山西晉中馬蘭黃土劈裂特性及抗拉強度研究

呂東東，李彥榮,趙金貴

(太原理工大學 礦業(yè)工程學院，山西 太原 030024)

0 引 言

天然斜坡、人工開挖或填筑的邊坡、地基土體破壞模式極為復雜，是拉裂和剪切破壞共同作用的結(jié)果[1]。土體抗拉強度遠小于抗剪強度，但它控制著裂縫發(fā)育，尤其是黃土邊坡后緣的張拉裂隙、采空區(qū)或抽水造成的地裂縫、填方路基開裂和土石壩的水力劈裂等[2]。拉裂破壞常先于剪切破壞發(fā)生，受到降雨侵蝕、風化后會進一步減弱土體的抗剪強度，從而加劇邊坡、填方路基等地質(zhì)體失穩(wěn)或破壞。土體抗拉強度不僅受到含水率、干密度、液塑限、基質(zhì)吸力和黏聚力等物理指標的影響，而且試驗方法、試樣尺寸及加載速率等試驗條件也是關(guān)鍵影響因素[1]。已有研究表明，黃土的抗拉強度源于粒間黏結(jié)、膠結(jié)和吸附作用，試樣的直接拉伸破壞被認為是脆性破壞，且含水率越大、干密度越小時，越容易發(fā)生[2]。土體發(fā)生直接拉伸破壞時，荷載變化與微觀結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間存在規(guī)律，可根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變曲線類型判斷試樣的變形和力學特征[3]。

土體抗拉強度測試方法分為直接拉伸法和間接法，間接法包括徑向壓裂法(巴西劈裂試驗)、軸向壓裂法、水力劈裂法、離心法等[1]。直接拉伸法理論簡單明晰，但現(xiàn)有試驗條件難以規(guī)避除均布拉應(yīng)力外的其他影響，如偏心荷載造成的彎矩、微小扭矩等[4]?；诎臀髋言囼灥膸r石拉伸破壞機制和本構(gòu)模型的發(fā)展已頗為成熟，此外該方法可操作性更強，試驗結(jié)果更穩(wěn)定，已被廣泛應(yīng)用于巖石的抗拉強度測定中。在對干燥黃土進行巴西劈裂試驗時，試樣的塑性變形極小，可忽略不計，因此可滿足巴西劈裂測試抗拉強度的基本假設(shè)[5]，即試樣中心的壓拉應(yīng)力比為3。相比其他方法，對試樣制備和試驗條件要求更低，更具有實用意義，但該方法在黃土中的可靠性有待進一步檢驗。

黃土巴西劈裂試驗時，不同類型的破壞可能對試驗結(jié)果造成影響，如出現(xiàn)非直線型裂紋，這種破壞對試驗結(jié)果造成的影響尚無從得知。基于此，本文分析不同干密度的試樣破壞階段和破壞特征出現(xiàn)的規(guī)律，并驗證巴西劈裂在干燥黃土中應(yīng)用的有效性。

1 試樣制備與試驗過程

試樣取自山西省某黃土地區(qū)，采用6 m深的馬蘭黃土，呈淺灰黃色，孔隙清晰可見，粒徑級配較好，以粉粒為主，易碎，基本物理參數(shù)見表1。

表1 土樣基本物理參數(shù)

為確定巴西劈裂試驗所測抗拉強度的可靠性，采用直接拉伸試驗進行對比分析。巴西劈裂試驗和直接拉伸試驗所用試樣包括原狀與重塑試樣，試樣尺寸[6]及試驗方案設(shè)計見表2。利用線切割機制備原狀試樣。采用靜壓法制備8組不同干密度的重塑試樣(干密度分別為1.27，1.38，1.43，1.51，1.61，1.72，1.82，1.93 g/cm3)，每組3個。由于山西馬蘭黃土的最優(yōu)含水率為12%～15%，因而采用含水率為12%的過篩土制備不同干密度的重塑試樣[7]。在直接拉伸試樣中部切削一個半徑5 mm的半圓狀凹槽，使試樣破壞發(fā)生在凹槽中，保證破裂面與荷載方向垂直。

巴西劈裂試驗加載條件(如墊條與試樣接觸面積的大小)對試驗結(jié)果具有重要影響[8]。巖石試驗中常見的加載方式有平板加載、弧形加載和三角墊條[9]，產(chǎn)生塑性變形時，平板加載和弧形加載容易造成較大體積的剪切破壞[10]，所以選擇帶有三角加載墊條的巴西劈裂輔具[11](圖1)，與常見的圓鋼墊條作用效果類似。墊條末端為1 mm寬的條帶，下輔具側(cè)壁有助于使墊條與試樣端面垂直。

表2 試驗方案

進行巴西劈裂試驗時，將劈裂輔具安裝于萬能試驗機上，使三角墊條與試樣接觸，為避免加載過程中輔具側(cè)壁對試樣產(chǎn)生作用力，在試樣兩側(cè)與輔具側(cè)壁接觸部位加塞一些紙片。移動上部加載墊條，直至與試樣剛好接觸，抽出兩側(cè)薄紙片，使試樣只與上下加載墊條接觸。采用等位移速率(0.1 mm/min)對試樣加載。試驗結(jié)束后，描述和拍照記錄試樣的破壞形態(tài)。

圖1 巴西劈裂輔具和直接拉伸套筒

根據(jù)式(1)計算試樣的抗拉強度[6],

σt=2 000P/(πdh),

(1)

式中：σt為抗拉強度,kPa；P為試樣斷裂時的荷載,N;d為試樣直徑，mm；h為試樣高度，mm。

進行直接拉伸試驗時，用直接拉伸套筒固定直接拉伸試樣兩端，留出試樣中部凹槽。將套筒與試樣固定在萬能試驗機上，對套筒施加拉伸荷載，通過套筒與試樣之間的摩擦力傳遞荷載，直至試樣發(fā)生破壞。

2 黃土劈裂破壞特征及抗拉強度

2.1 試樣破壞形態(tài)

根據(jù)破壞試樣端面上的裂紋跡線，試樣破壞類型可分為直線型、弧線型、錯斷型和復合型破壞(圖2)。直線型破壞是裂紋跡線沿施加荷載方向展布；弧線型破壞呈“U”形或“S”形，裂紋偏離荷載方向，與加載方向角度最大為25 °；錯斷型破壞，裂紋以多段直線為主，裂紋走向存在大角度偏離，與加載基線傾斜角度最大超過45 °；復合型破壞即試樣兩端面形成不同類型的裂紋。

圖2 巴西劈裂試樣的破壞形態(tài)

如圖3所示，原狀試樣破壞類型以直線型和弧線型為主，占90%以上。重塑試樣為直線型和弧線型破壞，無錯斷型和復合型破壞出現(xiàn)。圖4中，錯斷型和復合型破壞的試樣平均干密度略小于直線型和弧線型破壞。直線型與弧線型抗拉強度均值差異較小(約為直線型的3.2%)，而錯斷型和復合型破壞強度分別比直線型小31.9%～25.5%。

圖3 巴西劈裂不同破壞形態(tài)的試樣占比

圖4 不同破壞形態(tài)的原狀試樣平均干密度與平均抗拉強度

理論上巴西劈裂試驗中，試樣最大拉應(yīng)力應(yīng)位于荷載方向的直徑所在截面，直線型破壞更能滿足巴西劈裂試驗的基本假設(shè)，得到的抗拉強度結(jié)果也更能反映原位土體的抗拉強度，為標準破壞類型。出現(xiàn)非直線型破壞的試樣抗拉強度值偏低，尤其出現(xiàn)錯斷型和復合型破壞時，試樣的抗拉強度值與直線型破壞抗拉強度值相差較大。試樣本身缺陷導致破壞裂紋明顯偏離荷載方向直徑，存在較多的剪切破壞，因此，本文不對這兩類破壞的試樣進行抗拉強度和變形特性分析。

在同一破壞類型下，原狀試樣的斷面粗糙度明顯大于重塑試樣的斷面粗糙度，甚至可見直徑達1 mm的大孔隙(圖5)。由于原狀黃土具明顯的簇聚結(jié)構(gòu)，即原狀黃土豎直方向上的顆粒排列緊密，碳酸鹽、黏土與可溶鹽等膠結(jié)物質(zhì)使黃土顆粒間形成穩(wěn)定的力鏈，組成強結(jié)構(gòu)單元。穩(wěn)定力鏈之間形成以豎向分布為主的大孔徑孤立孔隙和豎向裂隙，這些組成土體的弱結(jié)構(gòu)單元[12]。原狀黃土均勻性較差，在重塑過程中，土顆粒重新組合，排列相對均勻，孤立大孔隙和豎向裂隙消失，形成均質(zhì)結(jié)構(gòu)[13]。當存在遠離破壞面的缺陷時，裂紋容易沿缺陷發(fā)展，最終產(chǎn)生非直線型破壞。因此試樣的均勻性越差，越容易出現(xiàn)與加載方向偏離較大的裂紋。

圖5 原狀與重塑試樣斷裂面

2.2 變形特性

巴西劈裂試驗是對試樣施加壓力，使試樣發(fā)生拉裂破壞。該過程中，土樣內(nèi)部會先后或同時發(fā)生壓密、彈性變形和塑性變形，壓密和彈性變形屬于蓄能階段；塑性變形階段試樣開始發(fā)生微破壞，屬于應(yīng)變能釋放階段[14]。由于試樣劈裂處的應(yīng)變難以測試，故采用荷載和豎向變形結(jié)合分析的方法間接表征試樣受力變形特性。

如圖6所示，不同干密度重塑黃土的荷載-豎向變形曲線(實線)均在峰值附近發(fā)生錯斷式下降，表現(xiàn)為脆性破壞。荷載增加速率增加時，試樣以壓密和彈性變形為主，荷載增加速率減小時，試樣以塑性破壞為主。本文將荷載增加速率峰值點定義為損傷點，將荷載-豎向變形曲線分為3個階段：第一階段為壓密階段，位于損傷點之前的上凹段曲線，在豎向荷載下，試樣內(nèi)部孔隙被壓密，緊接著為短暫的彈性變形；第二階段為破壞階段，位于損傷點之后和峰值之前的上凸段，此時與荷載方向小角度相交的微裂隙開始擴展和發(fā)展[15]，潛在裂紋區(qū)域的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，隨著微裂隙連通，在達到峰值荷載時出現(xiàn)肉眼可見的宏觀破裂面；第三階段為破壞后階段(峰值后)，壓力瞬間跌落，接近0。

圖6 不同干密度重塑試樣的荷載-豎向變形曲線和荷載增加速率變化曲線

圖6中，黃土干密度對損傷點的荷載和豎向變形有顯著影響。隨著干密度增大，損傷點和峰值點對應(yīng)的荷載逐漸增大，對應(yīng)的豎向變形先增大后減小。

2.3 抗拉強度特性

如圖7所示，巴西劈裂試驗中，原狀試樣的干密度為1.29～1.51 g/cm3，抗拉強度為25.78～61.03 kPa，抗拉強度與干密度呈正相關(guān)關(guān)系。相同干密度情況下，直接拉伸試驗所測抗拉強度明顯大于巴西劈裂試驗的測量值，且直接拉伸試驗的測量值相對巴西劈裂而言離散性更大。

圖7 不同方法測得原狀試樣抗拉強度與干密度的關(guān)系

前人研究表明，在較小的干密度區(qū)間內(nèi)，重塑土抗拉強度隨干密度增加程度不明顯，呈線性遞增[16]。但在干密度區(qū)間擴大時(1.27～1.92 g/cm3)，二者關(guān)系呈現(xiàn)出明顯的指數(shù)遞增趨勢(圖8)。

圖8 巴西劈裂不同干密度重塑試樣的抗拉強度和豎向變形

巴西劈裂試驗間接測試抗拉強度的方法，為確保巴西劈裂試驗的實際性和有效性，需進一步分析巴西劈裂抗拉強度與直接拉伸抗拉強度之間的關(guān)系。原狀試樣不均勻性較強，為減小原狀試樣不均勻性的影響，僅對重塑試樣進行分析。如圖9所示，相同干密度情況下，巴西劈裂抗拉強度小于直接拉伸抗拉強度，但二者線性相關(guān)，且抗拉強度越小，二者所得結(jié)果越接近。因此，根據(jù)巴西劈裂試驗測試干燥黃土的抗拉強度是有效的，可根據(jù)偏小的巴西劈裂抗拉強度值對黃土邊坡穩(wěn)定性進行分析。

圖9 重塑試樣直接拉伸試驗和巴西劈裂試驗抗拉強度關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)黃土的巴西劈裂破壞類型可分為直線型、弧線形、錯斷型和復合型?；【€型破壞所測抗拉強度值與直線型破壞接近，錯斷型和復合型破壞試樣所測抗拉強度值偏小。工程應(yīng)用中，建議采用直線型和弧線型破壞的抗拉強度值。

(2)以損傷點和荷載峰值點為界，將黃土試樣巴西劈裂過程分為3個階段，即壓密階段，破壞階段和破壞后階段。干密度對損傷點的位置有明顯影響，隨著干密度增大，損傷點和峰值點對應(yīng)荷載逐漸增加，而損傷點和峰值點對應(yīng)的豎向變形先增大后減小。

(3)試樣的抗拉強度隨干密度增加呈指數(shù)遞增。巴西劈裂試驗所測抗拉強度低于直接拉伸抗拉強度，二者之間存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系，因此，可用試樣的巴西劈裂試驗結(jié)果估算直接拉伸抗拉強度。