單軸條件下畢節紅黏土的強度破壞試驗研究

2020-02-08 09:18:32李美霖秦海強

四川建材 2020年1期

方娟，孟來，李美霖，秦海強

(貴州工程應用技術學院土木建筑工程學院，貴州畢節 551700)

0 前言

紅黏土在我國的貴州、廣西、四川和湖南等地分布十分廣泛，貴州省內的紅黏土在其復雜的紅土化的過程中，已經形成了獨特的游離氧化特膠結結構[1]，這種結構對紅黏土的強度和早期變形模量起著重要的作用。復雜的土體結構以及地形、地貌、水文氣候等條件的變化，使得這種區域性很強的特殊土的工程力學性質非常復雜[2]。紅黏土由于其復雜的形成過程和特殊的物質組成，黏土礦物顆粒間形成了穩定的團粒結構，并且具有較為穩定的晶格結構，呈現層狀或者鏈狀，其中含有結構水，使得紅黏土具有含水量高、孔隙比大、塑性高、壓縮性低，承載力大的特點[3]。

土的結構性是描述天然土在沉積過程中形成的特殊的顆粒聯結和排列方式所表現出來的力學效應，具體涉及到兩個方面，即聯結所表現的結構可穩性和顆粒排列變化所表現出的結構可變性。國內對于結構性黃土的研究起步較早且較為系統，謝定義、齊吉琳[4]及邵生俊[5-7]、鄧國華[8]、羅愛忠等[9-10]根據綜合結構勢的思想，提出了黃土的不同的結構性參數并將其引用到土體本構模型及工程應用當中，取得了較為突出的成果。目前針對紅黏土的結構性的研究國內尚無成熟的理論指導，本文擬通過單軸條件下畢節紅黏土的原狀樣、重塑樣的強度變化規律及破壞性狀，分析畢節紅黏土的結構性及其對強度的影響及變化規律。

1 試驗方案

筆者首先通過踏勘選點，對取自畢節市周邊的典型紅黏土進行了基本的物理性能指標的測試，結果見表1。

表1 畢節紅黏土的基本物理性能指標

為了研究結構性對于紅黏土的強度影響及不同含水量條件下紅黏土的強度變化規律，本文按照《土工試驗規程》(SL237—1999)中的方法分別制備了原狀樣、重塑樣。以天然含水量制取試樣，然后通過滴水法、風干法制備不同含水量的原狀、重塑樣，按照要求放置至少24 h后再進行無側限抗壓強度試驗，以使試樣中的水分充分轉移均勻。本文一共配制了46%、48.5%、50%、52%、56%等5組不同含水量的試樣。

無側限抗壓強度試驗采用南京土壤儀器廠生產的YYW-2型應變控制式無側限壓力儀進行，其每分鐘升降板上升2.4 mm，直至試樣破損，百分表讀數較小；若試驗進行過程中百分表讀數一直增大，則將試驗進行至試樣的總應變達到20%以上，以20%應變所對應的應力值為無側限抗壓強度值。試驗過程中記錄發生某一豎向位移所對應的量力環的讀數，按照公式推算出單軸條件下軸向應力與軸向應變的關系，并繪出相應的曲線。

2 單軸抗壓強度試驗結果與分析

為分析結構對紅黏土單軸抗壓強度的影響，本文整理了不同含水量的紅黏土的原狀樣、重塑樣的應力應變關系曲線，如圖1～2所示。

圖1 單軸條件下原狀紅黏土的應力應變關系曲線

圖2 單軸條件下重塑紅黏土的應力應變關系曲線

從曲線特征上來看，原狀紅黏土試樣的無側向抗壓強度曲線表現出應變軟化特征，在應變較小時，應力隨應變增加基本是線性增大，當應力達到結構強度時，土樣破壞，強度值降低。強度的變化實質上是土體內部結構性發揮作用的過程，當外力較小時，不足以破壞土體的初始結構強度，即原生結構強度；一旦土體的原始結構遭到破壞，土體內部產生塑性變形區，土體不足以抵抗外荷載作用，土體強度降低，最終形成剪切破壞面。土體的強度隨著軸向應變的增加而呈現先增大出現一個峰值強度后減小的規律，正是由于土體結構性在這個過程中發揮了作用。

在試驗含水量范圍內，原狀紅黏土的峰值并不是簡單地隨含水量的增加而減小，而是在某一含水量處發生轉折。整體來看，在低于天然含水量范圍內，48%試樣的單軸抗壓強度最大，46%試樣的單軸抗壓強度最小；其他幾個含水量是遵循含水量越大，強度越低的規律。這是由于紅黏土存在干縮的現象，含水量一旦低于某一個值時，強度反而會降低，干縮產生的裂縫正是造成這種現象的原因，裂縫的產生使得土體的顆粒和聯結能力降低，結構強度降低。

同一含水量的重塑紅黏土試樣，無側限抗壓強度曲線基本上呈現隨軸向應變增大的規律，這是由于重塑擾動破壞了土體的初始結構性，土體顆粒重新組合排列，制樣過程中的擾動擊實使得重塑樣的顆粒大小及分布更加均勻，改變了紅黏土天然的結構狀態，重塑制成的試樣具有不同于原狀樣的初始結構性和結構強度，在相同受力條件下表現出不同的變化規律。重塑樣在單軸受壓條件下表現出應變硬化型特征，在外荷載作用下土體顆粒重組效應體現出不同的力學變化特征。重塑樣的峰值強度隨含水量的增加基本呈現減小的規律。二者的不同規律更加說明了結構性的影響差異。

從變形破壞過程來看，原狀土產生裂縫和破壞過程相對重塑土更快更劇烈，產生的應力更大，對比試驗數據以及曲線圖知，重塑土在壓力作用下破壞過程相對緩慢，也沒有產生裂縫或者發生破壞變形的明確的峰值，產生的應力很小。

圖3整理了同一含水量的原狀、重塑試樣的應力應變關系曲線，從圖中可以看出，不同含水量的原狀紅黏土的單軸抗壓強度都高于重塑樣，這是由于重塑樣制備是用天然紅黏土經過破碎、篩分、壓實而成的，具有與原狀樣相同的尺寸、含水量和密度，但是二者強度差異較大。原狀紅黏土與重塑紅黏土的強度的差異說明畢節紅黏土確實存在一定的結構性，十分有研究的必要。

圖3 同一含水量原狀、重塑樣的應力應變關系曲線

3 紅黏土的破壞性狀

通過試驗觀察，不同結構性的土體在單軸條件下的破壞性狀也表現出較大的不同。土體破壞的過程實際上是土體結構性發揮的過程，原狀樣由于初始結構性的存在，在受力后結構性發揮抵抗的作用，故應力應變曲線開始段是線性增長的，當結構性不足以抵抗外荷作用時，曲線出現下滑段，此時土體內部已經出現了塑性變形區，原狀樣的破壞圖片如圖4所示，可見是存在沿著某一斜面的明顯剪切破壞帶的，屬于脆性破壞。而重塑樣在單軸條件下的破壞形態與原狀樣不同，如圖5所示。試樣從開始受力至實驗結束，并無明顯的破壞帶，試樣呈現出變粗變矮的特征，發生的是側脹破壞。這與試樣硬化型的應力應變曲線相吻合，重塑重組的土結構性弱，在外荷作用下一直處于被壓縮變脹的狀態。由此可見，結構性不同的土體破壞性狀有著非常明顯的不同，結構性對于土體的力學及變形的影響是最基本、最重要的原因。