黏土Ⅰ型断裂韧度影响因素试验

邱珍锋，王俊杰，胡骏峰

(1．重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074;2．重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074)

高土石坝蓄水过程可能发生心墙水力劈裂现象，水力劈裂是水库初次蓄水过程中导致大坝渗漏、内部侵蚀、坝体破坏的重要原因［1-2］。由于水力劈裂过程本质是裂隙扩展的过程，研究者发现借鉴断裂力学的分析方法来研究心墙水力劈裂问题是合适的。从断裂力学的角度，水力劈裂的问题首先要对土体的断裂特性进行研究。水库初次蓄水使心墙裂隙充水，同时，水也渗入到心墙料中，心墙裂隙应力强度因子与裂隙所受的正应力、切应力、渗流力、水压力以及裂隙距坝顶高度等有关。以Ⅰ型断裂为例，当心墙裂隙应力强度因子KI大于试验测得的断裂韧度KIC时，即认为裂隙扩展。

黏土断裂韧度KIC的测试方法主要是三点弯曲试验。在标准的三点弯曲试验中，土梁自重对试验结果和计算结果存在不可忽视的影响。Chandler等［3-7］为了降低土梁自重对测试结果的影响，对试验仪器进行了改进。王俊杰等［8-10］把标准三点弯曲试验试样绕底部长边向前旋转90°，加载方向随之变为水平方向，荷载方向与土梁重力方向垂直，从而巧妙地消除土梁自重对裂隙向土梁厚度、长度方向扩展的影响，改进后的三点弯曲试验可以比较好的消除土梁自重的影响，且试验操作方便。

KIC是评价土体抗断裂能力的指标，当然也是影响黏土坡抗滑能力的重要指标。影响黏土KIC的因素众多，其中，试样的干密度、含水率、物质组成、几何尺寸、裂缝深度等是主要的影响因素。当应力强度因子KI达到断裂韧度KIC时，认为土体即将开裂。本为采用王俊杰等［8-10］提出的方法对重庆地区侏罗系地层中的黏土岩风化形成的高塑限红黏土料进行了室内Ⅰ型断裂韧度试验，研究了黏土试样的干密度、含水率对Ⅰ型断裂韧度KIC的影响规律。

1 断裂韧度测试改进方法

1．1 试验方法与步骤

裂隙在土梁中的真实扩展方向是三维的，试验中发现裂隙扩展面沿土梁宽度方向凹凸形状基本一致(图1(a))，认为向宽度方向的扩展可假定为是平行于重力方向，验证了王俊杰等［8-10］提出的方法的合理性，该方法适用于黏土Ⅰ型断裂韧度测试。但受限于经费，当时的仪器精度并不是非常高，试验中采用手动加载，并采用百分表进行位移监测，人工读数，荷载精度为0.01 N［8-10］。根据三点弯曲试验原理，采用新技术对试验仪器进行改进，改进后的仪器由2个距离可调节的底边支座、1个加载杆、加载系统、数据采集系统组成。改进后的加载系统由高精度的应变加载系统和应力加载控制系统组成，荷载精度提高到0.001N;改进后的数据采集系统可对试验过程中的荷载和位移等进行实时采集;试样座底部改用万向滚轮支撑，可随试样的变形在水平面内自由移动，基本消除了试样底部的摩擦力。试验加载方法如图1(b)所示。

图1 试验加载

试验仪器改进后需对试验步骤作相应的调整，调整后的试验步骤可分为5步:①将土样三等分装入制样仪中，分层击实;②用切土锯切出所需深度的裂缝;③将试样取出，横放在2个有多个万向轮的垫板上，并让加荷杆与试样完全接触;④在试样两端贴上电极片，启动Ⅰ型土体断裂加载测试程序;⑤启动推力装置，直至试样破坏，同时，记录从开始施力到试样破坏过程中荷重传感器和位移传感器采集到的荷载和位移数据。

1．2 试样制备

试验土料为重庆地区侏罗系地层中的黏土岩风化形成的高塑限红黏土料。所用土料颗粒相对体积质量 Gs=2.74，塑性指数18.4，液限39.5%，塑限21.1%，最大干密度为1.75 g/cm3，最优含水率为20.0%。试验前，采用了粒度分析仪对黏土料进行了级配分析，颗粒级配曲线如图2所示。将土样装入制样仪中分层击实，用切土锯切出一定深度的裂缝备用。

图2 试验土料级配

2 试验结果分析

2．1 试验方案

为了探究干密度和含水率对黏土断裂韧度影响，分别设计了不同干密度与含水率的8组试验，每组试验均进行3个平行试验。试验方案如表1和表2所示。表中含水率为制样含水率，即制样时所控制的含水率，在试验过程中含水率可能会有所变化。

表1 干密度试验方案

表2 含水率试验方案

2．2 断裂韧度的计算

据标准三点弯曲试验的原理，试样土体的断裂韧度可按下式进行计算:

式中:P为裂缝扩展临界荷载;a为预制裂隙深度;B为试样厚度;W为试样宽度;S为两支座间距。

本试验中试样长L=24cm，W=10cm，B=5cm，S=18 cm，a=2 cm。

2．3 土体干密度对其KIC的影响

为研究土体干密度对其KIC的影响，进行了相同含水率(20.0%)、不同干密度的试样断裂试验。试验中所监测到的典型试样荷载-位移关系曲线如图3所示。

图3 不同土体干密度的荷载-位移关系

由图3可知，在荷载峰值点之前，每个试样荷载均随着位移的增长而增大，基本为线性增长趋势;达到峰值荷载之后，荷载随位移的增大迅速减小，大致呈线性递减趋势。可认为该黏土的断裂特性表现出线弹性特性，峰值点即是裂隙扩展所需的最大荷载，可用该峰值荷载计算该试样的KIC。

采用式(1)对不同干密度试样的断裂韧度进行计算，结果如图4所示。由图4可知，KIC随着土体干密度的增大而增大。制备不同干密度的试样所需要的击实功不同，干密度大的试样所需的击实次数也更多。土石坝中的黏土心墙的抗水力劈裂性能可运用该规律，增加碾压次数或采用重型碾压设备对黏土心墙进行碾压，提高黏土心墙的密度可增大其KIC，从而提高其抗水力劈裂的能力。黏土边坡的治理也可运用该规律，黏土边坡一般的破坏模式是拉裂型［11-13］，可以适当夯实边坡上边缘的可能拉裂区来增强其抗拉裂性能，以防黏土边坡拉裂破坏。

图4 试样干密度对其KIC的影响

2．4 土体含水率对其KIC的影响

土石坝黏土心墙的施工过程中，每层虚铺黏土层的含水率可能不同，而相同碾压强度下不同含水率黏土的碾压密实度不同，因此黏土含水率会影响碾压后黏土心墙的断裂韧度，即抗水力劈裂的能力，有必要研究含水率对黏土的断裂韧度的影响。结合三点弯曲试验，对相同干密度下的5种不同含水率试样进行了断裂韧度测试，试验中所监测到的典型试样荷载-位移曲线图5所示。

图5 不同土体含水率的荷载-位移关系

由图5可知，每个试验的荷载-位移曲线均存在明显的峰值点，取该峰值点作为断裂韧度的计算荷载，可计算出每个试样的断裂韧度KIC，结果如图6所示。由图6可知，前段试样的KIC随着试样含水率的增大而增大，当试样中的含水率增大到一定值后，KIC随着含水率的增大而减小，说明存在一个使黏土KIC值最大的含水率且与最优含水率相同。土石坝黏土心墙施工时，保证黏土在最优含水率进行碾压，可使黏土心墙具有较好的抗水力劈裂性能。

图6 土体含水率对其KIC的影响

3 结论

a．黏土的KIC值随着土体干密度的增大而增大，土石坝中的黏土心墙施工时，可增加碾压次数或采用重型碾压设备碾压，以增大心墙密度及其KIC，从而提高其抗水力劈裂的能力;黏土KIC随着其含水率的增大先增大后减小，存在一个使其KIC值最大的含水率。

b．在黏土含水率相同的情况下，土体KIC值随击实功的增大而增大;在相同击实功、不同含水率情况下，KIC值随含水率的增大先增大后减小;存在一个最优含水率，此时黏土的KIC值最大。水利工程施工时，可按照最优含水率进行填筑，以提高其抗水力劈裂能力。

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