花崗巖殘積土在增濕與干燥過程中的抗拉強度演變規律研究

石 卉

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司,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構使用性能和安全的重要前提,裂縫的產生與土體的抗拉強度具有十分密切的關系[1-2]。因為大多數工程中的土體破壞是由剪切、鼓脹和拉張綜合作用導致的,拉張甚至可以成為主導破壞的誘因。我國華南地區廣泛分布的花崗巖殘積土,其風化作用的影響導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構之間產生拉張裂縫,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度演變特性具有十分重要的實際意義。

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,為當地經濟發展和農業增產增效起到重要的作用。水庫樞紐工程由大壩、導流-沖砂-放空管、取水管、生態放水管及相應附屬建筑等組成。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。

壩址區工程地質花崗巖屬于硬脆性材料,完全風化后的花崗巖殘積土呈紅褐色,經過室內試驗得到的天然密度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31.4,孔隙比0.79,壓縮模量3.92MPa,黏聚力33.9kPa,內摩擦角22.3°。

采用標準貫入試驗測試統計表明,最大標貫擊數為45擊,最小標貫擊數39擊,平均標貫擊數42擊,標貫擊數標準差1.80,變異系數0.04。

2 目標含水量的花崗巖殘積土抗拉強度試驗

在場區的花崗巖殘積土原狀取樣,并在室內試驗中經過碾壓、過篩、烘干、目標含水量配置以及壓實筒中制作試樣,試樣尺寸直徑24mm,高度90mm,呈圓柱形[5-8]。采用WDW-10E微型機控制電子萬能試驗機進行直接拉伸試驗,試驗拉伸速度設置為0.1mm/min,緩慢張拉至試樣出現斷裂[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度,采用室內試驗方法,在烘干的花崗巖殘積土中加入蒸餾水,攪拌均勻并放入內直徑為24mm的容器內擊實,制作成16種不同目標含水量的試樣,試樣的目標含水量w為6%～36%,增量為2%。測試結果見表1和圖1。

圖1 不同目標含水量條件下花崗巖殘積土的抗拉強度變化特征

表1 不同目標含水量條件下花崗巖殘積土的抗拉強度測試結果

從圖1可以看出,不同目標含水量條件下花崗巖殘積土的抗拉強度分成明顯的兩段,整體上表現為先增加后降低的規律,在增加段的抗拉強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度隨著含水量的增加而呈非線性增加,越接近抗拉強度峰值,抗拉強度增速越大,其抗拉強度與含水量的擬合關系呈冪指數關系,確定系數R2=0.9898,見式(1)。在目標含水量為w=22%時,達到抗拉強度峰值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,最大目標含水量(w=36%時)對應的抗拉強度是最小目標含水量(w=6%時)對應的抗拉強度的2倍,降低段花崗巖殘積土抗拉強度與含水量的擬合關系呈二次函數關系,確定系數R2=0.9609,見式(2)。

σt=0.1421w1.5919

(1)

σt=0.1351w2-8.9518w+153.66

(2)

式中:σt為抗拉強度,kPa;w為花崗巖殘積土的目標含水量,%。

3 增濕過程花崗巖殘積土的抗拉強度試驗

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

圖2 增濕過程中花崗巖殘積土的抗拉強度變化特征

表2 增濕過程中花崗巖殘積土的抗拉強度測試結果

從圖2可以看出,增濕過程中花崗巖殘積土的抗拉強度分成明顯的兩段,整體上表現為先增加后降低的規律。在低含水量(含水量w<22%時),花崗巖殘積土的抗拉強度隨著含水量的增加而呈非線性增加,越接近抗拉強度峰值,抗拉強度增速越大,其抗拉強度與含水量的擬合關系呈冪指數關系,確定系數R2=0.9680,見式(3)。在含水量為w=21.78%時,達到抗拉強度峰值σt=12.15kPa,是目標含水量(w=22%時)抗拉強度值的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)對應的抗拉強度與最小含水量(w=6%時)對應的抗拉強度相近,降低段花崗巖殘積土抗拉強度與含水量的擬合關系呈線性關系,確定系數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度試驗

為了研究花崗巖殘積土在天然狀態下的干燥過程,將目標含水量為36%的花崗巖殘積土稀泥漿飽和試樣,在自然風干狀態下達到其余15個目標含水量,模擬天然狀態下花崗巖殘積土的自然干燥過程,并在抗拉試驗后,測試試驗中部土樣的實際含水量。花崗巖殘積土干燥過程的抗拉強度試驗結果見表3和圖3。

圖3 干燥過程中花崗巖殘積土的抗拉強度變化特征

表3 干燥過程中花崗巖殘積土的抗拉強度測試結果

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

σt=5190.4e-0.224w

(5)

σt=3.9073w2+46.373

(6)

5 結 論

本文以花崗巖殘積土為研究對象,運用室內試驗的方法,分析了不同目標含水量、增濕與干燥過程中花崗巖殘積土的抗拉強度演變特征。結論如下:

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

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

3)在干燥過程中花崗巖殘積土的抗拉強度分成明顯的3段,整體上表現為先增加后穩定再降低的規律。抗拉強度與含水量在高含水量階段具有冪指數關系;在含水量為10.07%～16.44%范圍內,花崗巖殘積土的抗拉強度約為96.269;在低含水量階段具有線性關系。