重塑壓實黏土Ⅰ型斷裂試驗研究

李澤華，張 云，馬維俊，于 軍，龔緒龍

(1. 南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 南京 210023; 2. 國土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院)，江蘇 南京 210018)

土體是巖石經(jīng)過風(fēng)化、剝蝕、搬運及沉積作用所形成的松散堆積物，其特殊的形成過程導(dǎo)致其具有獨特的物理力學(xué)性質(zhì)。它不像巖石具有剛性的聯(lián)結(jié)，其物理狀態(tài)多變，力學(xué)強度低，這些特點的存在給人們研究土體在各種狀態(tài)下所表現(xiàn)出的力學(xué)性質(zhì)帶來一定的困難。目前土體強度方面的研究主要集中在抗壓、抗剪兩方面，對抗壓和抗剪強度的也已經(jīng)形成了一套較為完善、便于實際工程應(yīng)用的測試方法和測試設(shè)備。

然而隨著人類對自然改造程度的不斷加深，僅僅依靠抗壓和抗剪等強度理論已難以很好地解決工程中出現(xiàn)的新問題，例如地下水開采引起的地裂縫、土坡滑動時坡頂產(chǎn)生的拉裂縫、土石壩水力劈裂等[1～3]。這些問題的出現(xiàn)使得土體斷裂方面的研究逐步得到重視，成為土木工程和地質(zhì)工程領(lǐng)域的重要研究課題。

在彈塑性條件下，當(dāng)應(yīng)力場強度因子增大到某一臨界值時，裂紋便失穩(wěn)擴展，導(dǎo)致材料斷裂，這個臨界或失穩(wěn)擴展的應(yīng)力場強度因子即為斷裂韌度。它表征材料在帶裂紋工作時抵抗斷裂的能力，是材料固有的一種力學(xué)性質(zhì)。目前國內(nèi)對巖石、混凝土等材料斷裂韌度的研究較多[4～5]，但對于土體斷裂韌度的研究較少。目前關(guān)于水工混凝土、金屬材料的斷裂韌度測試已經(jīng)有了正式的規(guī)范，如《水工混凝土斷裂試驗規(guī)程》(DLT5332—2005)、《金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗方法》(GBT4161—2007)，然而關(guān)于土體斷裂韌度的測試方法，迄今為止并沒有一個統(tǒng)一的規(guī)范[6～11]，關(guān)于土的斷裂韌度實驗、儀器都還無標(biāo)準(zhǔn)可依。

按裂紋受力情況，可將裂紋分為三種基本類型(圖1):張開型(I型)、劃開型(II型)和撕開型(III型)裂紋。I型裂紋上下兩表面沿y軸相對張開；II型裂紋上下兩表面沿x軸相對滑開；III型裂紋上下兩表面沿z軸(垂直于紙面方向)相對滑開[12]。混凝土、巖石等材料的I型斷裂韌度常采用三點彎曲試驗測試，但由于土體抗拉強度一般較小，在三點彎曲試驗中土梁在自重作用下就可能產(chǎn)生彎曲而破壞，因此傳統(tǒng)的三點彎曲試驗難以應(yīng)用于土體斷裂韌度的測試。本文將在傳統(tǒng)三點彎曲試驗的基礎(chǔ)上，通過對直剪儀進(jìn)行改造，研制可測定土體I型斷裂韌度的儀器，研究土樣干密度、含水率、裂紋形狀、加載速率對土體I型斷裂韌度的影響。

圖1 裂紋類型Fig.1 Crack types

1 試驗方法

1.1 試驗原理

試驗所采用方法的原理與傳統(tǒng)三點彎曲試驗相似。但傳統(tǒng)三點彎曲試驗是將試樣放在有一定距離的兩個支撐點上，在兩個支撐點間的中點處從試樣上方施加向下的荷載，試樣的三個接觸點形成相等的兩個力矩時即發(fā)生三點彎曲，試樣隨著荷載的增加將于中點處發(fā)生斷裂。由于土體強度較低，故需要考慮到土體自重的影響，如按照規(guī)范進(jìn)行傳統(tǒng)三點彎曲實驗，試樣加荷方向與土體自重方向一致，都是垂直向下，當(dāng)干密度較小時，試樣會直接在土體自重的影響下發(fā)生斷裂，故土體自重會對斷裂韌度試驗的結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。為避免土體自重產(chǎn)生的影響，本試驗參考前人的研究方法[13～16]，選擇將試樣沿寬度方向旋轉(zhuǎn)90°，使得加荷方向變?yōu)樗?，與土體的自重方向垂直，從而克服了土體自重對實驗的影響。

1.2 儀器改造

為了簡化操作和降低成本，本次試驗選用ZJ應(yīng)變控制式直剪儀進(jìn)行改造，如圖2所示。

圖2 土體I型斷裂韌度KIC測試儀示意圖Fig.2 Schematic diagram of the soil tester of the fracture toughness KIC

1.3 試驗設(shè)計

1.3.1土料及試樣尺寸

試驗選用兩種不同土料，一種為灰色黏土，其塑限為Wp為22%，液限WL為42%；另一種為黃色粉質(zhì)黏土，其塑限Wp為17%，液限WL為33%，兩種土料均是用圓盤粉碎機將大塊土料粉碎后，用篩子篩選出符合試驗要求粒徑的土料，試驗所用土料顆粒粒徑均小于0.25 mm。

根據(jù)彈性理論的圣維南原理，為了避免加載點和支承點附近的應(yīng)力集中對裂紋附近區(qū)域的干擾，對試樣尺寸有一定要求[17]。標(biāo)準(zhǔn)的三點彎曲試樣，跨距(S)等于寬度(W)的4倍，寬度(W)通常是厚度(B)的2倍，即S∶W∶B=8∶2∶1，裂紋長度在0.45W～0.55W之間。試樣的比例尺如圖3所示。同時，試驗要求試樣厚度(B)和裂紋長度(a)及韌帶尺寸(W-a)滿足公式(1)～(3)，實驗結(jié)果才被認(rèn)為是有效的。由于不能提前保證滿足這種要求，因此，最初試驗采用的試樣尺寸應(yīng)該是保守的。

圖3 三點彎曲試驗試樣示意圖Fig.3 Schematic diagram of the three-point bending test sample

(1)

(2)

(3)

式中：B——試樣厚度/cm；

a——初始裂紋長度/cm；

W——試樣寬度/cm；

KIC——斷裂韌度/(kPa·m0.5)；

σys——材料的屈服應(yīng)力/kPa。

試驗所采用試樣的規(guī)格為長18 cm，寬4 cm，高2 cm，初始裂紋長度選擇1.8 cm。

1.3.2試驗步驟

首先，根據(jù)不同干密度、含水率，稱取不同質(zhì)量的土料、水進(jìn)行拌合。在土料的拌制過程中，應(yīng)保證土與水充分均勻拌合，若拌合不充分，會導(dǎo)致所拌制的土料中存在較多粘聚在一起的大小不一的土塊(含水率越高的土料此現(xiàn)象越明顯)。在后續(xù)試樣制作過程中，若存在過多的粘聚土塊，可能會導(dǎo)致試樣在壓制過程中土顆粒分布不均勻，從而影響試樣的強度。故在土料拌合時，可以采用“少量多噴”的方式加水，并將拌合好的土樣裝入保鮮袋置于保濕缸中放置24 h，以保證土與水充分混合。

試驗土樣通過模具制作而成，模具材質(zhì)采用不銹鋼，模具擋板皆可活動拆卸以便取樣(圖4)。

圖4 制樣模具示意圖Fig.4 Schematic diagram of the sample mould

最后，將制好的試樣平穩(wěn)放置于儀器平臺上，土樣長邊一側(cè)緊靠檔桿，并使其預(yù)制裂紋與加荷方向在同一直線上。打開直剪儀，調(diào)節(jié)剪切速率，啟動儀器使推桿前進(jìn)到與試樣即將接觸的位置，暫停儀器并記錄傳感器的初始數(shù)值，一切準(zhǔn)備就緒后開始試驗，記錄傳感器上顯示的荷載數(shù)值與直剪儀上所對應(yīng)顯示的位移數(shù)值，觀察裂紋擴展情況，直至試樣徹底斷裂(圖5)。

圖5 裂縫及裂縫擴展圖Fig.5 Diagram of crack and crack propagation

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗方案

為研究影響土體斷裂韌度的因素，根據(jù)不同干密度、含水率配制不同的試樣，配制灰色黏土試樣18組(C1～C18)、黃色粉質(zhì)黏土試樣24組(SC1～SC24)，每組3個試樣，具體試驗方案見表1。

2.2 斷裂韌度計算

本試驗采用的計算公式為中華人民共和國金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗方法(GBT4161—2007)。

表1 試驗方案

式中：FQ——裂縫開展時的荷載/N；

S——跨距/cm。

為驗證儀器的可靠性，對每組3個試樣斷裂韌度KIC測試結(jié)果進(jìn)行相對誤差計算。試驗結(jié)果表明，每組3個試樣的斷裂韌度KIC值的相對誤差較小，說明所研制的儀器具有較好的可靠性。試驗選用1組試驗中3個試樣斷裂韌度的平均值作為該組試樣的斷裂韌度KIC真實值。

2.3 裂紋形狀對于斷裂韌度的影響

為了探究裂紋形狀對于斷裂韌度的影響，選用SC10(三角形)、SC23(U形)、SC24(矩形)3組試樣進(jìn)行試驗，并繪制出其荷載-位移關(guān)系曲線圖(圖6)。由圖6可見不同的裂縫形狀會對荷載-位移關(guān)系曲線產(chǎn)生很大的影響，其中U形試樣的峰值荷載值最大，矩形試樣的峰值荷載值略微下降，三角形的峰值荷載值最小，其原因可能是由于裂縫形狀越尖銳，該區(qū)域應(yīng)力集中程度越大，試樣越容易破壞[18]。三角形試樣由于具有一個銳角，因此試樣在受荷時最易產(chǎn)生應(yīng)力集中，故其峰值荷載最小，斷裂韌度值最??；矩形試樣具有兩個直角，從其裂紋開展的部位均在兩個直角處可以發(fā)現(xiàn)，直角處也易于產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低其試樣的斷裂韌度；U形試樣由于沒有尖銳地方，有效地降低了應(yīng)力集中，故其峰值荷載最大，斷裂韌度值最大(表2)。但是從三者的荷載-位移關(guān)系曲線可以發(fā)現(xiàn)，三角形裂紋的試樣組較另外兩組試樣來說，其曲線重合程度最大，且其裂紋基本沿直線擴展(圖7)，故下文其它試驗均選用三角形裂紋的試樣。

圖6 不同斷裂形態(tài)荷載-位移曲線關(guān)系圖Fig.6 Relationship of load vs displacement of different fracture types

裂紋形狀U形矩形三角形17 4116 3811 01斷裂韌度/(kPa·m0 5)18 4316 1210 4918 1715 8710 49

2.4 含水率對斷裂韌度的影響

為研究含水率對土體斷裂韌度的影響，控制干密度不變，改變含水率。選用C1～C5(1.35 g/cm3)、C9～C12(1. 5 g/cm3)、SC4～SC7(1.38 g/cm3)、SC8～SC13(1.47 g/cm3)、S14～SC18(1.56 g/cm3)繪制出灰色黏土和黃色粉質(zhì)黏土含水率與斷裂韌度關(guān)系曲線圖(圖8)。

圖7 裂紋擴展對比圖Fig.7 Contrast diagram of crack propagation

圖8 灰色黏土(a)和黃色粉質(zhì)黏土(b)斷裂韌度KIC與含水率關(guān)系Fig.8 Relationship of fracture toughness vs water content of gray clay (a) and yellow silty clay (b)

由圖8可知，兩種不同的土料在保持干密度不變時，在一定含水率范圍內(nèi)斷裂韌度KIC隨著試樣含水率的增大而增大。當(dāng)試樣含水率增大到一定值后，斷裂韌度KIC隨著含水率的增大而減小，這與前人在進(jìn)行土體斷裂韌度試驗時所得到的規(guī)律相似，該曲線所呈現(xiàn)出來的規(guī)律與擊實試驗所得到的最優(yōu)含水率試驗曲線相類似。對一定干密度的重塑土來說，在較低含水率的情況下，隨著含水率的增加，土顆粒之間的水膜聯(lián)結(jié)增加，土中越來越多的弱結(jié)合水吸附于強結(jié)合水外圍，土顆粒間的水膜聯(lián)結(jié)加強，導(dǎo)致斷裂韌度增加。當(dāng)含水率繼續(xù)增加，結(jié)合水膜的厚度持續(xù)加大，土顆粒間的接觸面積不斷減小，顆粒間的吸引力越來越弱，且弱結(jié)合水由于吸引力的降低逐漸過渡為自由水，對土顆粒的聯(lián)結(jié)產(chǎn)生不利影響，故斷裂韌度又隨含水率的增加而減小。另一方面，毛細(xì)聯(lián)結(jié)作用也對土體斷裂韌度產(chǎn)生一定的影響，當(dāng)土體含水率較低時，毛細(xì)壓力會迫使相鄰?fù)令w粒相互靠近，而隨著含水率的逐漸增加這種毛細(xì)壓力會逐漸減弱并最終消失，從而影響土體強度，故土體斷裂韌度會呈現(xiàn)出一種先增后減的規(guī)律[19]。

2.5 干密度對斷裂韌度的影響

為研究干密度對土體斷裂韌度的影響，控制含水率不變，改變干密度。選用C1C6C10C13(含水率16%)、C2C7C11C14(含水率18%)、C3C8C12C15(含水率20%)、SC1SC4SC9SC14(含水率8%)、SC2SC5SC10SC15(含水率10%)、SC3SC6SC11SC16(含水率12%)繪制出灰色黏土和黃色粉質(zhì)黏土干密度與斷裂韌度關(guān)系曲線圖(圖9)。

圖9 灰色黏土(a)和黃色黏土(b)斷裂韌度KIC與干密度關(guān)系Fig.9 Relationship of fracture toughness vs dry density of the gray clay (a) and yellow silty clay (b)

由圖9可知，2種土料在保持含水率不變時，隨著試樣干密度的增大，其斷裂韌度KIC也隨之增大，且干密度與斷裂韌度KIC之間呈現(xiàn)出比較明顯的線性關(guān)系，直線擬合的決定系數(shù)均在0.96以上。分析其是由于試樣干密度越大，在壓實的時候其顆粒與顆粒間的密實性也就越好，土顆粒間的咬合作用越好，土體的強度也隨之增加，從而其斷裂韌度KIC也就隨著干密度的增大而逐漸增大。

2.6 加載速率對于斷裂韌度的影響

為研究加載速率對土體斷裂韌度的影響，控制干密度、含水率不變，改變加載速率。選用SC10、SC19～SC22繪制出加載速率與斷裂韌度關(guān)系曲線圖(表3，圖10)。

圖10 斷裂韌度KIC與加載速率關(guān)系Fig.10 Relationship of fracture toughness vs loading speed

由圖10可知，加載速率對于斷裂韌度KIC有一定的影響，但相較于干密度、含水率等對斷裂韌度KIC的影響來看，當(dāng)加載速率在0.8～4.8 mm/min之間變化時對其的影響很小，可以忽略不計。

3 結(jié)論

(1)新研制出的土體Ⅰ型斷裂韌度測試儀具有較好的可靠性，且結(jié)果表明，密實黏土中的裂縫擴展可采用線彈性斷裂理論對其進(jìn)行研究。

(2) 裂紋形狀的不同導(dǎo)致試樣出現(xiàn)不同程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象，土體斷裂韌度KIC隨試樣應(yīng)力集中程度的增大而逐漸減小。U形裂紋試樣的斷裂韌度最大，矩形裂紋試樣的斷裂韌度其次，三角形裂紋試樣的斷裂韌度最小。

(3) 試驗所用的2種不同土料其含水率和干密度對土體的斷裂韌度KIC均有較大影響，且均呈現(xiàn)出了相同的變化趨勢。對于相同干密度的試樣，斷裂韌度KIC隨含水率的增加呈現(xiàn)出一種先增后減的趨勢，即存在一個使斷裂韌度達(dá)到最大值的最優(yōu)含水率；對于相同含水率的試樣，斷裂韌度KIC隨試樣干密度的增加而增大。

(4) 在一定加載速率范圍內(nèi)，加載速率對于斷裂韌度KIC的影響很小，可以忽略不計。

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