試樣正對(duì)前方，對(duì)粗顆粒較為明顯的表面用高清相機(jī)進(jìn)行拍照，以用作與剪切完之后的試樣對(duì)比。
2.3 試樣安裝與剪切步驟
1)試樣安裝：檢查壓力管線，并連接管線。把已檢查過(guò)的橡皮薄膜套在膜筒上，兩端翻起，用吸球從氣嘴中不斷吸氣，使橡皮膜貼于筒壁，小心將它套在土樣外面，然后讓氣嘴放氣，使橡皮膜緊貼試樣周?chē)?，翻起橡皮膜兩端，扎緊橡皮膜。把土樣裝入壓力室。安裝軸向位移傳感器。
2)剪切步驟：首先將三軸儀初始位移降為0 mm，隨后點(diǎn)擊三軸儀上的接觸按鈕，使壓力室與軸向壓力傳感器接觸上直至三軸儀自動(dòng)停止接觸。打開(kāi)壓力室頂部的螺絲，使其內(nèi)部與大氣連通，再將壓力室注滿(mǎn)水并設(shè)置圍壓。隨后點(diǎn)擊三軸儀上的穩(wěn)壓，直至壓力值在設(shè)置的圍壓左右跳動(dòng)。在電腦軟件上設(shè)置相關(guān)的試驗(yàn)參數(shù)，待設(shè)置完成之后點(diǎn)擊開(kāi)始剪切即可。待應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值，試樣剪切完成之后點(diǎn)擊結(jié)束剪切并拆除試樣，記錄分析數(shù)據(jù)，并將拆卸下的滑帶土試樣放置于之前已經(jīng)做了標(biāo)記的坐標(biāo)紙上，用高清相機(jī)對(duì)試樣表面拍照，通過(guò)與破壞前相同側(cè)面粗顆粒的位置進(jìn)行對(duì)比，并借助于Image pro plus圖像處理軟件對(duì)粗顆粒的豎向位移進(jìn)行分析，如圖1所示。
3 試驗(yàn)結(jié)果分析
3.1 滑帶土粘聚力c與含水率關(guān)系分析
試驗(yàn)首先對(duì)含水率為16%試樣編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)的滑帶土進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，在τ—σ坐標(biāo)圖中分別作出一組應(yīng)力莫爾圓，然后再作出應(yīng)力強(qiáng)度包線，從圖中可得到應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為c=194.17 kPa；同理，含水率為19%試樣編號(hào)為4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)的滑帶土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為c=130.59 kPa；含水率為22%試樣編號(hào)為7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)的滑帶土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為75.79 kPa。將上述變化規(guī)律以x—y坐標(biāo)繪出，如圖2所示顯示了滑帶土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力c與含水率的關(guān)系曲線。
通過(guò)對(duì)含粗?；瑤恋娜S剪切試驗(yàn)，可見(jiàn)其粘聚力c隨含水率的升高逐漸降低，進(jìn)而影響著滑坡的穩(wěn)定性。隨著含水率增加，結(jié)合滑帶土顆粒結(jié)合水膜不斷增厚，膠結(jié)作用不斷喪失。
3.2 滑帶土粗顆粒位移研究
試驗(yàn)還通過(guò)Image pro plus圖像處理軟件對(duì)部分粗顆粒的豎向位移進(jìn)行了定性分析，取同一試樣剪切前與剪切后的圖片各一張，圖中背景坐標(biāo)紙一主坐標(biāo)格單位為1 cm，分析結(jié)果如圖3所示。
1)粗顆粒在三軸剪切試驗(yàn)中由于試樣的剪切破壞粗顆粒的位置也相應(yīng)的發(fā)生了偏移，顆粒位移由兩端向中外部擴(kuò)展，軸向變形大。
2)圖例試樣破壞位置處于試樣的中下部，經(jīng)過(guò)分析可知，試樣上部粗顆粒的位移要小于試樣下部粗顆粒的位移，由此可知，距離試樣破壞處越近的土顆粒位移相對(duì)越大。
4 結(jié)論
本項(xiàng)研究測(cè)定了不同含水率試樣得到含水率對(duì)粘聚力c的影響，并對(duì)滑帶土剪切過(guò)程中粗顆粒的豎向位移進(jìn)行分析，主要得到以下結(jié)論:
1)隨著含水率的增加，粘聚力逐漸下降，滑坡體的穩(wěn)定性也相應(yīng)的受到影響。
2)三軸試驗(yàn)后，滑帶土試樣軸向變形大，出現(xiàn)“鼓肚子”破壞，滑帶土中的粗顆粒在剪切過(guò)程中會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)移動(dòng)，顆粒位移由兩端向中外部擴(kuò)展。
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1 試驗(yàn)用料
以含水率為變量，配置含粗?；瑤е厮芡?，根據(jù)學(xué)者們的研究成果，以2 mm為粗細(xì)顆粒粒徑分界線，即大于2 mm粒徑的顆粒為粗粒，小于2 mm粒徑的顆粒為細(xì)粒。本項(xiàng)研究選取的含粗?；瑤亮絽^(qū)間“10 mm～5 mm”“5 mm～2 mm”“2 mm～0.5 mm”“0.5 mm～0.075 mm”以及“<0.075 mm”的含量各占比20%，大于2 mm的顆粒含量占比為40%，即粗粒含量選定為40%，滿(mǎn)足“含粗?；瑤梁辛捷^大的粗顆粒且粗顆粒的含量占據(jù)25%～50%之間”的要求；含水率為單一變量，選定為3個(gè)水平，為16%,19%和22%。由于試樣中存在“10 mm～5 mm”和“5 mm～2 mm”粒徑區(qū)間的粗粒含量，三軸試樣選用為大尺寸試件，即試樣高度為125 mm，直徑為61.8 mm，試樣的干密度選定為1.8 g/cm3，故土樣體積為374.76 cm3，土的總顆粒質(zhì)量為674.57 g，各水平含水率對(duì)應(yīng)的含水量為107.93 g(16%),128.17 g(19%)和148.41 g(22%)。
2 三軸剪切試驗(yàn)
2.1 試驗(yàn)原理及方法
本次進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)(Unconsolidation Undrained)，設(shè)剪切破壞時(shí)軸向加荷系統(tǒng)加在試樣上的豎向壓應(yīng)力(稱(chēng)為偏應(yīng)力)為Δσ1，則試樣上的大主應(yīng)力為σ1=σ3+Δσ1，而小主應(yīng)力為σ3，據(jù)此可作出一個(gè)極限應(yīng)力圓。用同一種土樣的若干個(gè)試件(一般3個(gè)～4個(gè))分別在不同的周?chē)鷫毫Ζ?下進(jìn)行試驗(yàn)，可得一組極限應(yīng)力圓。作出這些極限應(yīng)力圓的公切線，即為該土樣的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線，據(jù)此可求得土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c值。結(jié)合工程實(shí)際，本試驗(yàn)選取3種含水率(16%，19%，22%)進(jìn)行試驗(yàn)，圍壓分別為100 kPa，200 kPa，300 kPa。
2.2 試樣制備
1)根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)范》首先取土放入烘箱中高溫烘干8 h，然后將烘干后的土進(jìn)行篩分，分出不同粒徑的土，本實(shí)驗(yàn)的篩分粒徑為10 mm～5 mm,5 mm～2 mm,2 mm～0.5 mm,0.5 mm～0.075 mm以及小于0.075 mm共五組粒徑的土，隨后根據(jù)三軸試驗(yàn)方案稱(chēng)重不同粒徑的土，根據(jù)含水率要求加入水，并攪拌均勻。
2)首先將與土樣會(huì)產(chǎn)生直接接觸的三軸模具上用硅油涂好，以免土樣與模具粘結(jié)，隨后將攪拌均勻的土放入準(zhǔn)備好的三軸模具(高125 mm，直徑61.8 mm)中，應(yīng)根據(jù)預(yù)定的干密度和含水量，在擊實(shí)器內(nèi)分5層擊實(shí)，各層土料數(shù)量應(yīng)相等，各層接觸面應(yīng)刨毛。
3)在滑帶試樣滿(mǎn)足試驗(yàn)所要求的高度和直徑之后，在試樣的圓形頂面用炭黑筆畫(huà)線，將試樣分出6部分，每份各占60°，再將試樣放置于坐標(biāo)紙上并標(biāo)記下位置(如圖3所示)，使試樣正對(duì)前方，對(duì)粗顆粒較為明顯的表面用高清相機(jī)進(jìn)行拍照，以用作與剪切完之后的試樣對(duì)比。
2.3 試樣安裝與剪切步驟
1)試樣安裝：檢查壓力管線，并連接管線。把已檢查過(guò)的橡皮薄膜套在膜筒上，兩端翻起，用吸球從氣嘴中不斷吸氣，使橡皮膜貼于筒壁，小心將它套在土樣外面，然后讓氣嘴放氣，使橡皮膜緊貼試樣周?chē)?，翻起橡皮膜兩端，扎緊橡皮膜。把土樣裝入壓力室。安裝軸向位移傳感器。
2)剪切步驟：首先將三軸儀初始位移降為0 mm，隨后點(diǎn)擊三軸儀上的接觸按鈕，使壓力室與軸向壓力傳感器接觸上直至三軸儀自動(dòng)停止接觸。打開(kāi)壓力室頂部的螺絲，使其內(nèi)部與大氣連通，再將壓力室注滿(mǎn)水并設(shè)置圍壓。隨后點(diǎn)擊三軸儀上的穩(wěn)壓，直至壓力值在設(shè)置的圍壓左右跳動(dòng)。在電腦軟件上設(shè)置相關(guān)的試驗(yàn)參數(shù)，待設(shè)置完成之后點(diǎn)擊開(kāi)始剪切即可。待應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值，試樣剪切完成之后點(diǎn)擊結(jié)束剪切并拆除試樣，記錄分析數(shù)據(jù)，并將拆卸下的滑帶土試樣放置于之前已經(jīng)做了標(biāo)記的坐標(biāo)紙上，用高清相機(jī)對(duì)試樣表面拍照，通過(guò)與破壞前相同側(cè)面粗顆粒的位置進(jìn)行對(duì)比，并借助于Image pro plus圖像處理軟件對(duì)粗顆粒的豎向位移進(jìn)行分析，如圖1所示。
3 試驗(yàn)結(jié)果分析
3.1 滑帶土粘聚力c與含水率關(guān)系分析
試驗(yàn)首先對(duì)含水率為16%試樣編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)的滑帶土進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，在τ—σ坐標(biāo)圖中分別作出一組應(yīng)力莫爾圓，然后再作出應(yīng)力強(qiáng)度包線，從圖中可得到應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為c=194.17 kPa；同理，含水率為19%試樣編號(hào)為4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)的滑帶土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為c=130.59 kPa；含水率為22%試樣編號(hào)為7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)的滑帶土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為75.79 kPa。將上述變化規(guī)律以x—y坐標(biāo)繪出，如圖2所示顯示了滑帶土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力c與含水率的關(guān)系曲線。
通過(guò)對(duì)含粗?；瑤恋娜S剪切試驗(yàn)，可見(jiàn)其粘聚力c隨含水率的升高逐漸降低，進(jìn)而影響著滑坡的穩(wěn)定性。隨著含水率增加，結(jié)合滑帶土顆粒結(jié)合水膜不斷增厚，膠結(jié)作用不斷喪失。
3.2 滑帶土粗顆粒位移研究
試驗(yàn)還通過(guò)Image pro plus圖像處理軟件對(duì)部分粗顆粒的豎向位移進(jìn)行了定性分析，取同一試樣剪切前與剪切后的圖片各一張，圖中背景坐標(biāo)紙一主坐標(biāo)格單位為1 cm，分析結(jié)果如圖3所示。
1)粗顆粒在三軸剪切試驗(yàn)中由于試樣的剪切破壞粗顆粒的位置也相應(yīng)的發(fā)生了偏移，顆粒位移由兩端向中外部擴(kuò)展，軸向變形大。
2)圖例試樣破壞位置處于試樣的中下部，經(jīng)過(guò)分析可知，試樣上部粗顆粒的位移要小于試樣下部粗顆粒的位移，由此可知，距離試樣破壞處越近的土顆粒位移相對(duì)越大。
4 結(jié)論
本項(xiàng)研究測(cè)定了不同含水率試樣得到含水率對(duì)粘聚力c的影響，并對(duì)滑帶土剪切過(guò)程中粗顆粒的豎向位移進(jìn)行分析，主要得到以下結(jié)論:
1)隨著含水率的增加，粘聚力逐漸下降，滑坡體的穩(wěn)定性也相應(yīng)的受到影響。
2)三軸試驗(yàn)后，滑帶土試樣軸向變形大，出現(xiàn)“鼓肚子”破壞，滑帶土中的粗顆粒在剪切過(guò)程中會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)移動(dòng)，顆粒位移由兩端向中外部擴(kuò)展。
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