干湿循环作用下红砂岩堆石料力学性能研究

彭 成,谢阳发,李安然,钟启明

(1.南华大学 土木工程学院,湖南 衡阳 421001;2.水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室,江苏 南京 210000)

0 引 言

我国已建和在建的近百座百米级以上高土石坝大多位于西部地区，由于西部水电大开发和南水北调西线工程的开展，还将要兴建一大批高土石坝。随着土石坝技术的不断发展，拟建土石坝坝高越来越高，如何因地制宜地采用坝址区附近的堆石料已成为筑坝需要普遍考虑的问题。压缩后的土石混合料具备较高的强度、较小的变形以及良好的渗透性等优点，在高土石坝、高填方路基等工程建设中得到广泛应用。在土石坝与路基建造等工程建设中，由于地下水位上升渗入到土体引起土体的湿化变形及其造成的附加危害越来越受到岩土界的重视。

目前国内外许多学者对堆石料等软质岩的崩解性、软化性、强度衰减等力学性能进行了大量相关研究，并取得了一定的成果。通过对干湿循环后试样开展三轴试验，并引入本构模型，建立了一系列本构关系[1-6]。同时通过电镜扫描等技术，探究干湿循环作用下试样劣化机理，验证了微裂隙的扩展延伸是试样劣化的主要原因[7-9]。为了更全面了解干湿循环作用下碎石土的力学性能，采用试验模拟相结合的方法进一步研究了碎石土的力学性能变化规律[10-12]。固化剂、粉煤灰和石灰等改良剂通过形成胶结物质，极大地改良了干湿循环作用下堆石料的力学性能[13-16]。

综上所述，对于以变形控制为主的土石坝，反映实际环境变化条件下的红砂岩与红黏土为主的堆石料反复浸水湿化压缩以及湿化变形规律鲜有报道。为此，针对西南部湿润多雨的气候以及山地丘陵地形条件，开展不同干湿循环条件下红砂岩堆石料的三轴压缩试验，研究其湿化变形特性、刚度衰减规律和干湿劣化机理，以便为红砂岩与红黏土为主的土石坝设计、施工及安全运用提供参考依据。

1 干湿循环作用下堆石料三轴试验

1.1 试样制备

本试验采用材料主要为红黏土和红砂岩碎石，如图1所示。红黏土与红砂岩均取自岳阳市华容县沙河水库库区，土样最大粒径为48 mm,含石量为60%左右，对最大颗粒采用缩尺进行试验。根据土/石阈值定义，以2 mm作为土粒和碎石的粒径界限。将原状红砂岩捣碎，过2 mm筛，试验主要取2 mm以上的红砂岩碎石与红黏土按照最新土工试验方法标准(GB/T 50123—2019)制成标准试样(D=39.1 mm,H=80 mm)，红砂岩碎石含量为60%，试样及土石颗粒级配曲线如图2～图3所示。

图1 试验材料

图2 试样图片

图3 试样中红砂岩颗粒级配

1.2 试验仪器

利用TSZ全自动三轴仪开展室内三轴试验(见图4)。

图4 TSZ全自动三轴仪

TSZ全自动三轴仪主要由主机、压力室和控制台组成。开展三轴试验时，用橡胶膜包裹试样，固定在压力室中并注满水，然后对土样施加固定的围压和反压，之后工作台以一定的速率上升，直至土样破坏。试验中， 对土样施加的围压和反压，是以水为介质，由主机设定力值，通过传感器反馈控制电动调压筒调压，量力环量测对土样施加的轴向力。 孔隙水压力通过压阻式传感器跟踪测量，数字自动显示在主机面板上，土样受压后的轴向变形量由百分表测量，通过轴向变形来确定应力变化。

1.3 试验方案

本试验主要研究不同干湿循环次数下红砂岩堆石料的力学性能。共15个试样，分为5个小组，每组3个试样，每组分别进行0、2、4、6和8次不同循环次数的干湿循环试验，之后分别在100、200和300 kPa不同围压下进行不固结不排水三轴试验(见表1)。

表1 三轴试验分组设计表

1.4 试验步骤

1)制样：根据级配曲线，称取适量红砂岩碎石与土样，分3层放入三轴制样器击实，制成标准试样(D=39.1 mm，H=80 mm)，红砂岩碎石含量为60%。

2)干湿循环：将5组试样分别进行0、2、4、6和8次干湿循环，在60 ℃下烘干12 h和真空饱和12 h为一次干湿循环。

3)剪切：将干湿循环后的试样进行三轴压缩试验，控制轴向应变为20%，剪切速率为0.8 mm/s,围压设为100、200和300 kPa。

2 试验结果分析

2.1 应力-应变分析

应力-应变关系曲线可以反映土体的变形和强度特性。堆石料试样在不同围压和不同干湿循环作用次数下的应力-应变曲线如图5～图6所示。在不同围压和不同干湿循环次数下，试样的应力-应变曲线变化趋势基本保持一致，整体呈现出明显的应变软化。相同围压下，随着干湿循环次数增大，试样峰值应力逐渐减小；同一干湿循环次数时，围压越大，试样峰值应力越大。试样的应力-应变曲线可大致分为三个阶段。

图5 不同围压下偏应力与轴应变关系曲线

图6 不同干湿循环次数下偏应力与轴应变关系曲线

1) 弹性阶段：该阶段主要发生在0%～2%应变之间。此时试样内部结构均匀完整，颗粒紧密接触，并且试样所受剪力较小，还不足以破坏试样内部结构，引起颗粒滑移与错动，变形以弹性变形为主。当应变增大时，应力迅速增加，呈现出一条直线形式。

2) 破坏阶段：随着试样受到剪切力越来越大，颗粒之间的接触力不足以克服剪切力，此时试样颗粒之间有发生错动的趋势。最终当剪切力大于颗粒之间的相互作用力时，试样发生错动，遭到破坏，此时应力-应变曲线达到峰值。

3) 残余强度阶段：当剪切力超过抗剪强度时，颗粒会发生相对滑移与错动，但试样内部颗粒之间的摩擦力会变大，因此试样依然能够承担较大的剪切力，即残余强度。随着应变的增大，应力逐渐减小，直至减小到与残余强度相同，此时，应力-应变曲线趋于平缓。

2.2 破坏强度

不同干湿循环次数下红砂岩堆石料试样的破坏强度取应力-应变曲线的峰值点。不同围压下试样破坏强度与干湿循环次数关系曲线如图7所示。

图7 不同围压不同干湿次数下破坏强度

干湿循环次数越多，试样的内部结构破坏越大，结构均匀完整性越差，颗粒间咬合力越小，越容易被克服，导致试样破坏强度越小。因此在相同围压下，随着干湿循环次数增多，破坏强度逐渐减小；而围压越大，试样被挤压得越密实，颗粒之间相互作用力就越大，发生错动就越困难，破坏强度就越大。因此相同干湿循环次数下，围压越大，破坏强度越大。

对试样的破坏强度与干湿循环次数进行非线性拟合，得到不同围压下试样破坏强度与干湿循环次数的函数变化关系，如式(1)所示。

(1)

式中：σb为试样破坏强度；n为干湿循环数。

由拟合函数可知，随着干湿循环次数的增加，试样破坏强度的降幅逐渐减小，干湿循环作用对试样的破坏效应逐渐降低，当n到达一定值时，试样内部微裂隙扩展延伸到一定程度，干湿循环作用对试样的破坏累积程度不再增大。

参数a、t、m及相关系数R2的值详见表1所示。

表2 参数a、t、k及R2取值

2.3 抗剪强度指标

莫尔-库仑准则是应用最广泛的土体抗剪强度理论，黏聚力和内摩擦角可以用来表征抗剪强度。

2.3.1 黏聚力

黏聚力反映了土壤颗粒之间的各种物理化学力，包括库仑力、范德华力和弯曲力，量值取决于颗粒之间分子引力的强弱。随着干湿循环次数的增加，试样内部结构完整性下降和颗粒破碎程度增加，颗粒之间的相互作用力降低，导致黏聚力下降，依次减幅约6.78%。黏聚力与干湿循环次数关系曲线如图8所示。

图8 不同干湿循环次数下的黏聚力

对黏聚力与干湿循环次数关系进行线性拟合，相关系数为0.980，得到函数关系式如式(2)所示。

c=-8.53n+129.64

(2)

式中：c为黏聚力，n为试样的干湿循环次数。

由拟合函数可知，随着干湿循环次数的增加，黏聚力降幅稳定。黏聚力由原始黏聚力和固化黏聚力构成，在干湿循环作用下，土颗粒间胶结物质遭到持续性破坏，原始黏聚力降低，而微裂隙的扩展延伸，导致颗粒间接触面积减少，固化黏聚力降低。

2.3.2 内摩擦角

土的内摩擦角反映土的摩擦阻力，包括土颗粒之间产生相互滑动时产生的滑动摩擦，以及由于土颗粒物脱离咬合状态而移动所产生的咬合摩擦，内摩擦角与摩擦阻力成正相关关系。

μ=μ滑动+μ咬合

(3)

式中：μ为摩擦阻力，μ滑动为滑动摩擦，μ咬合为咬合摩擦。

随着干湿循环次数的增加，试样的内部结构逐渐破坏，发生滑移错动时受到的μ滑动和μ咬合均减小，因此μ亦减小，所以红砂岩堆石料试样内摩擦角随干湿循环次数的增加而降低。由36.2 °减小到30.8 °， 减小幅度约为15%。红砂岩堆石料试样的内摩擦角与干湿循环次数关系曲线如图9所示。

图9 不同干湿循环次数下的内摩擦角

对试样内摩擦角与干湿循环次数进行非线性拟合，相关性系数为0.983，得到内摩擦角与干湿次数的函数变量关系如式(4)所示。

(4)

式中：φ为试样的内摩擦角，n为试样干湿循环次数，b取6.11，t0取4.07，m1取30.00。

由拟合函数可知，试样内摩擦角降幅随干湿循环次数的增加而降低。由于水的浸滤作用，试样大颗粒减少，小颗粒增加，咬合摩擦降低，当到达一定程度时，颗粒粒径保持稳定，内摩擦角几乎保持不变。

3 结 论

以红砂岩堆石料为研究对象，开展干湿循环试验与常规三轴压缩试验(UU)，并分析了红砂岩堆石料在干湿循环作用下的力学性能，探寻了干湿循环作用引起红砂岩堆石料强度衰减过程的内在机理，主要研究结果如下：

1)在不同干湿循环次数作用下红砂岩堆石料试样的应力-应变曲线变化规律基本一致，整体呈现出明显的应变软化。随着应变的增加，应力逐渐增大，达到峰值后缓慢减小，最后趋于稳定。应力-应变曲线分为弹性阶段、破坏阶段和残余强度阶段。

2)相同干湿循环次数下，试样破坏强度随围压增加而逐渐增大；相同围压，破坏强度随干湿循环作用次数增加而逐渐降低，破坏强度与干湿循环次数呈现指数关系。

3)当干湿循环次数增加时，试样抗剪强度指标黏聚力逐渐减小，从125.9 kPa降低至62.3 kPa，黏聚力降幅约50%，且黏聚力与干湿循环次数之间成负线性关系；与之相似，另一抗剪强度指标内摩擦角随干湿循环次数的增加而逐渐减小，但降低幅度不大，降幅为15%左右，与干湿循环次数呈现指数关系。