花崗巖殘積土在增濕與干燥過程中的抗拉強(qiáng)度演變規(guī)律研究

石 卉

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,烏魯木齊 830000)

0 引 言

在水利工程和道路工程中,控制填筑巖土材料的裂縫是確保結(jié)構(gòu)使用性能和安全的重要前提,裂縫的產(chǎn)生與土體的抗拉強(qiáng)度具有十分密切的關(guān)系[1-2]。因?yàn)榇蠖鄶?shù)工程中的土體破壞是由剪切、鼓脹和拉張綜合作用導(dǎo)致的,拉張甚至可以成為主導(dǎo)破壞的誘因。我國華南地區(qū)廣泛分布的花崗巖殘積土,其風(fēng)化作用的影響導(dǎo)致土體顯示出黏土與砂粒混合土的特性,在受到降雨或地下水的作用時,頻繁的飽和與干燥過程極易使土體結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生拉張裂縫,水庫工程中極易為水體提供滲透通道,造成管涌、滲漏等病害[3-4]。因此,研究花崗巖殘積土在增濕過程或者干燥過程的抗拉強(qiáng)度演變特性具有十分重要的實(shí)際意義。

1 工程概況

某水庫是一座以灌溉為主、兼有防洪等綜合效益利用的水庫,為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效起到重要的作用。水庫樞紐工程由大壩、導(dǎo)流-沖砂-放空管、取水管、生態(tài)放水管及相應(yīng)附屬建筑等組成。大壩為泄洪與擋水建筑物融為一體的砌石混凝土重力壩,分為主壩和副壩兩部分。

壩址區(qū)工程地質(zhì)花崗巖屬于硬脆性材料,完全風(fēng)化后的花崗巖殘積土呈紅褐色,經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)得到的天然密度1.97g/cm3,天然含水量16.72%,土粒密度2.54g/cm3,液限59.7%,塑限28.4%,塑性指數(shù)31.4,孔隙比0.79,壓縮模量3.92MPa,黏聚力33.9kPa,內(nèi)摩擦角22.3°。

采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)測試統(tǒng)計(jì)表明,最大標(biāo)貫擊數(shù)為45擊,最小標(biāo)貫擊數(shù)39擊,平均標(biāo)貫擊數(shù)42擊,標(biāo)貫擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差1.80,變異系數(shù)0.04。

2 目標(biāo)含水量的花崗巖殘積土抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

在場區(qū)的花崗巖殘積土原狀取樣,并在室內(nèi)試驗(yàn)中經(jīng)過碾壓、過篩、烘干、目標(biāo)含水量配置以及壓實(shí)筒中制作試樣,試樣尺寸直徑24mm,高度90mm,呈圓柱形[5-8]。采用WDW-10E微型機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn),試驗(yàn)拉伸速度設(shè)置為0.1mm/min,緩慢張拉至試樣出現(xiàn)斷裂[9-10]。

為了研究不同天然含水量條件下花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度,采用室內(nèi)試驗(yàn)方法,在烘干的花崗巖殘積土中加入蒸餾水,攪拌均勻并放入內(nèi)直徑為24mm的容器內(nèi)擊實(shí),制作成16種不同目標(biāo)含水量的試樣,試樣的目標(biāo)含水量w為6%～36%,增量為2%。測試結(jié)果見表1和圖1。

圖1 不同目標(biāo)含水量條件下花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度變化特征

表1 不同目標(biāo)含水量條件下花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果

從圖1可以看出,不同目標(biāo)含水量條件下花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度分成明顯的兩段,整體上表現(xiàn)為先增加后降低的規(guī)律,在增加段的抗拉強(qiáng)度增速小于降低段的抗拉減小速率。在低含水量(含水量w<22%時),花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度隨著含水量的增加而呈非線性增加,越接近抗拉強(qiáng)度峰值,抗拉強(qiáng)度增速越大,其抗拉強(qiáng)度與含水量的擬合關(guān)系呈冪指數(shù)關(guān)系,確定系數(shù)R2=0.9898,見式(1)。在目標(biāo)含水量為w=22%時,達(dá)到抗拉強(qiáng)度峰值σt=21.41kPa。在高含水量(含水量w>22%時),花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度隨著含水量的增加而呈非線性降低,并逐步趨于收斂,最大目標(biāo)含水量(w=36%時)對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度是最小目標(biāo)含水量(w=6%時)對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度的2倍,降低段花崗巖殘積土抗拉強(qiáng)度與含水量的擬合關(guān)系呈二次函數(shù)關(guān)系,確定系數(shù)R2=0.9609,見式(2)。

σt=0.1421w1.5919

(1)

σt=0.1351w2-8.9518w+153.66

(2)

式中:σt為抗拉強(qiáng)度,kPa;w為花崗巖殘積土的目標(biāo)含水量,%。

3 增濕過程花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

為了研究花崗巖殘積土在天然狀態(tài)下的增濕過程,在目標(biāo)含水量為6%的花崗巖殘積土試樣表面噴射等同目標(biāo)含水量的蒸餾水量(其余15個目標(biāo)含水量),模擬天然狀態(tài)下花崗巖殘積土受地下水或天然降水的滲入過程,并在抗拉試驗(yàn)后,測試試驗(yàn)中部土樣的實(shí)際含水量?；◢弾r殘積土增濕過程的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表2和圖2。

圖2 增濕過程中花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度變化特征

表2 增濕過程中花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果

從圖2可以看出,增濕過程中花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度分成明顯的兩段,整體上表現(xiàn)為先增加后降低的規(guī)律。在低含水量(含水量w<22%時),花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度隨著含水量的增加而呈非線性增加,越接近抗拉強(qiáng)度峰值,抗拉強(qiáng)度增速越大,其抗拉強(qiáng)度與含水量的擬合關(guān)系呈冪指數(shù)關(guān)系,確定系數(shù)R2=0.9680,見式(3)。在含水量為w=21.78%時,達(dá)到抗拉強(qiáng)度峰值σt=12.15kPa,是目標(biāo)含水量(w=22%時)抗拉強(qiáng)度值的56.7%。在高含水量(含水量w>22%時),花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度隨著含水量的增加而呈線性降低,最大含水量(w=35.89%時)對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度與最小含水量(w=6%時)對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度相近,降低段花崗巖殘積土抗拉強(qiáng)度與含水量的擬合關(guān)系呈線性關(guān)系,確定系數(shù)R2=0.9627,見式(4)。

σt=0.774e0.1261w

(3)

σt=-0.6953w+26.264

(4)

4 干燥過程花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

為了研究花崗巖殘積土在天然狀態(tài)下的干燥過程,將目標(biāo)含水量為36%的花崗巖殘積土稀泥漿飽和試樣,在自然風(fēng)干狀態(tài)下達(dá)到其余15個目標(biāo)含水量,模擬天然狀態(tài)下花崗巖殘積土的自然干燥過程,并在抗拉試驗(yàn)后,測試試驗(yàn)中部土樣的實(shí)際含水量?；◢弾r殘積土干燥過程的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3和圖3。

圖3 干燥過程中花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度變化特征

表3 干燥過程中花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果

從圖3可以看出,干燥過程中花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度分成明顯的3段,整體上表現(xiàn)為先增加后穩(wěn)定再降低的規(guī)律。在高含水量(含水量w>16%時),花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度隨著含水量的減小而呈非線性增加,越接近抗拉強(qiáng)度峰值,抗拉強(qiáng)度增速越大,其抗拉強(qiáng)度與含水量的擬合關(guān)系呈指數(shù)關(guān)系,確定系數(shù)R2=0.9326,見式(5)。在含水量為w=16.44%時,達(dá)到抗拉強(qiáng)度峰值σt=97.46kPa。在含水量為10.07%～16.44%范圍內(nèi),花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度約為96.269。在低含水量(含水量w<10%時),花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度隨著含水量的增加而呈線性降低,確定系數(shù)R2=0.8480,見式(6)。

σt=5190.4e-0.224w

(5)

σt=3.9073w2+46.373

(6)

5 結(jié) 論

本文以花崗巖殘積土為研究對象,運(yùn)用室內(nèi)試驗(yàn)的方法,分析了不同目標(biāo)含水量、增濕與干燥過程中花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度演變特征。結(jié)論如下:

1)不同目標(biāo)含水量條件下花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度分成明顯的兩段,整體上表現(xiàn)為先增加后降低的規(guī)律,增加段的抗拉強(qiáng)度增速小于降低段的抗拉減小速率;增加階段抗拉強(qiáng)度與含水量具有冪指數(shù)關(guān)系,下降階段具有二次函數(shù)關(guān)系。

2)在增濕過程中花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度分成明顯的兩段,整體上表現(xiàn)為先增加后降低的規(guī)律;增加階段抗拉強(qiáng)度與含水量具有指數(shù)關(guān)系,下降階段具有線性關(guān)系。

3)在干燥過程中花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度分成明顯的3段,整體上表現(xiàn)為先增加后穩(wěn)定再降低的規(guī)律?？估瓘?qiáng)度與含水量在高含水量階段具有冪指數(shù)關(guān)系;在含水量為10.07%～16.44%范圍內(nèi),花崗巖殘積土的抗拉強(qiáng)度約為96.269;在低含水量階段具有線性關(guān)系。