含裂隙膨脹土無側(cè)限抗壓強度特征試驗研究

李關洋 ，顧 凱 ，王 翔 ，施 斌

（南京大學地球科學與工程學院, 江蘇 南京 210023）

自然界的土體中常發(fā)育裂隙，裂隙會顯著影響土體的工程性質(zhì)。一方面，裂隙會破壞土體的完整性，在土體中產(chǎn)生軟弱區(qū)，導致土體強度的降低和壓縮性的增加[1-3]；另一方面，裂隙可以為入滲提供優(yōu)先路徑[4]，降低土體有效應力，誘導土體破壞[5-7]。膨脹土富含蒙脫石等強親水性黏土礦物，具有“吸水膨脹，失水收縮”的特性[8-9]。在氣候因素影響下，膨脹土經(jīng)歷反復脹縮，導致裂隙大量生成，土體結(jié)構被破壞[10]。徐彬等[11]指出，裂隙發(fā)展狀態(tài)下膨脹土的強度在數(shù)值上僅接近其殘余強度。因此，研究含裂隙膨脹土的強度特征具有重要意義。

近年來，眾多學者研究了裂隙網(wǎng)絡的發(fā)育規(guī)律。袁俊平等[12]指出，裂隙網(wǎng)絡量度指標是評價含裂隙土體工程性質(zhì)的重要參考依據(jù)。一般采用一整套與裂隙網(wǎng)絡幾何形態(tài)特征密切相關的量度指標體系來評價土體裂隙發(fā)育程度[13]，并且有專門的裂隙網(wǎng)絡定量分析系統(tǒng)[14]。但目前的研究多是集中在裂隙發(fā)育特性與機理解釋上[15-18]，裂隙與土體強度特征的關系研究較少，且多是規(guī)律性認識，缺少定量描述與機制分析[19-22]。此外，模擬自然條件下產(chǎn)生的裂隙有很大的隨機性，即在相同的實驗條件下，裂隙網(wǎng)絡的量度指標不盡相同，不具有可復制性；即使在相同的裂隙參數(shù)下，裂隙形態(tài)及其組合形式也不盡相同，這些因素對強度的影響在研究中無法被考慮。因此，亟需一種可重復的裂隙網(wǎng)絡制作方法，進一步研究特定裂隙形態(tài)及其組合對土體強度特征的影響。

在巖體研究中，預制裂隙是常見的樣品處理方法，從而能夠定量研究巖體裂隙對其力學性質(zhì)的影響。也有學者將預制裂隙方法應用到土體的研究中，程龍虎等[23]在標準圓柱試樣上切割不同傾角的貫通裂隙，并用較高含水率的黃土進行填充，通過無側(cè)限抗壓試驗探究裂隙傾角對裂隙性黃土的破壞模式與強度特性的影響。而對于膨脹土，其強度特征受裂隙控制，膨脹土邊坡失穩(wěn)呈現(xiàn)出與一般黏性土不同的淺層性失穩(wěn)特征[5,9]。因此，相比于貫通裂隙，研究膨脹土表面裂隙更為合理。

本文采用一種標準化預制裂隙方法制備特定裂隙形態(tài)的膨脹土試樣，研究了含裂隙膨脹土的強度特征，并探討了其產(chǎn)生機制與發(fā)展規(guī)律，以期為相應的裂隙土體工程設計與施工提供指導。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.2 制樣與試驗方法

將現(xiàn)場取回的原狀膨脹土粉碎過2 mm篩，并烘干。按初始含水率20.8%，將一定質(zhì)量的水與干土充分混合后，置于密封袋中保存24 h，分層壓實，按干密度1.71 g/cm3制成直徑50 mm、高100 mm的圓柱試樣。用保鮮膜包裹試樣并置于養(yǎng)護箱中保存24 h，保持溫度20℃、濕度≥95%。

試樣養(yǎng)護完成后，利用臺鋸制備特定形態(tài)的裂隙。通過調(diào)節(jié)刀片超出臺面的高度控制裂隙深度，通過更換不同寬度刀片控制裂隙寬度，刀片兩側(cè)與之平行的卡槽用于控制裂隙分布并固定試樣，將試樣沿刀片方向勻速推切或旋轉(zhuǎn)即可制備規(guī)則裂隙。為便于研究裂隙方向、條數(shù)、深度、寬度的影響，設計垂直于受力方向的環(huán)向裂隙（Cpe）和平行于受力方向的縱向裂隙（Cpa），預制裂隙深度3，6 mm共2種，寬度1，2 mm共2種，條數(shù)1～4共4種（圖1）。包括無裂隙對照組（CTR）在內(nèi)，每種裂隙形態(tài)制定3個平行樣。編號方式為：寬度W（1，2 mm）深度D（3，6 mm）方向L/C（縱向/環(huán)向）條數(shù)（1～4）-組別（1～3），如W1D3C1-1。

圖1 預制裂隙形態(tài)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the crack morphology

利用無側(cè)限抗壓儀確定含裂隙膨脹土無側(cè)限抗壓強度，設備加載速率1 mm/min，進行至軸向應變?yōu)?2%。加載后，每隔30 s拍照記錄試樣破壞過程，試驗裝置見圖2。

圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the test apparatus

2 含裂隙膨脹土的無側(cè)限抗壓破壞特征

無側(cè)限條件下特定裂隙形態(tài)膨脹土試樣典型破壞特征見表1。由表1可見，裂隙方向顯著影響試樣破壞模式，Cpe越寬，破壞模式由剪切-拉伸破壞向張拉破壞轉(zhuǎn)變。這是由于最大主應力方向與裂隙垂直，裂隙處臨空面處于受拉狀態(tài)，當拉應力大于抗拉強度時裂紋起裂，預制裂隙閉合前，次生裂紋持續(xù)受拉沿垂向擴展，裂隙寬度通過控制閉合快慢而影響拉裂紋發(fā)育程度。寬度較小時（W1D6C2-1），裂紋隨著預制裂隙閉合轉(zhuǎn)為斜向擴展，試樣破壞時仍有明顯的剪切面；寬度較大時（W2D3C2-1），拉應力作用顯著，破壞時裂紋明顯向兩側(cè)張開，表面土體外掀。Cpa條數(shù)越多，破壞模式由剪切破壞向鼓脹破壞轉(zhuǎn)變。這是由于預制裂隙限制了裂紋擴展路徑，即破壞被“約束”在試樣內(nèi)部。條數(shù)較少時（W2D3L1-1），裂隙對試樣破壞影響較小，仍以剪切破壞為主；條數(shù)較多時（W2D6L4-1），試樣側(cè)向鼓脹，無明顯剪切破壞面。

表1 不同裂隙形態(tài)試樣破壞過程及特征描述Table 1 Description of the failure process and characteristics of the samples with different crack morphologies

相比于無裂隙試樣剪切面突然出現(xiàn)，Cpe相當于最大主應力方向的臨空面，為裂紋發(fā)育提供了讓位空間，試樣破壞過程伴隨裂紋發(fā)育，可通過裂紋判斷試樣所處破壞階段及可能的破壞模式，試樣塑性增強。

3 含裂隙膨脹土無側(cè)限抗壓應力-應變分析

3.1 含與受力方向垂直裂隙試樣應力-應變曲線特征

裂隙形態(tài)對無側(cè)限抗壓下膨脹土試樣的應力-應變關系有著顯著的影響，圖3為幾組典型的應力-應變曲線。由圖3可見，含Cpe試樣的應力-應變曲線整體呈應變軟化型。試樣壓縮過程大致分為4個階段。彈性壓密段（OA）：在應力加載初期，試樣處于線彈性變形階段，應力隨應變增加線性上升；塑性壓密段（AB、BC）：隨著裂隙形態(tài)的不同，此階段可出現(xiàn)不同的應力路徑；裂紋擴展段（CD）：峰值強度qu后，應力隨應變增加緩慢下降，具有塑性破壞特征；裂紋貫通段（DE）：應力下降斜率逐漸減小，直至趨于穩(wěn)定，出現(xiàn)殘余強度τr。與無裂隙試樣相比，Cpe主要在AB、BC段產(chǎn)生影響，而OA、CD、DE段則無明顯差異。這是由于應力加載初期（OA），土體未開裂部分單獨提供強度，Cpe影響尚未顯現(xiàn)；裂紋擴展、貫通階段（CD、DE），Cpe閉合，試樣趨于“完整”，由于與無裂隙試樣受力特征相似，曲線形態(tài)也相似。

誘伏，是依據(jù)敵情和地理特征，預先將兵力埋伏在敵人能進入便于我捕殲的地域，再以各種不同的作戰(zhàn)方法，誘使敵人進入我伏擊地域，再將其捕獲。

進入塑性壓密段（AB、BC）后，應力隨應變增加的上升斜率逐漸減小并趨于穩(wěn)定，此后出現(xiàn)3種應力路徑：（1）應力穩(wěn)定后，再次隨應變增加近似線性上升，見圖3（a）；（2）應力隨應變增加緩慢下降后，再次呈線性上升，見圖3（b）；（3）應力隨應變增加緩慢下降后，出現(xiàn)一段應力穩(wěn)定平臺，見圖3（c）。說明Cpe改變了試樣受力狀態(tài)，并影響qu的大小與出現(xiàn)位置。這是由于Cpe寬度、深度不同，裂隙閉合時間以及閉合后的強度提升也不同。

圖3 Cpe特定寬度、深度下部分應力-應變曲線Fig.3 Partial stress-strain curves of Cpe with specific width and depth

為定量表征Cpe對塑性壓密段試樣受力的影響，圖4為某典型應力-應變曲線及其微分后得到的斜率曲線，根據(jù)斜率為零處的實際破壞階段，分別定義了初始起裂應力qic/應變εic、閉合應力qc/應變εc、擴展應力qe/應變εe。為表征裂隙閉合的強度提升，定義強度增量Δq：

圖4 應力-應變曲線關鍵點示意圖Fig.4 Schematic diagram of the key points of the stress-strain curve

結(jié)合圖3可得，初始起裂應力qic由裂隙深度控制，D=3 mm時qic在480 kPa左右，D=6 mm時qic在330 kPa左右，約為D=3 mm時的2/3，說明裂隙較深時，土體未開裂部分截面積較小，提供的強度較小。相應地，裂隙閉合時提供的強度增量較大，D=3 mm時Δq在5.4%～6.5%之間，D=6 mm時Δq在11.2%～16.0%之間，約為D=3 mm時的2倍。閉合應變εc由裂隙寬度控制，裂隙越寬，εc越大，W=1 mm時εc約為0.03，W=2 mm時εc約為0.05。而不論何種曲線形態(tài)下，擴展應變εe均在0.06～0.07之間，說明Cpe閉合后影響較小。

經(jīng)上述分析可知，Cpe的閉合是塑性壓密段形態(tài)差異的根本原因。裂隙與最大主應力方向垂直，是眾多裂隙方向的一種特殊情況，而從受力角度分析，曲線形態(tài)改變并非Cpe獨有，其存在于預制裂隙在裂紋擴展階段前發(fā)生閉合的任意裂隙方向。

3.2 含與受力方向平行裂隙試樣應力-應變曲線特征

由圖5可知，含Cpa試樣壓縮過程同樣分為彈性壓密、塑性壓密、裂紋擴展、裂紋貫通4個階段。與含Cpe試樣不同的是，塑性壓密段未受裂隙影響，表現(xiàn)為應力隨應變增加的上升斜率逐漸減小，直至趨于穩(wěn)定，曲線形態(tài)與無裂隙試樣無明顯差異。這是由于裂隙與最大主應力方向平行，對試樣軸向變形影響不大。

圖5 Cpa部分應力-應變曲線Fig.5 Partial stress-strain curves of Cpa

圖5（a）中曲線呈應變硬化特征，試驗結(jié)束時，仍保留峰值強度qu。圖5（b）中曲線則呈應變軟化特征，應力開始下降或出現(xiàn)殘余強度τr。經(jīng)統(tǒng)計試樣破壞模式發(fā)現(xiàn)，應變硬化型曲線均出現(xiàn)在鼓脹破壞試樣中，而剪切破壞試樣曲線表現(xiàn)出明顯的應變軟化特征。

3.3 應力-應變曲線概化模型與定量分析

為深入研究裂隙形態(tài)對膨脹土試樣應力-應變關系的影響，據(jù)試驗結(jié)果建立應力-應變曲線概化模型，并將其劃分為多級上升型、波動上升型、多級下降型、標準型4種（圖6）。

經(jīng)統(tǒng)計，無裂隙試樣與含Cpa試樣應力-應變曲線呈標準型；含Cpe試樣中，曲線形態(tài)可通過裂隙寬度、深度簡單判別（圖6、圖7），但存在不滿足規(guī)律的個例。因此，提出一種反映裂隙對曲線形態(tài)與試樣強度影響的量化指標A：

圖6 含裂隙膨脹土應力-應變曲線模型Fig.6 Stress-strain curve model of the expansive soil with cracks

式中，a1反 映了裂隙深度的影響，a2反映了裂隙寬度的影響，標準型曲線A≈1，A值與應力-應變曲線形態(tài)關系見圖7?？梢钥闯?，A值具有明確的物理意義：A值越大，Cpe對曲線形態(tài)（即試樣受力狀態(tài)）與強度影響越明顯。A＜0.5時，應力-應變曲線呈多級上升型，而強度相比于無裂隙試樣無明顯變化；A＞0.5時，裂隙試樣強度折減明顯，且曲線形態(tài)有明顯差異。

圖7 曲線形態(tài)量化指標Fig.7 Quantitative index of the curve shape

4 宏觀力學特性分析

4.1 含裂隙膨脹土峰值強度

圖8給出了峰值強度qu隨裂隙方向、條數(shù)變化的情況，含裂隙試樣的qu值均低于無裂隙試樣。

圖8 qu與裂隙方向條數(shù)關系圖Fig.8 Relationship between qu and crack direction and number

含Cpa試樣qu受裂隙條數(shù)影響小，集中在450～600 kPa，整體以W2D6組最高、W1D6組最低，W2D3、W1D3兩組基本持平，說明寬裂隙試樣qu較高，深裂隙試樣qu波動較大。這是兩種因素綜合作用的結(jié)果，一方面，裂隙破壞了試樣的完整性；另一方面，裂隙限制了剪切面的擴展路徑，相當于給試樣施加了側(cè)向約束。裂隙寬度較大時（W=2 mm），裂紋不易切穿裂隙，裂隙約束作用更明顯；裂隙寬度較小時（W=1 mm），裂隙內(nèi)端部應力集中較強，破壞作用更明顯，而深度會放大寬度的影響。因此，W2D6組試樣約束作用最大，qu最高；W1D6組試樣破壞作用最大，qu最低。隨著裂隙條數(shù)的增加，約束與破壞作用同時增強，表現(xiàn)為W2D3組試樣在1、2條裂隙時，qu略小于W1D3組試樣，而在3、4條裂隙時，qu反而更大，這也驗證了上述分析。

含Cpe試樣qu隨裂隙條數(shù)的增加而減小。二者具有良好的對數(shù)函數(shù)關系，其相關系數(shù)均達到0.98以上。其中W2D6組降幅達32.95%最大，W1D6組降幅24.75%，W1D3組降幅15.76%最小。說明裂隙越寬越深，qu減小越明顯。這是由于裂隙條數(shù)增加，進一步破壞試樣完整性，裂隙越寬、越深，加劇了軸向變形與應力集中作用，qu越小。

4.2 含裂隙膨脹土變形模量與峰值應變

變形模量E50是評價土體抵抗變形能力的重要參數(shù)，在數(shù)值上近似等于彈性壓密段的割線模量。而對于含Cpe試樣，塑性壓密段情況復雜，原有的E50不能完整反映裂隙對土體變形的影響。因此，定義適用于含裂隙膨脹土的變形模量Ece：

Ece即為預制裂隙閉合點的割線斜率，其涵蓋了Cpe集中作用階段，綜合反映了裂隙深度、寬度的影響。由圖9可以看出，Ece隨裂隙條數(shù)增加而降低，二者之間具有良好的對數(shù)函數(shù)關系，其相關系數(shù)均在0.89以上。另一方面，Ece與qu隨裂隙條數(shù)的變化規(guī)律一致，說明含裂隙膨脹土強度與剛度之間存在緊密的內(nèi)在關聯(lián)。Ece較變形模量E50小，但更為符合“裂隙越發(fā)育越易變形”的實際情況，因此，Ece可以表征含裂隙膨脹土的變形特征。

圖9 Cpe試樣εce、Ece與裂隙條數(shù)關系圖Fig.9 Relationship between εce and Ece of the Cpe samples and crack n umber

對于含Cpe試樣，峰值應變ε0常因曲線形態(tài)而改變，與裂隙形態(tài)間規(guī)律不明顯。因此，嘗試用Ece對qu進行歸一化處理，從量綱角度分析，qu/Ece可視作某種與峰值強度相關的應變εce，圖9給出了εce與裂隙條數(shù)的關系，可以看出，εce穩(wěn)定在0.05～0.06之間，考慮到制樣與試驗過程中的不確定性，可以認為εce不受裂隙形態(tài)的影響。另一方面，εce與具有明顯應變軟化特征的標準型曲線ε0處于同一水平，說明Cpe下qu較早出現(xiàn)。相比于ε0，歸一化得到的εce更為普遍適用于含裂隙膨脹土。

5 對裂隙膨脹土邊坡問題的啟示

殷宗澤等[5]指出，膨脹土邊坡失穩(wěn)呈現(xiàn)出淺層性，這是由于裂隙開展深度一般為3～4 m，而無裂隙膨脹土強度較高難以切割，因此滑面多在此范圍內(nèi)開展。

實際工程中，膨脹土邊坡在氣候因素作用下裂隙縱橫交錯，本文研究細化了裂隙方向與受力方向的關系，在此基礎上指出，與最大主應力方向近似垂直的裂隙可能導致膨脹土邊坡淺層失穩(wěn)，而平行于最大主應力方向分布的裂隙對膨脹土邊坡破壞影響較小。從試驗結(jié)果看，含Cpe試樣破壞時，表面發(fā)育較多次生裂紋，并出現(xiàn)土塊脫落現(xiàn)象，這在宏觀可能表現(xiàn)為淺層破壞。此外，含Cpe試樣峰值強度降低明顯，尤其裂隙較寬、條數(shù)較多時，強度僅為無裂隙時的1/2。徐彬等[11]與劉華強等[26]基于室內(nèi)直剪試驗發(fā)現(xiàn)，抗剪強度指標隨裂隙開展發(fā)生一定程度衰減，這與本文結(jié)果一致。直剪試驗剪應力與裂隙面近乎垂直，與本文Cpe情況近似。而含Cpa試樣破壞時表面則較為完整，且峰值強度受裂隙寬度、深度、條數(shù)影響小，接近無裂隙試樣強度。

本次研究還發(fā)現(xiàn)，不僅是裂隙處土體強度降低，Cpe存在會產(chǎn)生局部應力集中，誘導內(nèi)部未開裂土體破壞，降低整體強度，可能造成淺層破壞后的二次破壞。因此，實際工程中應盡量避開多條裂隙與最大主應力方向近似垂直的場地，并著重關注寬裂隙的方向、條數(shù)、分布等相關信息，有針對性的采取支護措施。

6 結(jié)論

（1）裂隙形態(tài)顯著影響膨脹土試樣破壞模式與應力-應變關系，存在剪切-拉伸破壞、張拉破壞、剪切破壞、鼓脹破壞4種典型破壞模式，以及多級上升型、波動上升型、多級下降型、標準型4種應力-應變曲線形態(tài)。

（2）裂隙方向顯著影響含裂隙土的強度折減，裂隙平行主應力方向時峰值強度接近無裂隙試樣，裂隙垂直主應力方向時，峰值強度與變形模量隨裂隙條數(shù)增加而降低，具有良好的對數(shù)函數(shù)關系，峰值應變受裂隙影響小。

（3）與最大主應力方向垂直的裂隙影響較大，強度折減嚴重，且試樣破壞時，表面發(fā)育較多裂紋，完整性更差。工程中，應格外關注裂隙與最大主應力方向關系，避免裂隙對土體強度造成明顯影響。