千枚巖全風(fēng)化土的抗拉特性研究*

劉 莉 張 芹 顏榮濤 趙延平 姜大偉

(1.桂林理工大學(xué)廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室，廣西桂林 541004；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院，廣西桂林 541004；3.中國建材集團桂林地質(zhì)工程勘察院有限公司，廣西桂林 541004)

千枚巖作為一種變質(zhì)巖，常出露于地質(zhì)比較復(fù)雜的山區(qū)，巖質(zhì)較差，極易破碎；經(jīng)歷長時間物理化學(xué)風(fēng)化搬運作用后形成千枚巖全風(fēng)化土。千枚巖全風(fēng)化土所在區(qū)域是滑坡、泥石流發(fā)育的活躍地帶，在滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時常伴隨有張拉裂縫的出現(xiàn)，其抗拉強度是影響土石壩、邊坡、公路等土石結(jié)構(gòu)發(fā)生拉伸破壞、拉伸開裂的重要特性指標[1]。

抗拉強度試驗方法分為直接法和間接法[2]。直接法包括單軸拉伸試驗、三軸拉伸試驗等；間接法包括徑向壓裂試驗、彎曲梁試驗和環(huán)狀試樣法等。大量學(xué)者通過研制不同形式的抗拉試驗儀器分析了干密度、含水量和干濕循環(huán)作用對抗拉強度的影響。

Tamrakar等研制了一種“8”字形截面試樣抗拉強度裝置，研究不同固結(jié)壓力下抗拉強度與抗壓強度關(guān)系[3]；Lu等利用試樣傾斜產(chǎn)生的下滑力測試了砂土的抗拉強度[4]；Kim等改進拉伸試驗裝置,測定了由毛細吸力引起的非飽和砂土抗拉強度[5]；蔡國慶等研究了不同干密度和含水率下非飽和砂土的抗拉強度特性[6]；呂海波等利用自制簡易拉伸儀對紅黏土與膨脹土抗拉強度的影響因素進行了對比[7]；袁志輝等分析了干濕循環(huán)下重塑及原狀黃土的抗拉強度衰減機制[8]。以上關(guān)于抗拉強度的研究結(jié)果大多是基于砂性土給出的，而黏性土在廣含水量范圍內(nèi)的研究結(jié)果較少，并且也很少從土-水之間相互作用出發(fā)分析抗拉強度的影響機制。

抗拉強度現(xiàn)有的模型可以分為兩類：1)基于微觀力學(xué)或宏觀力學(xué)方法的理論模型；2)利用大量試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。Schubert等用飽和度與毛細壓力的乘積計算抗拉強度[9]；Lu等建立了與持水性參數(shù)相關(guān)的砂土抗拉強度算式[4]。目前建立的模型大多針對無黏聚力土(如砂土)，且依據(jù)大量試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析的經(jīng)驗?zāi)Ｐ洼^多，對黏土建立適用性廣的抗拉強度模型較為欠缺。

基于此，以千枚巖全風(fēng)化土為研究對象，采用研制的單軸抗拉試驗裝置，測試不同干密度及含水率的黏土抗拉強度,結(jié)合不同干密度黏土的持水特性，通過微觀壓汞試驗解釋抗拉強度隨飽和度的變化原因。

1 試驗描述

1.1 試驗儀器

所用儀器為自行研制的單軸拉伸儀，其拉伸模具為類“8”字形。單軸拉伸儀主要由加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和拉伸系統(tǒng)三部分組成，見圖1。加載系統(tǒng)主要指能夠提供水平位移的高精度電機。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要包括“S”型拉壓力傳感器、拉壓力數(shù)值顯示器及位移顯示器。拉伸系統(tǒng)主要包括移動模具端、固定模具端以及移動模具下的平行軌道，移動模具通過包裹式軸承與滑道連接，減少摩擦的同時保證試樣軸心受拉。針對現(xiàn)有土體拉伸試驗裝置存在的不足，并結(jié)合前人設(shè)計的抗拉儀器，對直剪試驗裝置進行改進，可實現(xiàn)對不同干密度和含水率的土體開展抗拉強度試驗。

1—固定模具；2—移動模具；3—拉壓力傳感器；4—電動機；5—位移顯示器；6—拉壓力數(shù)值顯示器。圖1 單軸拉伸儀Fig.1 Uniaxial tension devices

1.2 試驗材料

試驗用土取自桂林龍勝縣某工地，為千枚巖全風(fēng)化土，土樣呈紅褐色。根據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》測得土體的基本物理性質(zhì)指標見表1。

表1 千枚巖全風(fēng)化土基本物理性質(zhì)Table 1 Physical indices of weathered phyllite soil

1.3 試驗過程

1.3.1抗拉強度試驗

為了研究含水率與千枚巖全風(fēng)化土抗拉強度的關(guān)系，試驗配置含水率為5%～40%，梯度為5%的土樣，同時為了研究干密度對千枚巖全風(fēng)化土抗拉強度的影響，進行干密度為1.1，1.2，1.4 g/cm3的抗拉強度試驗。千枚巖全風(fēng)化土的抗拉強度試樣總共為24個。制樣時按目標含水率計算稱取的土樣直接在模具中采用分層靜壓法壓實。壓實后將模具安裝在自制的單軸拉伸儀中進行抗拉試驗。

根據(jù)已有的抗拉試驗分析，選擇0.1 mm/min的拉伸速率。通過將拉伸載荷除以土樣頸部的截面面積(寬度×高度)，計算出拉伸應(yīng)力。將土樣拉伸破壞的位移除以土樣受拉方向的有效長度作為試樣的應(yīng)變值。由此可求得拉應(yīng)力-拉應(yīng)變曲線，最終選取該曲線上的峰值點作為該條件下土樣的抗拉強度值?？估瓘姸扔嬎惆词?1)進行：

σt=F/A

(1)

式中：F為軸向拉力；A為試樣截面積。

1.3.2持水特性試驗

軸平移法控制吸力試驗采用壓力板儀：所用儀器為配有承受1 500 kPa的陶土板，由于實驗室氣源限制，最大氣壓加至700 kPa，將按靜壓法壓制的干密度為1.1，1.2，1.4 g/cm3的兩組平行樣放入壓力板儀的壓力室中，逐級施加吸力，分別為10，20，50，80，160，300，500，700 kPa。

蒸氣平衡法通過不同類型飽和鹽溶液控制吸力：將制備上述3個干密度的環(huán)刀樣飽和后切成小塊，放在已配置好的過飽和鹽溶液上方，進行脫濕試驗，試驗所用飽和鹽溶液及對應(yīng)的吸力值，如表2所示。當土塊一周內(nèi)質(zhì)量變化小于0.01 g時，認為達到平衡。取出土樣，測含水率，并利用阿基米德原理測量體積，具體步驟可參照牛庚等測體積的方法[10]。

表2 飽和鹽溶液及對應(yīng)吸力值(20 ℃)Table 2 Saturated salt solutions and corresponding suction(20 ℃)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 抗拉強度結(jié)果

不同干密度試樣的抗拉強度隨飽和度變化關(guān)系如圖2所示。當土樣含水率達到較高值時，其制樣非常困難，故在試驗配置的最高含水率為40%，對于低干密度的試樣而言，不能達到其飽和含水率。由圖2可以看出：抗拉強度隨干密度的增大而增大，隨飽和度增加呈現(xiàn)出“增—減—增—減”的變化規(guī)律。峰值分別出現(xiàn)在飽和度為10%～20%、60%～100%。具體來說，當初始干密度為1.2 g/cm3時，抗拉強度隨初始飽和度的增加緩慢增大，達到一定含水率后，抗拉強度隨飽和度增加又緩慢降低；隨后，抗拉強度再次隨飽和度增大呈顯著增大的趨勢，當飽和度增加到很大時，抗拉強度又出現(xiàn)降低趨勢。總結(jié)為抗拉強度在整個飽和度范圍出現(xiàn)兩個峰值，呈現(xiàn)“雙峰”現(xiàn)象，這與呂海波等的研究結(jié)果[7](1個峰值)不一致。

—1.1 g/cm3；—1.2 g/cm3；—1.4 g/cm3。圖2 土樣抗拉強度曲線Fig.2 Tensile strength curves of soil specimens

2.2 持水性結(jié)果

圖3為干密度為1.1，1.2，1.4 g/cm3的土樣采用軸平移法測試的低吸力范圍和飽和鹽溶液法測試的高吸力范圍的持水性數(shù)據(jù)通過van Genuchten模型[11]擬合的土水特征線。假定滲透吸力影響較小，總吸力與基質(zhì)吸力大致相等。van Genuchten模型算式為：

(2)

其中m=1-1/n

式中：θs、θr分別為飽和體積含水率、殘余體積含水率；s為基質(zhì)吸力；α、m、n為擬合參數(shù)。

1.1 g/cm3； 1.2 g/cm3； 1.4 g/cm3。圖3 土樣土水特征曲線Fig.3 Soil-water characteristic curve of soil specimens

從圖3可以看出：干密度越小，飽和體積含水率越大，在脫濕過程中曲線變化幅度越大，持水能力差；干密度越大，土樣越密實，越不容易失水，因此進氣值較大。在吸力范圍0～13.1 MPa內(nèi)，三種干密度土樣持水性差距較大，然而在吸力較高的區(qū)段(13.1～367.54 MPa)曲線逐漸聚攏，差距較小。田慧會通過核磁共振試驗對黏質(zhì)砂土在脫濕過程中的影響因素進行研究，得到的結(jié)果也是干密度只是在較低吸力范圍時控制土水特征曲線(SWCC)的形狀，當吸力超過一定的范圍后，初始孔隙比將不再控制SWCC的位置和形狀[12]。所開展的試驗結(jié)果與文獻[12]一致。SWCC曲線中土樣的脫濕經(jīng)歷三個過程[4]：1)對土樣施加低吸力，土樣從飽和狀態(tài)開始脫水，當空氣進入孔隙結(jié)構(gòu)時，土體變得不飽和，此時可以確定土的進氣值，此過程稱為毛細區(qū)。2)隨著干燥過程的進行，吸力逐漸增大，土體含水率逐漸降低，此時水以填充在飽和孔隙中和非飽和孔隙中顆粒周圍接觸的水橋兩種形式存在。此過程稱為過渡區(qū)。3)在殘余段，隨著吸力繼續(xù)增大，土樣含水率變化范圍較小，水主要以結(jié)合水形式存在，此時出現(xiàn)殘余體積含水率。

2.3 抗拉強度結(jié)果分析

Lu等研究過不同干密度和含水率砂土的抗拉強度試驗，提出抗拉強度曲線(TSCC)的概念[13]，認為砂土的抗拉強度與持水性存在關(guān)系，并建立與持水性相關(guān)的宏觀力學(xué)算式來擬合砂土的抗拉強度?；谏鲜龀晒瑢⑶稁r全風(fēng)化土SWCC與TSCC結(jié)合分析抗拉強度隨含水率呈現(xiàn)“增—減—增—減”的變化規(guī)律的原因，圖4顯示不同干密度千枚巖全風(fēng)化土的SWCC與TSCC?？梢钥闯?抗拉強度的兩個峰值出現(xiàn)在過渡區(qū)段內(nèi)，分別為進氣值對應(yīng)含水率的左側(cè)與殘余含水率的右側(cè)。

—1.1 g/cm3，抗拉強度；—1.2 g/cm3，抗拉強度；—1.4 g/cm3，抗拉強度；—1.1 g/cm3，土水特征曲線；—1.2 g/cm3，土水特征曲線；—1.4 g/cm3，土水特征曲線。圖4 抗拉強度曲線與土水特征曲線Fig.4 TSCCs and SWCCs

對于土體單元而言，土顆粒受到表面張力、單位外法向力、接觸點力、孔隙氣壓力、孔隙水壓力多種力綜合作用。隨著含水量的增大，土顆粒之間的“液橋”增多，膠結(jié)力強，土顆粒之間接觸力增大，導(dǎo)致產(chǎn)生更高的拉應(yīng)力，出現(xiàn)殘余含水率右側(cè)峰值，而隨著含水率繼續(xù)增大，抗拉強度降低可能是細小均勻的粒度分布和均勻孔徑分布的表現(xiàn)。當含水率很高時，毛細壓力變大，此時毛細力對顆粒間起貢獻作用，使抗拉強度再次增大出現(xiàn)第二個峰值。最終在飽和附近，抗拉強度不為零，這主要是得益于范德華力與雙電層力的存在。

為進一步解釋抗拉強度出現(xiàn)“雙峰”的原因，對其中干密度為1.2 g/m3的液氮干燥試樣進行壓汞試驗，其孔隙分布曲線見圖5。可以看出千枚巖全風(fēng)化土具有明顯的“雙峰”結(jié)構(gòu)，若按照Kodikara等對土體內(nèi)部微孔隙的劃分：顆粒間孔隙(0.004～1 mm)、積聚體內(nèi)孔隙(1～30 mm)、積聚體間孔隙(10～1 000 mm)，則1.2 g/cm3干密度下千枚巖全風(fēng)化土內(nèi)部主要存在顆粒間孔隙和積聚體間孔隙[14]。

圖5 孔徑分布密度函數(shù)曲線Fig.5 A density function curve of aperture distributions

在壓汞試驗中，孔徑與外部壓力滿足Washburn方程，可以表示為式(3a)所示，土中吸力值與壓汞試驗外部壓力存在式(3b)中的關(guān)系[10,15]：

(3a)

s=0.196p(d)

(3b)

式中：s為基質(zhì)吸力；p(d)為外部壓力；T為氣-水交界面上的表面張力，為0.072 N/m；α為固、液接觸角，取140°；d為孔徑。

由式(3)可知:土體孔隙直徑與土中吸力值的關(guān)系，如圖6所示。可見，在優(yōu)勢孔徑分布的位置可以達到最大拉應(yīng)力，分別在顆粒間孔隙和積聚體間孔隙。由此推斷:低吸力段峰值出現(xiàn)時，土體處于毛細區(qū)，顆粒間力通過毛細壓力傳遞，積聚體間孔隙的優(yōu)勢孔徑范圍內(nèi)存在最大拉應(yīng)力；在高吸力段峰值出現(xiàn)時，土體從過渡區(qū)段向殘余區(qū)段過渡，顆粒間孔隙力通過“水橋”的傳遞越來越多，顆粒間孔隙的優(yōu)勢孔徑范圍內(nèi)存在最大拉應(yīng)力。這表明土體抗拉強度隨吸力的變化與微觀孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同尺寸孔隙的水分填充程度直接影響抗拉強度的大小。

—孔徑；—抗拉強度。圖6 抗拉強度與孔徑分布Fig.6 Tensile strength and pore size distributions

3 抗拉強度模型

Lu等認為拉伸應(yīng)力是各粒子間物理-化學(xué)作用的結(jié)果，如范德華力、雙電層力、膠結(jié)力、負孔隙水壓力引起的毛細應(yīng)力、液體表面張力引起的毛細應(yīng)力[13]。Likos等根據(jù)Lu等提出的吸力算式[13]通過量化表面張力對吸應(yīng)力的影響，導(dǎo)出式(4)[16]：

σs=-Se(ua-uw)-Tsaaw

(4)

式中：Ts為表面張力；S為飽和度；Sr為殘余飽和度；e為孔隙比；d50為中值粒徑；aaw為每孔隙體積的空氣-水界面面積；Se為等效飽和度；Se(ua-uw)代表基質(zhì)吸力對吸應(yīng)力的貢獻；Tsaaw代表表面張力對吸應(yīng)力的貢獻；ηs反映氣-水界面分布的各向異性，從而反映表面張力對非飽和土各向異性的影響；λs代表氣-水界面面積達到最大值；Sr為飽和度。

此時產(chǎn)生的抗拉強度為：

(5)

式中：φt為低應(yīng)力水平至少小于1 kPa下的內(nèi)摩擦角；δ是一個與土的塑性指數(shù)有關(guān)的模型參數(shù)[17]。

由式(5)對干密度為1.1，1.2，1.4 g/cm3的千枚巖全風(fēng)化土的抗拉強度進行擬合，見圖7，可以看出擬合線與數(shù)據(jù)變化趨勢大致相同，可以表示抗拉強度變化，說明已有的抗拉強度模型適用于千枚巖全風(fēng)化土。在較高的干密度下土樣通常具有較高的進氣值及較高的抗拉強度，殘余抗拉強度隨干密度的增大而增大。這與較高干密度下壓實土孔隙度較低，孔徑分布較窄，土顆粒排列較為緊密的事實是一致的。

1.1 g/cm3； 1.2 g/cm3； 1.4 g/cm3。圖7 抗拉強度擬合曲線Fig.7 Fitting curves of tensile strength

4 結(jié)束語

1)持水性曲線分為三個階段，干密度越大的土樣，其進氣值越高，持水能力越強。不同干密度土樣在低吸力階段持水性差距較大，在高吸力階段曲線差距較小。

2)全飽和度范圍抗拉強度具有兩個峰值，左側(cè)峰值出現(xiàn)是由于“液橋”數(shù)目增多，右側(cè)峰值出現(xiàn)是毛細壓力貢獻的結(jié)果，這與壓汞試驗壓實土樣具有“雙峰”結(jié)構(gòu)相對應(yīng)。

3)基于吸應(yīng)力概念的抗拉強度模型適用于廣吸力范圍的壓實千枚巖全風(fēng)化土，模型變化趨勢與試驗數(shù)據(jù)較為吻合。