壓實高廟子膨潤土抗拉強度各向異性

秦臻宇,孫德安,周祥運,劉月妙

(1.上海大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院,上海 200444;2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院,北京 100029)

高放射性核廢料(簡稱高放廢物)的安全處置是一個受到廣泛關(guān)注的世界性難題,已有研究表明,高放廢物的深地質(zhì)處置是唯一可行的工程解決方法[1-2].深地質(zhì)處置中核廢料的屏障包括廢物罐、緩沖層和天然圍巖.膨潤土因具有高膨脹性、極低滲透性和強核素吸附性能,故非常適合作為廢物罐和天然圍巖之間緩沖層的基本材料.經(jīng)過長期篩查,我國已將內(nèi)蒙古高廟子膨潤土作為緩沖材料的首選[3-4].

高放廢物深地質(zhì)處置庫中的緩沖層由壓實膨潤土塊砌成.壓實膨潤土塊會在工廠中或原位處預(yù)制,搬運或吊運至巷道再進行安裝.在綁扎起吊的過程中,膨潤土塊某些部位可能會受到不同方向拉力的作用,因此有必要研究膨潤土砌塊的抗拉強度及其各向異性.

在土體抗拉強度方面,李昊達(dá)等[5]對土體抗拉強度試驗研究方法進行了系統(tǒng)總結(jié),對比分析了各種方法的優(yōu)缺點.蔡國慶等[6]以非飽和細(xì)砂為研究對象,采用等速率單軸拉伸方法對不同干密度和含水率非飽和土進行抗拉強度試驗,發(fā)現(xiàn)非飽和細(xì)砂的抗拉強度隨干密度的增加而增大,隨含水率變化呈現(xiàn)“增-減-增”的變化規(guī)律.張云等[7]對擊實黏土進行直接拉伸試驗,發(fā)現(xiàn)擊實黏土的抗拉強度隨干密度的增加而增大,隨含水率的增加而減小,且二者具有較好的線性關(guān)系.曾召田等[8]通過軸向壓裂法和單軸拉伸試驗分別測定了武鳴紅黏土的抗拉強度,結(jié)果表明兩種試驗方法均能有效測定紅黏土的抗拉強度,且具有很好的一致性.武鳴紅黏土的抗拉強度隨著含水率的增加而線性緩慢遞增,出現(xiàn)峰值點后隨著含水率的增加而線性急劇遞減.黃珂等[9]采用軸向壓裂法對南京高淳膨脹土壓實柱樣進行抗拉強度試驗,發(fā)現(xiàn)壓實膨脹土的抗拉強度與擊實黏土[7]類似.冉龍洲等[10]研究了膨脹土在干燥過程中的抗拉強度特性,獲得了在干燥過程中膨脹土抗拉強度與含水率的關(guān)系.此外,還研究了抗拉強度受吸力的影響,發(fā)現(xiàn)在干燥過程中,試樣的抗拉強度隨含水率的降低呈指數(shù)形式增加,抗拉強度與吸力呈線性正相關(guān).目前,抗拉強度的研究主要針對砂土、黏土和膨脹土,而對膨潤土這類高膨脹性黏土抗拉強度的研究則鮮有報道.

同時,已有研究表明土體的抗拉強度存在一定各向異性,呂海波等[11]通過脹縮性土抗拉強度試驗,發(fā)現(xiàn)擊實廣西紅黏土的抗拉強度存在各向異性.姬風(fēng)玲等[12]通過單向拉伸試驗,測得了原狀馬蘭黃土在不同方向上的抗拉強度,發(fā)現(xiàn)原狀馬蘭黃土抗拉強度存在顯著的各向異性,沉積方向上黃土的抗拉強度普遍大于水平方向.而目前我國對壓實膨潤土抗拉強度各向異性的影響研究尚未見報道.實際上膨潤土塊在運輸和吊裝過程中受拉方向有可能與預(yù)制時的壓實方向不一致,不同方向的抗拉強度也是工程技術(shù)的重要指標(biāo).因此,有必要研究壓實膨潤土抗拉強度的各向異性問題.

本工作以壓實高廟子(Gaomiaozi)膨潤土為研究對象,采用直接拉伸試驗,測得壓實高廟子膨潤土在不同條件下的抗拉強度,探討了干密度和含水率對抗拉強度及其各向異性的影響,并從機理加以分析,最后基于非飽和土強度理論提出一個抗拉強度公式進行預(yù)測.本工作研究結(jié)果可供我國高放廢物處置庫建設(shè)提供參考數(shù)據(jù).

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土為高廟子膨潤土,產(chǎn)自內(nèi)蒙古興和縣高廟子鄉(xiāng).膨潤土的主要礦物成分為蒙脫石和石英,基本物理性質(zhì)如表1所示.

表1 高廟子膨潤土的主要礦物成分和物理參數(shù)Table 1 Main minerals and physical parameters of Gaomiaozi bentonite

1.2 試樣制備

為了研究干密度、含水率以及各向異性對膨潤土抗拉強度的影響,試樣的初始干密度為1.4、1.5、1.6和1.7 g/cm3,初始含水率為7%、10%、13%和16%,然后分別在壓實方向與拉伸方向一致或垂直時壓制試樣.含水率的選擇主要考慮甘肅北山(我國處置庫侯選場址)的氣候條件和施工可行性.

在壓制試樣前,將膨潤土粉末放入烘箱內(nèi)烘干,取適量烘干土放入容器中,根據(jù)目標(biāo)含水率所需的水分,用噴壺均勻噴灑在土樣上,并攪拌均勻.將上述配好的膨潤土粉末放入保鮮膜中密封靜置約72 h,使土樣中的水分分布均勻.然后,根據(jù)設(shè)定的試樣體積、含水率和干密度,計算出所需濕膨潤土的質(zhì)量,倒入自制的制樣模具(見圖1)中.用CTM-9100萬能試驗機以2 mm/min進行壓實,分別制成圓柱樣和長方體樣.圓柱樣的壓實方向與測試?yán)旆较蚱叫?試樣的高度為7.6 cm,直徑為3.8 cm(見圖2(a));長方體樣的壓實方向與測試?yán)旆较虼怪?試樣的高度為7.6 cm,其余兩邊長為3.8 cm(圖2(b)).

圖1 不同壓實方向制樣模具Fig.1 Parts for preparing specimens with different compaction directions

圖2 不同壓實方向試樣Fig.2 Specimens with different compaction directions

1.3 試驗方法

對軸向應(yīng)變控制式三軸試驗儀進行改造,如圖3所示.改造后的裝置可施加豎向拉力,并實時測量豎向拉力和豎向位移.將壓制試樣進行脫模后,稱量試樣的實際重量,換算得到實際干密度,保證實際干密度與目標(biāo)干密度基本一致,從而保證試驗的準(zhǔn)確性.在底板和試樣上表面盡量均勻涂抹膠水,將試樣放置在升降平臺底板上,手動緩慢調(diào)節(jié)升降平臺使試樣上表面的膠水與加載金屬面均勻接觸,盡量確保試樣上下面所受拉應(yīng)力均勻.在等待膠水凝固的過程中,用保鮮膜包裹試樣,以減少含水量的損失.待膠水凝固后,即可對試樣進行抗伸試驗,直至試樣拉斷,根據(jù)拉斷力和試樣面積可計算得到試樣的抗拉強度,即拉力與截面面積之商.已有研究表明抗拉強度與截面的形狀以及面積無關(guān)[13],且本工作中兩種拉伸試樣斷面面積接近.試驗中試樣斷裂面的破壞形狀基本為水平面,且破壞位置大致在試樣中間部位,若不滿足上述要求,則重新試驗.試驗完成后回收試樣,進行含水率測定,以檢查試驗過程中試樣含水量是否有較大變化.測試結(jié)果表明試驗前后試樣重量沒有明顯的變化.

圖3 直接拉伸試驗裝置Fig.3 Testing device for direct tensile tests

2 試驗結(jié)果及分析

圖4給出含水率為13%時不同干密度試樣的拉應(yīng)力與拉伸位移關(guān)系,其他條件下的結(jié)果與之類似.從圖中可以看出,拉應(yīng)力隨著拉伸位移的增加而近似線性增大,達(dá)到一定數(shù)值后拉應(yīng)力急劇突變下降,表現(xiàn)出脆性破壞特性,將突變點作為拉伸破壞點,此時的拉應(yīng)力即為抗拉強度.在突變點前,整體上圓柱樣(壓實力與拉力方向平行)的拉應(yīng)力與拉伸位移關(guān)系曲線在長方體樣(壓實力與拉力方向垂直)的上方,因試樣的高度都是7.6 cm,故圓柱樣的拉應(yīng)力與拉伸應(yīng)變關(guān)系曲線在長方體樣的上方,即壓實方向與拉伸方向平行時的拉伸剛度比垂直時大.但圓柱樣的抗拉強度比長方體樣小,即壓實方向與拉伸方向平行時的抗拉強度比垂直時要小.

圖4 壓實高廟子膨潤土的拉應(yīng)力與拉伸位移關(guān)系Fig.4 Relationships between tensile stress and displacement of compacted Gaomiaozi bentonite

圖5表示干密度為1.4、1.5、1.6、1.7 g/cm3的壓實高廟子膨潤土抗拉強度隨含水率的變化.由圖可知,隨著含水率的增加,抗拉強度先增大后減小,在含水率約為13%時達(dá)到最大值.此外,在不同干密度和拉伸方向條件下,抗拉強度均表現(xiàn)出相同的變化趨勢,即這一趨勢與各向異性和干密度無關(guān).

圖5 不同干密度壓實高廟子膨潤土抗拉強度隨含水率的變化Fig.5 Change in tensile strength of compacted Gaomiaozi bentonite with different dry densities with water content

圖6表示含水率為7%、10%、13%和16%的壓實高廟子膨潤土抗拉強度隨干密度的變化.由圖可以看出,抗拉強度隨干密度的增加而近似線性增大,即干密度越大,抗拉強度越大,這一規(guī)律不隨含水率的不同而改變.可見,適當(dāng)?shù)靥岣吒擅芏瓤商岣呖估瓘姸?

圖6 不同含水率壓實高廟子膨潤土抗拉強度隨干密度的變化Fig.6 Change in tensile strength of compacted Gaomiaozi bentonite with different water contents with dry density

圖7表示含水率為7%、10%、13%、16%的壓實高廟子膨潤土抗拉強度隨干密度的變化.與圖4一致,圓柱樣和長方體樣的抗拉強度分別為拉伸力與壓實力方向平行和垂直時通過拉伸試驗得到.由圖可以看出,拉伸力與壓實力垂直時的抗拉強度大于拉伸力與壓實力平行時的抗拉強度.當(dāng)干密度較小時,抗拉強度的各向異性很小.隨著干密度的增加,抗拉強度的各向異性更為明顯.比如,在含水率為13%的條件下,拉伸力與壓實力垂直時的干密度為1.4 g/cm3膨潤土的抗拉強度比拉伸力與壓實力平行時高出約12.1%.與此同時,當(dāng)干密度增大時,這一差距逐漸增大到15.8%(1.5 g/cm3)、15.1%(1.6 g/cm3)和18.8%(1.7 g/cm3),即抗拉強度的各向異性程度在較高干密度下更為明顯.

圖7 不同干密度壓實高廟子膨潤土抗拉強度的各向異性Fig.7 Anisotropy of tensile strength of compacted Gaomiaozi bentonite with different dry densities

3 膨潤土抗拉強度各向異性機理分析

在試樣壓制過程中,將粉末狀膨潤土倒入壓樣模具時,可認(rèn)為片狀團粒的取向是隨機的,基本不存在各向異性.對于干密度較低的試樣,壓實度較小,團粒間存在明顯的大孔隙,初始孔隙的減小主要源于團粒之間的滑移;在壓實過程中,當(dāng)土樣受到的作用力較小時,團粒的取向仍是隨機的,試樣不會表現(xiàn)出明顯的各向異性.拉伸力與壓實力垂直時的抗拉強度和拉伸力與壓實力平行時的抗拉強度應(yīng)基本相等.但是,試樣繼續(xù)壓實至較高干密度狀態(tài)時,團粒之間的孔隙非常小;在高壓實過程中,土樣將受到很大的豎向作用力,可能會使片狀團粒垂直于壓實方向.因為在豎向壓力作用下,膨潤土片狀團粒垂直于壓實方向的排列方式更具有抵抗豎向壓力的優(yōu)勢.陳永貴等[14]在研究膨潤土膨脹性能各向異性的過程中,也有過相關(guān)推測.如圖8所示,受壓后顆粒的定向排序現(xiàn)象最終導(dǎo)致試樣結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)各向異性.

圖8 豎向壓實過程中黏土片狀團粒的定向排列Fig.8 Orientation arrangement of layered structure of clay minerals during vertical compaction

呂海波等[11]認(rèn)為,脹縮性土的拉伸強度來源于3種作用力:①由水膜的物理化學(xué)作用和顆粒間的分子引力形成的凝聚力;②由碳酸鹽、石膏和黏土礦物顆粒形成的加固凝聚力;③由非飽和土的基質(zhì)吸力和毛細(xì)壓力形成的附加凝聚力.本工作中的膨潤土試樣為重塑土樣,可認(rèn)為抗拉強度一部分來源于基質(zhì)吸力和毛細(xì)壓力形成的附加凝聚力.另一方面,結(jié)合圖4可認(rèn)為,當(dāng)拉伸方向與壓實方向垂直時,破壞面的顆粒數(shù)與接觸點都較多,在拉伸破壞時破壞面處相鄰顆粒表面存在一定的摩擦作用,破壞時的拉伸應(yīng)變較大,對抗拉強度的增大有一定的貢獻作用;當(dāng)拉伸方向與壓實方向平行時,破壞面的顆粒數(shù)與接觸點都較少,在拉伸破壞時破壞面處相鄰顆粒表面的摩擦作用較小,破壞時的拉伸應(yīng)變較小,對抗拉強度的增大貢獻較小.

隨著壓實力的增大,試樣結(jié)構(gòu)的定向排列作用更加明顯,各向異性更加顯著,導(dǎo)致拉伸力與壓實力垂直時的抗拉強度和拉伸力與壓實力平行時的抗拉強度差值越來越大.也就是說,膨潤土抗拉強度的各向異性程度會隨著干密度的增加而增大.

4 抗拉強度擬合與預(yù)測

對于非飽和土的抗拉強度預(yù)測,許多學(xué)者從不同角度給出了預(yù)測方法.本工作根據(jù)非飽和土的抗剪強度研究成果,得到抗拉強度公式.Vanapalli等[15]利用莫爾-庫侖準(zhǔn)則,提出了非飽和土抗剪強度公式,

式中:c′是飽和土的有效黏聚力;σ-ua是凈正應(yīng)力;φt、ψ、S、ξ分別是內(nèi)摩擦角、吸力、飽和度和無量綱參數(shù).

式(1)與飽和土的抗剪強度公式相比,考慮了吸力和飽和度對非飽和土抗剪強度的貢獻項,即ψSξtanφt.據(jù)此,假定等向抗拉強度(σtia)用吸力乘飽和度的函數(shù)來表示,

抗拉強度(σt)對應(yīng)單向拉應(yīng)力狀態(tài),根據(jù)圖9中幾何關(guān)系可得到抗拉強度為

圖9 等向抗拉強度、單軸抗拉強度和莫爾-庫侖準(zhǔn)則Fig.9 Isotropic tensile strength,uniaxial tensile strength and Mohr-Coulomb criterion

如圖7所示,干密度與膨潤土抗拉強度有線性關(guān)系,本工作將干密度ρd考慮到式(3)中,并引入β表征各向異性對抗拉強度的影響,確定抗拉強度σt的預(yù)測式為

式中:β、ξ為擬合參數(shù),可根據(jù)兩次不同含水率或不同干密度試樣的拉伸試驗結(jié)果確定;干密度ρd、抗拉強度σt由試驗直接測得;飽和度S可由試樣的含水量和干密度換算得到;φt是土體的內(nèi)摩擦角.孫德安等[16]對壓實高廟子膨潤土樣進行固結(jié)慢剪試驗,得到了壓實高廟子膨潤土的抗剪強度參數(shù),李萬雙等[17]發(fā)現(xiàn)飽和度對內(nèi)摩擦角影響不大.因此,本工作中內(nèi)摩擦角引用文獻[17]中高廟子膨潤土含水率為10%壓實樣對應(yīng)的內(nèi)摩擦角,為21.6°.圖10為用飽和鹽溶液蒸氣平衡法測得的壓實高廟子膨潤土的土水特征曲線(soli-water characteristic curve,SWCC),吸力ψ可根據(jù)該曲線和飽和度得到.

圖10 壓實高廟子膨潤土的土水特征曲線(ρd=1.7 g/cm3)Fig.10 SWCC of compacted Gaomiaozi bentonite(ρd=1.7 g/cm3)

根據(jù)最小二乘法,用式(4)對圖5所示的抗拉強度進行擬合,當(dāng)拉伸力與壓實力垂直時,可得ξ=1.88、β=23.91;當(dāng)拉伸力與壓實力平行時,可得ξ=1.88、β=19.76.壓實高廟子膨潤土抗拉強度的實測和擬合結(jié)果如圖11所示.由圖可知,式(4)可較好擬合不同含水率和干密度試樣的實測結(jié)果,并且符合抗拉強度隨干密度的增加而增大、隨含水率的增加呈先增大后減小的趨勢.因此,使用式(4)和本工作給出的參數(shù)值,可預(yù)測其他含水率和干密度壓實高廟子膨潤土的抗拉強度,為我國核廢物處置庫的設(shè)計施工提供膨潤土塊抗拉強度的估算方法.

圖11 實測數(shù)據(jù)與擬合曲線的對比Fig.11 Comparison between measured data and fitting curves

5 結(jié)論

本工作對不同含水率和干密度壓實高廟子膨潤土試樣進行了直接拉伸試驗,重點研究了各向異性對壓實高廟子膨潤土抗拉強度的影響,并對試驗結(jié)果進行機理解釋,同時給出各向異性壓實高廟子膨潤土抗拉強度的預(yù)測公式,結(jié)論如下.

(1)壓實高廟子膨潤土的抗拉強度與含水率、干密度和各向異性有關(guān).抗拉強度隨含水率的增加呈先增大后減小的趨勢,含水率在13%左右抗拉強度最大;抗拉強度隨干密度的增加而增大,且呈近似線性增長;抗拉強度的各向異性表現(xiàn)為拉伸力與壓實力垂直時的抗拉強度大于拉伸力與壓實力平行時的抗拉強度,而且這種各向異性程度隨干密度的增加而更加明顯.因此,上述結(jié)果可為高廟子膨潤土塊抗拉強度提供參考值.

(2)根據(jù)非飽和土抗剪強度公式,將由非飽和引起的強度提高項考慮到飽和土的抗拉強度公式中,并將這一提高項表示為吸力與飽和度冪函數(shù)的乘積,同時根據(jù)干密度和抗拉強度的近似線性關(guān)系,給出包括干密度、吸力、飽和度和內(nèi)摩擦角這4個參數(shù)的抗拉強度公式,為預(yù)測高廟子膨潤土塊抗拉強度提供了估算方法.