膨脹土巴西劈裂強(qiáng)度及其破壞能量演化規(guī)律

張思鈺,張勇敢,劉斯宏,2,魯 洋,2

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院,南京 210098;2.大壩長(zhǎng)效特性及環(huán)保修復(fù)技術(shù)中西聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(河海大學(xué)),南京 210098)

膨脹土因富含蒙脫石、伊利石等黏土礦物而表現(xiàn)出顯著的親水性,對(duì)環(huán)境的溫濕度變化十分敏感,呈現(xiàn)出隨濕度、溫度變化而反復(fù)脹縮、產(chǎn)生膨脹壓力或收縮裂縫等現(xiàn)象,給工程的安全運(yùn)維帶來(lái)了嚴(yán)重危害。例如,近年來(lái),建設(shè)在中強(qiáng)膨脹土區(qū)的高速鐵路路基易產(chǎn)生上拱下沉等病害[1];西南地區(qū)某大型膨脹土深基坑連續(xù)發(fā)生兩次滑坡[2];南水北調(diào)中線工程發(fā)生了局部渠段膨脹土邊坡變形、裂縫等問(wèn)題[3]。事實(shí)上,上述張拉裂隙的形成與滑坡的出現(xiàn)均與膨脹土的抗拉強(qiáng)度密切相關(guān)。但在工程設(shè)計(jì)中土的抗拉強(qiáng)度指標(biāo)往往被技術(shù)人員忽略。一方面是由于相對(duì)土的抗壓和抗剪強(qiáng)度,抗拉強(qiáng)度數(shù)值較小;另一方面,土的抗拉強(qiáng)度測(cè)試對(duì)試驗(yàn)裝置的精度要求較高且結(jié)果容易呈現(xiàn)出較大的離散性[4-5]。

巴西劈裂試驗(yàn)作為一種間接的抗拉強(qiáng)度測(cè)量方法,在巖石等脆性材料的抗拉強(qiáng)度測(cè)定中得到了廣泛應(yīng)用[6-10]。近年來(lái),一些學(xué)者逐步嘗試將其應(yīng)用于土樣的抗拉強(qiáng)度測(cè)試中,如文獻(xiàn)[11]采用巴西劈裂試驗(yàn)對(duì)溫度高于-2 ℃的凍結(jié)黏土和凍結(jié)粉質(zhì)黏土進(jìn)行抗拉強(qiáng)度的測(cè)定與分析;文獻(xiàn)[12]同樣采用該方法系統(tǒng)研究了不同溫度、干密度和含水率時(shí)凍結(jié)膨脹土的拉伸行為;文獻(xiàn)[13]基于巴西劈裂試驗(yàn)探究了高吸力(較低含水率)下壓實(shí)膨潤(rùn)土抗拉強(qiáng)度的演化規(guī)律。然而,上述研究對(duì)象主要聚焦于脆性較強(qiáng)的凍土材料或高吸力試樣,而膨脹土是一種高液限黏土,在較寬的含水率范圍內(nèi)表現(xiàn)出很強(qiáng)的塑性,因此采用巴西劈裂試驗(yàn)測(cè)定膨脹土抗拉強(qiáng)度時(shí)有必要對(duì)其適用性進(jìn)行探討。

土體的破壞特性受控于破壞應(yīng)力與破壞應(yīng)變的耦合效應(yīng),為綜合考慮兩者對(duì)土體破壞特性的影響,一些研究人員嘗試將能量指標(biāo)引入土體的破壞特性分析。例如,文獻(xiàn)[14]采用破壞應(yīng)變比能對(duì)靜-動(dòng)荷載作用下凍結(jié)黏土抵御破壞的能力進(jìn)行對(duì)比分析;文獻(xiàn)[15]研究了圍壓與含水率對(duì)凍結(jié)砂土破壞應(yīng)變能密度的影響?？傮w而言,從能量角度研究土樣破壞特性的相關(guān)報(bào)道還很少,尤其針對(duì)膨脹土的相關(guān)研究尚未涉及。

鑒于此,本文以南水北調(diào)中線葉縣段膨脹土為研究對(duì)象,通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證巴西劈裂試驗(yàn)在膨脹土試樣抗拉強(qiáng)度測(cè)定中的適用性,并在此基礎(chǔ)上較為系統(tǒng)地探討含水率和干密度對(duì)膨脹土抗拉強(qiáng)度及加載過(guò)程中能量演變的影響,以期為膨脹土相關(guān)工程的病害防治提供參考。

1 試驗(yàn)土料與試樣制備

1.1 試驗(yàn)土料

本次試驗(yàn)取用南水北調(diào)中線工程葉縣附近段的膨脹土。按照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[16]對(duì)該膨脹土進(jìn)行基本物理特性測(cè)試,獲得相關(guān)物性參數(shù):該膨脹土最大干密度ρdmax為1.60 g/cm3,最優(yōu)含水率ωopt為21.7%,顆粒比重G為2.67,塑限含水率ωP為26.3%,液限含水率ωL為70.8%,塑性指數(shù)IP為44.5,自由膨脹率為59%,屬于弱膨脹土。

1.2 試樣制備

試驗(yàn)選用直徑61.8 mm、高50 mm的標(biāo)準(zhǔn)重塑圓柱樣,采用分層擊實(shí)法[5]。步驟如下:1)將土料風(fēng)干、碾碎、過(guò)2 mm篩后測(cè)定初始含水率;2)根據(jù)目標(biāo)含水率均勻噴灑定量水并置于密封袋內(nèi)浸悶;3)待水分充分交換、分布均勻后,取一定質(zhì)量土置于三瓣模具中,沿高度方向分兩層擊實(shí),第一層土料擊實(shí)后對(duì)表面刨毛,再擊實(shí)第二層土料;4)將擊實(shí)成形的試樣脫模后用保鮮膜包裹,放置24 h以上,使擊實(shí)過(guò)程中產(chǎn)生的超靜孔隙水(氣)壓力充分消散。試樣制備及裝置如圖1所示。

圖1 試樣制備及裝置

2 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)方法

采用巴西劈裂試驗(yàn)對(duì)養(yǎng)護(hù)完成的膨脹土試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試,其中,采用尖狀壓塊的加載方式,根據(jù)相關(guān)研究[12]可知,該加載方式下破壞面形態(tài)符合巴西劈裂試驗(yàn)的基本假定。具體試驗(yàn)步驟如下:將膨脹土試樣沿高度方向水平放置,使試樣與“V”型鋼制墊條相接觸形成線荷載,以2 mm/min速率加載直至試驗(yàn)結(jié)束[12]。巴西劈裂試驗(yàn)的動(dòng)力裝置采用多功能壓力試驗(yàn)機(jī)(圖2),該試驗(yàn)機(jī)由加載系統(tǒng)與控制系統(tǒng)兩部分組成。加載系統(tǒng)的荷載傳感器最大量程為10 kN,精度為±0.1%,位移傳感器精度為±0.5%。試驗(yàn)機(jī)具有自動(dòng)采集與處理數(shù)據(jù)的功能,可實(shí)時(shí)繪制荷載與軸向位移關(guān)系曲線。

圖2 巴西劈裂試驗(yàn)裝置

土壤基質(zhì)勢(shì)表征土壤水的能量,反映土體的持水能力,其對(duì)非飽和土的強(qiáng)度產(chǎn)生直接影響。為進(jìn)一步解析膨脹土劈裂拉伸破壞機(jī)理,本文采用濾紙法對(duì)試樣基質(zhì)吸力進(jìn)行量測(cè)(圖3),具體試驗(yàn)步驟[18]如下:取擊實(shí)后的兩個(gè)直徑為61.8 mm、高為25 mm的相同圓柱樣,在兩土樣中間水平放置烘干后的濾紙(濾紙分3層,中間層直徑為5.5 cm,用于測(cè)試;上下層直徑為6 cm起保護(hù)作用),并用膠帶密封接縫處。試樣放入密封罐置于恒溫環(huán)境下10 d,待濾紙與試樣水分交換平衡,將濾紙迅速取出稱重、烘干再稱重,計(jì)算濾紙含水率,從而根據(jù)率定曲線方程獲得試樣的基質(zhì)吸力。

圖3 基質(zhì)吸力量測(cè)裝樣照片

2.2 試驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案見(jiàn)表1,其中含水率為25.7%,干密度為1.6 g/cm3的試樣理論飽和度已達(dá)到1。為確保試驗(yàn)結(jié)果可靠性,各試驗(yàn)工況均設(shè)置兩個(gè)平行試樣,當(dāng)兩個(gè)試樣抗拉強(qiáng)度值的相對(duì)誤差小于5%時(shí)取其平均值作為該工況的抗拉強(qiáng)度,否則補(bǔ)做試樣[19];基質(zhì)吸力的量測(cè)方案同表1,各試驗(yàn)工況均設(shè)置3個(gè)平行試樣,共計(jì)100個(gè)試樣。

表1 試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 膨脹土巴西劈裂試驗(yàn)適用性探討

3.1.1 試樣破壞過(guò)程及最終破壞形態(tài)

試驗(yàn)范圍內(nèi)土樣均呈現(xiàn)出類似的破壞特征。圖4給出了含水率為17.7%,干密度為1.52 g/cm3膨脹土試樣的劈裂過(guò)程及裂隙擴(kuò)展照片,以此為例,膨脹土在進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)時(shí)的力-位移關(guān)系曲線可劃分為3個(gè)階段:A點(diǎn)為加載起點(diǎn),荷載經(jīng)歷近線性的AB段,可近似認(rèn)為試樣微小單元內(nèi)受拉呈線彈性變形[20],至峰值B點(diǎn),試樣表面未出現(xiàn)明顯裂隙;在BC段荷載迅速下降,C點(diǎn)處試樣出現(xiàn)了肉眼可見(jiàn)的裂縫;CD段荷載持續(xù)跌降,試樣裂隙不斷發(fā)育擴(kuò)展,直至D點(diǎn)后試樣完全破壞。圖5給出了不同試驗(yàn)工況下試樣的最終破壞形態(tài)?？梢钥闯?破壞后的試樣主要沿著加載方向的一條主裂隙貫通,裂隙兩側(cè)基本呈對(duì)稱分布,幾乎未出現(xiàn)次生裂隙。但部分試樣存在偏斜稍明顯的裂縫,這是因?yàn)橥翗颖旧頌轭w粒體材料,加載過(guò)程中試樣內(nèi)部可能發(fā)生沿顆粒邊界擴(kuò)展的多次劈裂。此外,巴西劈裂裝置的加載墊條貫入試樣的深度很小,加載接觸點(diǎn)處塑性變形區(qū)也很小,宏觀上講,各工況下膨脹土試樣的劈裂破壞形態(tài)符合巴西劈裂試驗(yàn)的理想破壞形態(tài)。

圖4 膨脹土典型劈裂裂隙擴(kuò)展過(guò)程

圖5 膨脹土劈裂破壞情況

3.1.2 脆性指標(biāo)

巴西劈裂試驗(yàn)最初用于測(cè)量巖石等脆性材料的抗拉強(qiáng)度,而膨脹土在一定含水率范圍內(nèi)表現(xiàn)出較強(qiáng)的塑性。鑒于此,對(duì)各試驗(yàn)工況下的膨脹土試樣的脆性特征進(jìn)行表征。參考文獻(xiàn)[21]建議的脆性指數(shù)判別標(biāo)準(zhǔn),將試驗(yàn)所獲的力-位移曲線峰值前的擬合曲線斜率k1,峰值后的擬合曲線斜率k2(圖6)類比得到新的脆性指數(shù):

圖6 力-位移曲線斜率擬合示意圖

B=1-exp(k2/k1)

(1)

圖7為20組試樣峰值前、后擬合曲線斜率的統(tǒng)計(jì)信息。力-位移曲線峰值前、后的線性擬合斜率的絕對(duì)值呈相同變化趨勢(shì),隨含水率增加而逐漸減小。圖8為式(1)計(jì)算所得的脆性指數(shù)?？梢钥闯?含水率越高,不同初始干密度下試樣脆性指數(shù)差異越大,但總體上,20組膨脹土試樣脆性指數(shù)均趨近1(B>0.63,即脆性很大),也就是說(shuō)試樣具有較明顯的脆性特征。據(jù)此可知,巴西劈裂法對(duì)重塑膨脹土抗拉強(qiáng)度測(cè)定具有一定適用性。此外,文獻(xiàn)[22]對(duì)壓實(shí)黏土進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試,文獻(xiàn)[13]探究高吸力壓實(shí)膨潤(rùn)土抗拉強(qiáng)度與吸力的關(guān)系均采用巴西劈裂試驗(yàn)方法,并取得了較好的效果。由此可見(jiàn),巴西劈裂方法不僅僅適用于類巖石材料的抗拉強(qiáng)度測(cè)試,對(duì)于具有脆性破壞特征的重塑土樣也值得嘗試。因此,在確定巴西劈裂試驗(yàn)的適用條件時(shí),宜以是否具有脆性破壞特征為判定準(zhǔn)則,而不應(yīng)簡(jiǎn)單以土石分類為判據(jù)。

圖7 峰值前、后擬合曲線斜率統(tǒng)計(jì)

圖8 脆性指數(shù)分布圖

3.1.3 討論

根據(jù)脆性指數(shù)與試驗(yàn)劈裂特征初步探討得出:對(duì)含水率在17.7%～25.7%之間、干密度在1.36～1.6 g/cm3之間的重塑膨脹土試樣,巴西劈裂試驗(yàn)具有較好的適用性。但仍存在以下局限性:對(duì)間接獲取的抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)確性尚未開(kāi)展研究分析,有待采用其他拉伸方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證;對(duì)于試驗(yàn)范圍以外如高于塑限等試樣的適用性則需重新根據(jù)脆性指標(biāo)、試樣破壞形態(tài)、加載尖端貫入度等進(jìn)行綜合判定。針對(duì)土樣這一顆粒材料可能呈現(xiàn)的弧形劈裂面特征,后續(xù)可采用聲發(fā)射儀與DEM數(shù)值模擬進(jìn)一步探究試樣加載過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化特征與裂縫擴(kuò)展規(guī)律。

3.2 力-位移曲線

力-位移曲線可清晰地反映出試樣加載過(guò)程中發(fā)生劈裂破壞的力學(xué)行為演化特征。相同含水率變干密度、相同干密度變含水率試樣組的力-位移曲線具有一定的相似性,分別選取一組為例進(jìn)行說(shuō)明。圖9(a)給出了試樣初始干密度為1.52 g/cm3,含水率分別為17.7%、19.7%、21.7%、23.7%、25.7%的徑向壓力-位移曲線?？梢钥闯?5組曲線先期呈線性上升趨勢(shì),且隨含水率升高,徑向壓力峰值逐漸減小,而峰值對(duì)應(yīng)位移則逐漸增加,這主要是因?yàn)檩^厚的水膜使土顆粒間相對(duì)滑動(dòng)更容易;徑向壓力達(dá)到峰值后,徑向壓力隨位移增大急劇減小,下降速率隨含水率增大有所減緩。5組曲線形態(tài)的差異是土樣所處不同稠度狀態(tài)的宏觀表現(xiàn),即液性指數(shù)越小土樣越堅(jiān)硬,反之則偏松軟。根據(jù)液性指數(shù)范圍(即IL=-1.933～-0.013 5)也可判斷出該試驗(yàn)范圍內(nèi)所用土均屬“堅(jiān)硬土”范疇[23],這從另一個(gè)角度證明了巴西劈裂法對(duì)試驗(yàn)范圍內(nèi)的膨脹土試樣抗拉強(qiáng)度測(cè)試是適用的。圖9(b)給出了含水率19.7%時(shí),干密度分別為1.36、1.44、1.52、1.6 g/cm3時(shí)試樣的徑向壓力-位移曲線。隨著干密度的增大,試樣的徑向壓力峰值逐漸增大,其對(duì)應(yīng)位移也逐漸增加,這主要是因?yàn)轭w粒間嵌固度增大,破壞時(shí)需要更大的變形來(lái)分離粒間作用;在徑向壓力達(dá)到峰值后,徑向壓力隨位移增加開(kāi)始驟降,下降速率隨干密度減小有所減緩。

3.3 抗拉強(qiáng)度

巴西劈裂試驗(yàn)測(cè)得的膨脹土試樣抗拉強(qiáng)度可以采用式(2)進(jìn)行計(jì)算[24]:

(2)

式中:σt為抗拉強(qiáng)度,kPa;Pmax為峰值荷載大小,kN;d為圓柱形試樣直徑,m;L為試樣高度,m。

3.3.1 含水率的影響

基質(zhì)吸力的準(zhǔn)確測(cè)定可為膨脹土強(qiáng)度特性的機(jī)理解析提供新的思路。本文采用雙圈No.203型濾紙,其基質(zhì)吸力率定曲線由文獻(xiàn)[25]在1250型壓力膜提取器中率定得到,率定曲線方程可表示為

(3)

式中:hm為基質(zhì)吸力值,ωfp為濾紙含水率。

圖10給出了不同初始干密度試樣抗拉強(qiáng)度隨含水率變化的關(guān)系曲線。可以看出,各干密度工況下試樣的抗拉強(qiáng)度均隨含水率的增大而減小,并且干密度越大,試樣抗拉強(qiáng)度隨含水率增加而降低的速率越大。例如,干密度為1.60 g/cm3試樣在含水率由17.7%升至25.7%時(shí),抗拉強(qiáng)度值減小約27 kPa,而干密度為1.36 g/cm3試樣相應(yīng)減少約14 kPa。在含水率同幅度的變化下,高干密度試樣抗拉強(qiáng)度增減變幅更明顯,這是由于顆粒排列較密,顆粒間、顆粒與孔隙水的宏觀作用更顯著,影響抗拉強(qiáng)度的敏感度更高。圖10也給出了試樣基質(zhì)吸力隨含水率變化的擬合關(guān)系,不難看出,不同初始干密度試樣的基質(zhì)吸力隨含水率增大均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

圖10 不同干密度試樣基質(zhì)吸力、抗拉強(qiáng)度與含水率關(guān)系

土樣發(fā)生拉伸破壞,主要是因?yàn)橥令w粒間喪失聯(lián)結(jié)作用[26]。對(duì)重塑黏土而言,其聯(lián)結(jié)作用一般源于三部分[27]:1)凝聚力,包括結(jié)合水膜的物化作用,黏土礦物引起的黏結(jié)力和顆粒分子引力等;2)基質(zhì)吸力,包括短程吸附作用與毛細(xì)作用;3)包裹在土顆粒外部的鹽份溶于水產(chǎn)生的膠結(jié)作用。相關(guān)研究[28]表明,壓實(shí)黏土通常在微觀呈現(xiàn)為“雙孔隙”結(jié)構(gòu),其孔隙一般分為集聚體內(nèi)的小孔隙與集聚體間的大孔隙。由文獻(xiàn)[29]提出的非飽和土有效飽和度概念模型可知,集聚體間的基質(zhì)吸力對(duì)土樣抗拉強(qiáng)度具有貢獻(xiàn),換言之,構(gòu)成土樣抗拉強(qiáng)度的基質(zhì)吸力主要作用于集聚體間。此外,結(jié)合水膜的物化作用引起的凝聚力主要作用于集聚體內(nèi)部小孔隙,而鹽溶液產(chǎn)生的膠結(jié)力在雙孔隙上均有體現(xiàn)。

基于上述機(jī)理,對(duì)膨脹土抗拉強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律解釋如下:同一干密度條件下,隨著含水率的增加,集聚體內(nèi)小孔隙水膜增厚,結(jié)合水膜物化作用減弱,黏土礦物間分子引力、黏結(jié)力減小,凝聚力降低;同時(shí),隨含水率增加,聚集體間毛細(xì)水含量增多,基質(zhì)吸力減小,基質(zhì)吸力本質(zhì)是水氣界面壓力差值,根據(jù)Young-Laplace方程可知,集聚體間彎液面曲率減小,水氣界面壓差相應(yīng)減小[28]。此外,水溶鹽濃度隨著含水率的增加而降低,集聚體內(nèi)外孔隙膠結(jié)能力均在一定程度上弱化。因此在該試驗(yàn)范圍內(nèi),隨含水率增大構(gòu)成土樣抗拉強(qiáng)度的3種聯(lián)結(jié)作用均發(fā)生弱化,宏觀表現(xiàn)為抗拉強(qiáng)度減小(圖11)。

圖11 不同含水率土樣微觀作用力示意圖

3.3.2 干密度的影響

圖12為不同含水率工況下試樣抗拉強(qiáng)度和基質(zhì)吸力與干密度的變化關(guān)系曲線?？梢钥闯?不同含水率工況下試樣的抗拉強(qiáng)度隨干密度增大而增加,且含水率越大,試樣抗拉強(qiáng)度隨干密度增加的增幅減小,如含水率為17.7%的試樣在干密度由1.36 g/cm3增至1.6 g/cm3時(shí),抗拉強(qiáng)度值提高約24 kPa,而含水率為25.7%的試樣在這一過(guò)程中抗拉強(qiáng)度提高僅約11 kPa,說(shuō)明高含水率試樣的抗拉強(qiáng)度受干密度影響較小,這是因?yàn)橥翗觾?nèi)大部分孔隙被水體充填,水分潤(rùn)滑條件下顆粒間咬合摩擦作用較小,增加單位體積的土顆粒數(shù)量也難以大幅有效地增加接觸點(diǎn)與接觸力。

圖12 基質(zhì)吸力、抗拉強(qiáng)度與初始干密度關(guān)系

不同含水率工況下試樣抗拉強(qiáng)度隨干密度增大而增加。從宏觀角度來(lái)說(shuō),這是由于單元體內(nèi)土顆粒增多,顆粒間接觸點(diǎn)相應(yīng)增多,摩擦嵌固作用更明顯,從而接觸力增加,有效地提高了抗拉強(qiáng)度。從微觀角度來(lái)看,隨著干密度的增加,集聚體內(nèi)間距減小,土粒間雙電層[17]部分結(jié)合,形成公共結(jié)合水膜,使得分子力、黏土礦物聯(lián)結(jié)力增強(qiáng)。根據(jù)圖12試樣基質(zhì)吸力隨初始干密度變化的規(guī)律可以看出,在低吸力區(qū),基質(zhì)吸力隨干密度增大有所減小;在中高吸力區(qū),基質(zhì)吸力受初始干密度影響較小,類似的試驗(yàn)規(guī)律在文獻(xiàn)[30]中也有所呈現(xiàn)。從上述現(xiàn)象中可以推斷,隨著試樣的干密度增加,試樣內(nèi)部的基質(zhì)吸力對(duì)膨脹土抗拉強(qiáng)度幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)甚至起不利作用。這更進(jìn)一步說(shuō)明,試樣抗拉強(qiáng)度隨初始干密度增大的原因并非由基質(zhì)吸力變化引起,而是由粒間接觸點(diǎn)增加、摩擦嵌固作用增大所致。

3.3.3 抗拉強(qiáng)度與含水率、干密度定量關(guān)系的數(shù)學(xué)描述

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得出式(4)與圖13所示的試樣抗拉強(qiáng)度與干密度和含水率的函數(shù)關(guān)系,可以看出,膨脹土試樣的抗拉強(qiáng)度與干密度和含水率之間的關(guān)系可以用一空間曲面方程很好地描述,該方程的建立可以實(shí)現(xiàn)不同工況下膨脹土抗拉強(qiáng)度的快速評(píng)估。

圖13 抗拉強(qiáng)度與初始干密度和含水率的關(guān)系

(4)

式中:ω為試樣含水率;ρd為試樣初始干密度,g/cm3;a、b為與初始干密度相關(guān)的擬合參數(shù)。

3.4 能量特征

試樣的破壞過(guò)程是能量吸收、耗散與釋放的綜合過(guò)程[31-32]。從能量變化角度對(duì)土樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行解釋可加深對(duì)土樣破壞特性的認(rèn)知,現(xiàn)有研究[15-16,31-33]多采用破壞應(yīng)變能密度作為衡量能量大小的指標(biāo)。考慮到巴西劈裂試驗(yàn)是間接測(cè)量土樣抗拉強(qiáng)度的方法,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線不具直接物理意義,因此,本文采用破壞能這一指標(biāo)來(lái)綜合表征土樣抗破壞能力,其大小由試樣力-位移曲線自加載點(diǎn)至峰值破壞點(diǎn)的下部包絡(luò)面積確定[23-24]。該指標(biāo)能夠綜合表征試樣加載后的破壞特性,即破壞能越大,土樣破壞前所儲(chǔ)存的能量越高,抵抗破壞的能力越強(qiáng)。

圖14為各含水率下不同初始干密度試樣的能量吸收過(guò)程線,曲線末端對(duì)應(yīng)的吸收能即為破壞能。可以看出,能量吸收過(guò)程線均呈“拋物線”形態(tài):在加載初期,能量隨位移增加吸收較慢,呈下凹形態(tài),隨位移持續(xù)地增加,能量吸收速率不斷增長(zhǎng),這是徑向壓力近線性增長(zhǎng)的結(jié)果。在含水率為17.7%～21.7%時(shí),干密度從1.36 g/cm3增至1.6 g/cm3,試樣的破壞能有較大增幅,分別為0.576、0.612、0.536 J,這說(shuō)明該含水率區(qū)間,試樣增大初始干密度可以有效地提高其抗破壞能力。然而,在含水率為23.7%～25.7%時(shí),破壞能隨干密度的增加其增幅明顯減小,分別為0.348、0.343 J,說(shuō)明初始干密度對(duì)試樣抵抗破壞能力的影響減弱。將吸收能割線斜率作為衡量平均吸收能量快慢的指標(biāo),可以發(fā)現(xiàn),試樣吸收能量的速率隨著干密度的增加而顯著增大、隨含水率的增加而顯著減小。

圖14 能量吸收過(guò)程線

進(jìn)一步地,圖15給出了不同干密度下膨脹土試樣的破壞能隨含水率的變化關(guān)系?？梢钥闯?試樣的破壞能隨含水率的增加而減小,但其變化規(guī)律與試樣抗拉強(qiáng)度隨含水率增加而減小的趨勢(shì)明顯不同。由圖10可知,試樣的抗拉強(qiáng)度隨含水率的增加近似線性降低;而試樣的破壞能隨之近似呈現(xiàn)出雙線性特征,也即是說(shuō),存在一個(gè)“臨界含水率”使得試樣破壞能隨含水率增加而降低的速率發(fā)生明顯的減小。這是因?yàn)楫?dāng)試樣高于“臨界含水率”時(shí),峰值破壞力雖減小,但破壞位移顯著增加,使得破壞能趨于穩(wěn)定或下降緩慢。因此,將“臨界含水率”用以表征土樣結(jié)構(gòu)力由顆粒嵌固作用主導(dǎo)向孔隙水黏滯作用主導(dǎo)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。且“臨界含水率”呈現(xiàn)出隨試樣干密度增加而增大的規(guī)律,這是因?yàn)槊軐?shí)樣顆粒間嵌固作用大,在高含水率下才起明顯的潤(rùn)滑作用;反之,低密度試樣粒間接觸作用弱,低含水率下水分便具較強(qiáng)的潤(rùn)滑作用。在工程實(shí)踐中,僅關(guān)注強(qiáng)度大小往往會(huì)忽視由變形引起的結(jié)構(gòu)破壞。破壞能的提出可為工程設(shè)計(jì)提供一定借鑒:如在滿足強(qiáng)度要求的前提下應(yīng)避免高于“臨界含水率“的土樣或重點(diǎn)關(guān)注其破壞變形量;在滿足抗拉強(qiáng)度及破壞變形前提下,可根據(jù)土體抗破壞能力進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選。綜上所述,單以抗拉強(qiáng)度指標(biāo)作為土體抵抗拉伸破壞能力的判別標(biāo)準(zhǔn)具有局限性,工程中可考慮將能量指標(biāo)作為一輔助指標(biāo)對(duì)土體抗破壞能力進(jìn)行更加準(zhǔn)確地表征和判斷。

圖15 膨脹土劈裂破壞能與含水率關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

本文基于巴西劈裂試驗(yàn)較為系統(tǒng)地探究了含水率和干密度對(duì)重塑膨脹土抗拉強(qiáng)度的影響,并提出采用破壞能指標(biāo)從能量演化角度對(duì)其破壞特性進(jìn)行定量描述的方法,得出以下結(jié)論:

1)通過(guò)提出的脆性指數(shù)及試樣劈裂后的破壞特征可界定巴西劈裂試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)范圍內(nèi)的重塑膨脹土具有適用性。

2)試驗(yàn)范圍內(nèi)的膨脹土具有統(tǒng)一的力學(xué)行為。表現(xiàn)為試樣加至峰值荷載時(shí),劈裂面未出現(xiàn)明顯裂縫;于峰值荷載后,劈裂面出現(xiàn)了可觀察到的宏觀裂縫。

3)膨脹土抗拉強(qiáng)度與含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,且干密度越大減幅越大;與干密度呈正相關(guān)關(guān)系,含水率越大增幅越小。

4)試樣破壞能與抗拉強(qiáng)度隨初始干密度及含水率具有相似的變化趨勢(shì),但存在一“臨界含水率”使得破壞能隨含水率增加近似呈現(xiàn)出雙線性降低趨勢(shì),且該“臨界含水率”隨干密度的增加而增大。