黏土Ⅰ型斷裂韌度影響因素試驗(yàn)

邱珍鋒，王俊杰，胡駿峰

(1．重慶交通大學(xué)國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074;2．重慶交通大學(xué)水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

高土石壩蓄水過(guò)程可能發(fā)生心墻水力劈裂現(xiàn)象，水力劈裂是水庫(kù)初次蓄水過(guò)程中導(dǎo)致大壩滲漏、內(nèi)部侵蝕、壩體破壞的重要原因［1-2］。由于水力劈裂過(guò)程本質(zhì)是裂隙擴(kuò)展的過(guò)程，研究者發(fā)現(xiàn)借鑒斷裂力學(xué)的分析方法來(lái)研究心墻水力劈裂問(wèn)題是合適的。從斷裂力學(xué)的角度，水力劈裂的問(wèn)題首先要對(duì)土體的斷裂特性進(jìn)行研究。水庫(kù)初次蓄水使心墻裂隙充水，同時(shí)，水也滲入到心墻料中，心墻裂隙應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂隙所受的正應(yīng)力、切應(yīng)力、滲流力、水壓力以及裂隙距壩頂高度等有關(guān)。以Ⅰ型斷裂為例，當(dāng)心墻裂隙應(yīng)力強(qiáng)度因子KI大于試驗(yàn)測(cè)得的斷裂韌度KIC時(shí)，即認(rèn)為裂隙擴(kuò)展。

黏土斷裂韌度KIC的測(cè)試方法主要是三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。在標(biāo)準(zhǔn)的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中，土梁自重對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果存在不可忽視的影響。Chandler等［3-7］為了降低土梁自重對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，對(duì)試驗(yàn)儀器進(jìn)行了改進(jìn)。王俊杰等［8-10］把標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)試樣繞底部長(zhǎng)邊向前旋轉(zhuǎn)90°，加載方向隨之變?yōu)樗椒较?，荷載方向與土梁重力方向垂直，從而巧妙地消除土梁自重對(duì)裂隙向土梁厚度、長(zhǎng)度方向擴(kuò)展的影響，改進(jìn)后的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)可以比較好的消除土梁自重的影響，且試驗(yàn)操作方便。

KIC是評(píng)價(jià)土體抗斷裂能力的指標(biāo)，當(dāng)然也是影響?zhàn)ね疗驴够芰Φ闹匾笜?biāo)。影響?zhàn)ね罧IC的因素眾多，其中，試樣的干密度、含水率、物質(zhì)組成、幾何尺寸、裂縫深度等是主要的影響因素。當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子KI達(dá)到斷裂韌度KIC時(shí)，認(rèn)為土體即將開(kāi)裂。本為采用王俊杰等［8-10］提出的方法對(duì)重慶地區(qū)侏羅系地層中的黏土巖風(fēng)化形成的高塑限紅黏土料進(jìn)行了室內(nèi)Ⅰ型斷裂韌度試驗(yàn)，研究了黏土試樣的干密度、含水率對(duì)Ⅰ型斷裂韌度KIC的影響規(guī)律。

1 斷裂韌度測(cè)試改進(jìn)方法

1．1 試驗(yàn)方法與步驟

裂隙在土梁中的真實(shí)擴(kuò)展方向是三維的，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)裂隙擴(kuò)展面沿土梁寬度方向凹凸形狀基本一致(圖1(a))，認(rèn)為向?qū)挾确较虻臄U(kuò)展可假定為是平行于重力方向，驗(yàn)證了王俊杰等［8-10］提出的方法的合理性，該方法適用于黏土Ⅰ型斷裂韌度測(cè)試。但受限于經(jīng)費(fèi)，當(dāng)時(shí)的儀器精度并不是非常高，試驗(yàn)中采用手動(dòng)加載，并采用百分表進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)，人工讀數(shù)，荷載精度為0.01 N［8-10］。根據(jù)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)原理，采用新技術(shù)對(duì)試驗(yàn)儀器進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的儀器由2個(gè)距離可調(diào)節(jié)的底邊支座、1個(gè)加載桿、加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。改進(jìn)后的加載系統(tǒng)由高精度的應(yīng)變加載系統(tǒng)和應(yīng)力加載控制系統(tǒng)組成，荷載精度提高到0.001N;改進(jìn)后的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的荷載和位移等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集;試樣座底部改用萬(wàn)向滾輪支撐，可隨試樣的變形在水平面內(nèi)自由移動(dòng)，基本消除了試樣底部的摩擦力。試驗(yàn)加載方法如圖1(b)所示。

圖1 試驗(yàn)加載

試驗(yàn)儀器改進(jìn)后需對(duì)試驗(yàn)步驟作相應(yīng)的調(diào)整，調(diào)整后的試驗(yàn)步驟可分為5步:①將土樣三等分裝入制樣儀中，分層擊實(shí);②用切土鋸切出所需深度的裂縫;③將試樣取出，橫放在2個(gè)有多個(gè)萬(wàn)向輪的墊板上，并讓加荷桿與試樣完全接觸;④在試樣兩端貼上電極片，啟動(dòng)Ⅰ型土體斷裂加載測(cè)試程序;⑤啟動(dòng)推力裝置，直至試樣破壞，同時(shí)，記錄從開(kāi)始施力到試樣破壞過(guò)程中荷重傳感器和位移傳感器采集到的荷載和位移數(shù)據(jù)。

1．2 試樣制備

試驗(yàn)土料為重慶地區(qū)侏羅系地層中的黏土巖風(fēng)化形成的高塑限紅黏土料。所用土料顆粒相對(duì)體積質(zhì)量 Gs=2.74，塑性指數(shù)18.4，液限39.5%，塑限21.1%，最大干密度為1.75 g/cm3，最優(yōu)含水率為20.0%。試驗(yàn)前，采用了粒度分析儀對(duì)黏土料進(jìn)行了級(jí)配分析，顆粒級(jí)配曲線如圖2所示。將土樣裝入制樣儀中分層擊實(shí)，用切土鋸切出一定深度的裂縫備用。

圖2 試驗(yàn)土料級(jí)配

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2．1 試驗(yàn)方案

為了探究干密度和含水率對(duì)黏土斷裂韌度影響，分別設(shè)計(jì)了不同干密度與含水率的8組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)均進(jìn)行3個(gè)平行試驗(yàn)。試驗(yàn)方案如表1和表2所示。表中含水率為制樣含水率，即制樣時(shí)所控制的含水率，在試驗(yàn)過(guò)程中含水率可能會(huì)有所變化。

表1 干密度試驗(yàn)方案

表2 含水率試驗(yàn)方案

2．2 斷裂韌度的計(jì)算

據(jù)標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的原理，試樣土體的斷裂韌度可按下式進(jìn)行計(jì)算:

式中:P為裂縫擴(kuò)展臨界荷載;a為預(yù)制裂隙深度;B為試樣厚度;W為試樣寬度;S為兩支座間距。

本試驗(yàn)中試樣長(zhǎng)L=24cm，W=10cm，B=5cm，S=18 cm，a=2 cm。

2．3 土體干密度對(duì)其KIC的影響

為研究土體干密度對(duì)其KIC的影響，進(jìn)行了相同含水率(20.0%)、不同干密度的試樣斷裂試驗(yàn)。試驗(yàn)中所監(jiān)測(cè)到的典型試樣荷載-位移關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 不同土體干密度的荷載-位移關(guān)系

由圖3可知，在荷載峰值點(diǎn)之前，每個(gè)試樣荷載均隨著位移的增長(zhǎng)而增大，基本為線性增長(zhǎng)趨勢(shì);達(dá)到峰值荷載之后，荷載隨位移的增大迅速減小，大致呈線性遞減趨勢(shì)?？烧J(rèn)為該黏土的斷裂特性表現(xiàn)出線彈性特性，峰值點(diǎn)即是裂隙擴(kuò)展所需的最大荷載，可用該峰值荷載計(jì)算該試樣的KIC。

采用式(1)對(duì)不同干密度試樣的斷裂韌度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，KIC隨著土體干密度的增大而增大。制備不同干密度的試樣所需要的擊實(shí)功不同，干密度大的試樣所需的擊實(shí)次數(shù)也更多。土石壩中的黏土心墻的抗水力劈裂性能可運(yùn)用該規(guī)律，增加碾壓次數(shù)或采用重型碾壓設(shè)備對(duì)黏土心墻進(jìn)行碾壓，提高黏土心墻的密度可增大其KIC，從而提高其抗水力劈裂的能力。黏土邊坡的治理也可運(yùn)用該規(guī)律，黏土邊坡一般的破壞模式是拉裂型［11-13］，可以適當(dāng)夯實(shí)邊坡上邊緣的可能拉裂區(qū)來(lái)增強(qiáng)其抗拉裂性能，以防黏土邊坡拉裂破壞。

圖4 試樣干密度對(duì)其KIC的影響

2．4 土體含水率對(duì)其KIC的影響

土石壩黏土心墻的施工過(guò)程中，每層虛鋪黏土層的含水率可能不同，而相同碾壓強(qiáng)度下不同含水率黏土的碾壓密實(shí)度不同，因此黏土含水率會(huì)影響碾壓后黏土心墻的斷裂韌度，即抗水力劈裂的能力，有必要研究含水率對(duì)黏土的斷裂韌度的影響。結(jié)合三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，對(duì)相同干密度下的5種不同含水率試樣進(jìn)行了斷裂韌度測(cè)試，試驗(yàn)中所監(jiān)測(cè)到的典型試樣荷載-位移曲線圖5所示。

圖5 不同土體含水率的荷載-位移關(guān)系

由圖5可知，每個(gè)試驗(yàn)的荷載-位移曲線均存在明顯的峰值點(diǎn)，取該峰值點(diǎn)作為斷裂韌度的計(jì)算荷載，可計(jì)算出每個(gè)試樣的斷裂韌度KIC，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，前段試樣的KIC隨著試樣含水率的增大而增大，當(dāng)試樣中的含水率增大到一定值后，KIC隨著含水率的增大而減小，說(shuō)明存在一個(gè)使黏土KIC值最大的含水率且與最優(yōu)含水率相同。土石壩黏土心墻施工時(shí)，保證黏土在最優(yōu)含水率進(jìn)行碾壓，可使黏土心墻具有較好的抗水力劈裂性能。

圖6 土體含水率對(duì)其KIC的影響

3 結(jié)論

a．黏土的KIC值隨著土體干密度的增大而增大，土石壩中的黏土心墻施工時(shí)，可增加碾壓次數(shù)或采用重型碾壓設(shè)備碾壓，以增大心墻密度及其KIC，從而提高其抗水力劈裂的能力;黏土KIC隨著其含水率的增大先增大后減小，存在一個(gè)使其KIC值最大的含水率。

b．在黏土含水率相同的情況下，土體KIC值隨擊實(shí)功的增大而增大;在相同擊實(shí)功、不同含水率情況下，KIC值隨含水率的增大先增大后減小;存在一個(gè)最優(yōu)含水率，此時(shí)黏土的KIC值最大。水利工程施工時(shí)，可按照最優(yōu)含水率進(jìn)行填筑，以提高其抗水力劈裂能力。

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