基于深梁試樣的壓實(shí)黏土抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究

呂 川，王俊杰，黃詩(shī)淵，李旭東

（1. 重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400074； 2. 重慶交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074；3. 重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074）

0 引 言

土體抗拉強(qiáng)度是重要的物理力學(xué)指標(biāo)之一。由于土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓、抗剪等指標(biāo)，在實(shí)際工程中常被研究人員忽略［1］。由土體受拉產(chǎn)生的工程問(wèn)題較為常見，如土石壩黏土心墻由沉降產(chǎn)生的拉伸裂縫、邊坡頂部的張拉裂隙以及路基不均勻沉降引起的拉裂現(xiàn)象等。因此，對(duì)土體抗拉特性的正確認(rèn)識(shí)及合理測(cè)試顯得尤為關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外研究人員研發(fā)了不同類型的土體強(qiáng)度測(cè)試方法。朱俊高等［2］、呂海波等［3］采用單軸拉伸法研究了飽和狀態(tài)、擊實(shí)功等因素對(duì)土體抗拉強(qiáng)度的影響。周鴻逵等［4］研究了三軸拉伸過(guò)程中黏土的破壞過(guò)程，認(rèn)為土體破壞模式與圍壓密切相關(guān)。OHOKA 等［5］對(duì)空心圓柱體試樣開展了軸向壓裂試驗(yàn)，得出土體抗拉強(qiáng)度不受約束力影響。AZMATCH 等［6］采用土梁彎曲試驗(yàn)研究了凍土的抗拉強(qiáng)度及變形特性，研究結(jié)果表明，加載速率對(duì)抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果具有顯著影響。靳松洋等［7］對(duì)比了半圓彎曲試樣和傳統(tǒng)土梁試樣的測(cè)試結(jié)果，認(rèn)為前者制樣較快，數(shù)據(jù)離散性更小。

采用適宜的試驗(yàn)方法開展土體抗拉強(qiáng)度測(cè)試，對(duì)防治巖土工程災(zāi)害具有重要意義。因此，本文在分析傳統(tǒng)試樣結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將深梁試樣引入壓實(shí)黏土的抗拉強(qiáng)度測(cè)試中，探討了三點(diǎn)彎曲加載下含水率和干密度對(duì)壓實(shí)黏土破壞行為的影響規(guī)律。

1 間接拉伸法概述

土體抗拉強(qiáng)度測(cè)試方法包括直接法和間接法，本研究試驗(yàn)方法屬于后者，故筆者對(duì)間接法進(jìn)行概述。

1.1 傳統(tǒng)試樣結(jié)構(gòu)

間接法是對(duì)試樣進(jìn)行壓裂、彎曲等方式，再通過(guò)理論計(jì)算求解抗拉強(qiáng)度，代表性試驗(yàn)方法包括巴西劈裂試驗(yàn)、軸向壓裂試驗(yàn)和土梁彎曲試驗(yàn)等［8］。巴西劈裂試驗(yàn)最初用來(lái)測(cè)試巖石抗拉強(qiáng)度，逐步推廣至土體。該方法是將圓柱體試樣放入兩塊加載板間，通過(guò)試樣與加載板間的剛性墊條傳遞軸向壓力，使試樣內(nèi)部形成垂直于豎向的拉應(yīng)力，直至試樣破壞，也稱徑向壓裂試驗(yàn)。巴西劈裂試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)為制樣簡(jiǎn)單，但加載過(guò)程中內(nèi)部應(yīng)力較為復(fù)雜，在測(cè)試土體時(shí)易發(fā)生局部壓裂破壞。與巴西劈裂試驗(yàn)原理相似，軸向壓裂試驗(yàn)通過(guò)試樣兩側(cè)的襯墊傳遞軸向荷載。加載過(guò)程中試樣頂部、底部形成的圓錐體延伸并貫穿可產(chǎn)生水平方向拉應(yīng)力。該試驗(yàn)方法對(duì)儀器要求較低，所得抗拉強(qiáng)度與襯墊直徑密切相關(guān)。土梁彎曲試驗(yàn)在土體抗拉強(qiáng)度測(cè)試中應(yīng)用最為廣泛，其試樣結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)條形土梁，在試樣頂部、底部分別設(shè)置加載點(diǎn)及支撐點(diǎn)。由于試樣跨度較大，制樣、安裝等人為因素易產(chǎn)生擾動(dòng)。

1.2 改進(jìn)的抗拉強(qiáng)度試樣結(jié)構(gòu)

WANG 等［9］首次將半圓彎曲（SCB）試樣引入土體抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，并認(rèn)為該試樣結(jié)構(gòu)所得出的抗拉強(qiáng)度較為可靠，如圖1（a）。文獻(xiàn)［7］、［8］也采用SCB 試樣開展了黏土抗裂性能的研究。上述研究學(xué)者是將半圓環(huán)刀砸入擊實(shí)黏土中制備SCB 試樣，易對(duì)試樣產(chǎn)生擾動(dòng)。

圖1 三點(diǎn)彎曲加載試樣結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of three-point bending loaded specimen

鑒于此，本文首次將深梁試樣引入壓實(shí)黏土抗拉強(qiáng)度測(cè)試中。如圖1（b）所示，試樣寬高比為2∶1，采用3 點(diǎn)彎曲加載。尺寸相同時(shí)，深梁試樣與SCB 試樣韌帶區(qū)域長(zhǎng)度一致，此外可通過(guò)切割方式批量制備，顯著提高制樣效率。深梁試樣的抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式如下［10］：

式中：σt為抗拉強(qiáng)度，kPa；S為支撐間距，m；Pmax為峰值荷載，kN；W為試樣高度，m；B為試樣厚度，m。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土料為兩河口水電站防滲心墻土料，土料的土粒比重Gs=2.76，塑性指數(shù)為15.5，液限為32.9%，塑限為17.4%，最佳含水率為16.6%，最大干密度為1.75 g/cm3。試驗(yàn)前進(jìn)行人工破碎，篩選2 mm 以下土顆粒進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)用水為實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。

2.2 試樣制備

試樣制備流程包括：①按照含水率、干密度等設(shè)計(jì)參數(shù)制備土料，悶料24 h；②在矩形模具側(cè)壁均勻涂抹凡士林，將土料均勻分為3 份倒入模具中進(jìn)行分層擊實(shí)，層間接觸面需充分刮毛；③擊實(shí)完成后，采用切割機(jī)將土塊按預(yù)定尺寸進(jìn)行切割；④深梁試樣切割完成后，自然風(fēng)干4 h，環(huán)境溫度為35 ℃，深梁試樣見圖2。

圖2 壓實(shí)黏土深梁試樣Fig.2 Deep beam specimen of compacted clay

2.3 試驗(yàn)儀器及方案

試驗(yàn)加載系統(tǒng)為重慶交通大學(xué)聯(lián)合江蘇永昌科教儀器制造有限公司生產(chǎn)的土體斷裂儀器，由加載桿、可調(diào)節(jié)間距的可移動(dòng)支座、可上下調(diào)節(jié)的支撐桿以及數(shù)據(jù)采集器組成。試驗(yàn)機(jī)的最大垂直荷載為5 kN，最大位移量程為40 mm，采集精度為0.01。在加載前，在夾具壓頭及支撐上均勻涂抹凡士林，以消除摩擦力的影響。調(diào)節(jié)支撐間距并放置試樣，調(diào)節(jié)壓頭與試樣接觸并清零荷載及位移。加載速率選擇0.01 mm/s，位移和載荷數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄，待荷載降低至50%峰值荷載后停止試驗(yàn)。

試樣尺寸為100 mm×50 mm×30 mm（2W×W×B），支撐間距S=60 mm。本次研究考慮了含水率與干密度兩種影響因素，具體試驗(yàn)方案見表1。

表1 試驗(yàn)方案Tab.1 Experimental scheme

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 荷載-撓度曲線

圖3 為壓實(shí)黏土的破壞形態(tài)，裂紋由試樣底部跨中位置萌生并逐漸擴(kuò)展至壓頭位置。受土體非均質(zhì)性影響，裂紋路徑存在不規(guī)則彎曲，但總體垂直于試樣底邊。

圖3 試樣破壞模式Fig.3 Specimen damage pattern

圖4 為不同含水率的壓實(shí)黏土荷載-撓度曲線，由圖4 可知，不同含水率下深梁試樣的荷載-撓度曲線均存在明顯的峰值點(diǎn)。加載初期至峰值點(diǎn)，荷載隨位移增大呈線性增大，試樣含水率越大斜率越小。峰值荷載后荷載-撓度曲線逐漸跌落，其演化規(guī)律受含水率影響顯著，試樣含水率越大峰后曲線的斜率越小。峰值位移隨含水率增大逐漸增大，表明高含水率時(shí)試樣塑性變形越大。相同干密度條件下，黏土峰值荷載隨含水率增大先增大后降低。含水率為14.6%、16.6%、18.6%和20.6%對(duì)應(yīng)的最大平均荷載分別為248.1、322.7、198.0和150.3 N。

圖4 不同含水率試樣的荷載-撓度曲線Fig.4 Load-deflection curves of specimens with different water content

圖5 為不同干密度的壓實(shí)黏土荷載-撓度曲線，可以看出：不同干密度下壓實(shí)黏土的荷載位移曲線形態(tài)基本一致。加載初期，試樣存在局部壓密現(xiàn)象，荷載-撓度曲線產(chǎn)生一定程度波動(dòng)。待軸向位移超過(guò)0.3 mm后進(jìn)入線性變化階段，干密度越大荷載-撓度曲線斜率越大。伴隨試樣內(nèi)部裂紋迅速貫通，峰后荷載在短時(shí)間內(nèi)迅速下跌。除干密度為1.64 g/cm3試樣外，最大撓度隨干密度增大逐漸遞增，可能是由于壓實(shí)黏土局部不均勻?qū)е碌脑囼?yàn)偏差。含水率為16.6%時(shí)，隨著干密度增大，試樣峰值荷載逐漸增加，干密度為1.75 g/cm3時(shí)的峰值荷載平均值為403.0 N，相比1.64 g/cm3時(shí)提高了2.35倍。

圖5 不同干密度試樣的荷載-撓度曲線Fig.5 Load-deflection curves of specimens with different dry densities

3.2 抗拉強(qiáng)度分析

圖6 為不同含水率時(shí)壓實(shí)黏土的抗拉強(qiáng)度演化規(guī)律，由圖6 可知，隨著黏土含水率增大，試樣抗拉強(qiáng)度先增大后降低，與文獻(xiàn)［11］試驗(yàn)結(jié)果一致。含水率為16.6%時(shí)抗拉強(qiáng)度最大，為390.2 kPa；含水率為20.6%時(shí)最小，為183.4 kPa。低含水率時(shí)，相鄰?fù)令w粒間公共結(jié)合水膜的聯(lián)結(jié)作用一定程度上提高了黏土黏聚力。試樣干密度不變條件下，結(jié)合水膜數(shù)量隨土體含水率增大而增多，宏觀上表現(xiàn)為試樣抗拉強(qiáng)度更大。當(dāng)含水率較大時(shí)，結(jié)合水膜厚度變大削弱其聯(lián)結(jié)作用，導(dǎo)致黏土抵抗拉應(yīng)力的能力降低［12］。

圖6 不同含水率下試樣的抗拉強(qiáng)度Fig.6 Tensile strength of specimens at different moisture contents

圖7 為不同干密度時(shí)壓實(shí)黏土的抗拉強(qiáng)度演化規(guī)律，由圖7 可知，抗拉強(qiáng)度隨試樣干密度增大逐漸增大，呈線性遞增規(guī)律。干密度為1.75 g/cm3時(shí)試樣的平均抗拉強(qiáng)度為485.5 kPa，相比1.64、1.67、1.71 g/cm3分別提升了2.07倍、1.69倍和1.24倍。土體干密度對(duì)試樣抗拉強(qiáng)度影響的內(nèi)在機(jī)理為：當(dāng)含水率不變時(shí)，增大壓實(shí)黏土干密度導(dǎo)致試樣孔隙率降低，內(nèi)部土顆粒接觸更為緊密，進(jìn)一步發(fā)揮土粒咬合作用，因而抗拉強(qiáng)度較大。

圖7 不同干密度下試樣的抗拉強(qiáng)度Fig.7 Tensile strength of specimens at different dry densities

表2對(duì)比了不同試樣結(jié)構(gòu)時(shí)黏土干密度與抗拉強(qiáng)度的擬合關(guān)系式。由表2可知，干密度與抗拉強(qiáng)度具有良好的線性關(guān)系。深梁試樣的擬合曲線斜率高于其他試樣結(jié)構(gòu)，這與土體類型和試樣風(fēng)干時(shí)間有關(guān)。由此可見，深梁試樣用于壓實(shí)黏土抗拉強(qiáng)度測(cè)試是可行的。

表2 不同類型土體抗拉強(qiáng)度結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of tensile strength results of different types of soils

3.3 能量參數(shù)分析

材料彈性能基本原理中定義了斷裂耗散能E，數(shù)值上等于試樣荷載-撓度曲線的包絡(luò)線面積，即荷載-撓度曲線在橫軸上的積分［13］。E由峰值荷載之前的彈性儲(chǔ)備能Eel和之后的裂縫延展能Efr構(gòu)成，如圖8 所示。本研究統(tǒng)計(jì)了不同干密度和含水率條件下壓實(shí)黏土的Eel和Efr并進(jìn)行討論。

圖8 斷裂耗散能計(jì)算原理Fig.8 Principle of fracture dissipation energy calculation

圖9 為不同含水率條件下壓實(shí)黏土的Eel和Efr平均值計(jì)算結(jié)果，可以看出：壓實(shí)黏土斷裂耗散能E隨含水率增大呈先增大后減小的演化規(guī)律，在含水率為16.6%時(shí)最大，此時(shí)Eel和Efr分別為0.31 J 和0.052 J。隨著試樣含水率增大，Eel與E變化規(guī)律一致，而Efr逐漸增大。含水率為20.6%的Efr為0.075 J，相比14.6%、16.6%、18.6%分別提升了2.56 倍、1.43 倍和1.19 倍。上述規(guī)律表明，含水率為16.6%時(shí)試樣破壞前儲(chǔ)備彈性能最多，即外荷載做功越多，而高含水率條件下裂紋擴(kuò)展難度增大，壓實(shí)黏土的塑性行為更加突出。

圖9 不同含水率下試樣的能量計(jì)算結(jié)果Fig.9 Energy calculation results of specimens with different water content

圖10 為不同干密度條件下壓實(shí)黏土的Eel和Efr演化規(guī)律，由圖可知，隨著試樣干密度增大，Eel和Efr均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，但后者增加幅度低于前者。干密度為1.75 g/cm3的試樣Eel和Efr為1.87 J 和0.03 J，干密度為1.64 g/cm3時(shí)為0.45 J 和0.07 J。增大試樣干密度一定程度上增強(qiáng)了壓實(shí)黏土脆性，試樣破壞時(shí)彈性變性能占比提升，而塑性變形耗能減低。

圖10 不同干密度下試樣的能量計(jì)算結(jié)果Fig.10 Energy calculation results of specimens at different dry densities

4 結(jié) 論

引入深梁試樣，研究了含水率和干密度對(duì)壓實(shí)黏土抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律，主要得出以下結(jié)論：

（1）隨含水率增大土體塑性變形愈發(fā)顯著，試樣承載能力下降。不同干密度下壓實(shí)黏土的荷載位移曲線形態(tài)相似，主要表現(xiàn)為峰值撓度的差異；

（2）試樣抗拉強(qiáng)度隨著黏土含水率增大先增大后降低，隨著干密度增大呈線性遞增；

（3）隨含水率增大黏土斷裂耗散能先增大后減小，增大試樣干密度可提升試樣破壞時(shí)的彈性變性能占比。