花岗岩残积土在增湿与干燥过程中的抗拉强度演变规律研究

石 卉

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,乌鲁木齐 830000)

0 引 言

在水利工程和道路工程中,控制填筑岩土材料的裂缝是确保结构使用性能和安全的重要前提,裂缝的产生与土体的抗拉强度具有十分密切的关系[1-2]。因为大多数工程中的土体破坏是由剪切、鼓胀和拉张综合作用导致的,拉张甚至可以成为主导破坏的诱因。我国华南地区广泛分布的花岗岩残积土,其风化作用的影响导致土体显示出黏土与砂粒混合土的特性,在受到降雨或地下水的作用时,频繁的饱和与干燥过程极易使土体结构之间产生拉张裂缝,水库工程中极易为水体提供渗透通道,造成管涌、渗漏等病害[3-4]。因此,研究花岗岩残积土在增湿过程或者干燥过程的抗拉强度演变特性具有十分重要的实际意义。

1 工程概况

某水库是一座以灌溉为主、兼有防洪等综合效益利用的水库,为当地经济发展和农业增产增效起到重要的作用。水库枢纽工程由大坝、导流-冲砂-放空管、取水管、生态放水管及相应附属建筑等组成。大坝为泄洪与挡水建筑物融为一体的砌石混凝土重力坝,分为主坝和副坝两部分。

坝址区工程地质花岗岩属于硬脆性材料,完全风化后的花岗岩残积土呈红褐色,经过室内试验得到的天然密度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%,塑性指数31.4,孔隙比0.79,压缩模量3.92MPa,黏聚力33.9kPa,内摩擦角22.3°。

采用标准贯入试验测试统计表明,最大标贯击数为45击,最小标贯击数39击,平均标贯击数42击,标贯击数标准差1.80,变异系数0.04。

2 目标含水量的花岗岩残积土抗拉强度试验

在场区的花岗岩残积土原状取样,并在室内试验中经过碾压、过筛、烘干、目标含水量配置以及压实筒中制作试样,试样尺寸直径24mm,高度90mm,呈圆柱形[5-8]。采用WDW-10E微型机控制电子万能试验机进行直接拉伸试验,试验拉伸速度设置为0.1mm/min,缓慢张拉至试样出现断裂[9-10]。

为了研究不同天然含水量条件下花岗岩残积土的抗拉强度,采用室内试验方法,在烘干的花岗岩残积土中加入蒸馏水,搅拌均匀并放入内直径为24mm的容器内击实,制作成16种不同目标含水量的试样,试样的目标含水量w为6%～36%,增量为2%。测试结果见表1和图1。

图1 不同目标含水量条件下花岗岩残积土的抗拉强度变化特征

表1 不同目标含水量条件下花岗岩残积土的抗拉强度测试结果

从图1可以看出,不同目标含水量条件下花岗岩残积土的抗拉强度分成明显的两段,整体上表现为先增加后降低的规律,在增加段的抗拉强度增速小于降低段的抗拉减小速率。在低含水量(含水量w<22%时),花岗岩残积土的抗拉强度随着含水量的增加而呈非线性增加,越接近抗拉强度峰值,抗拉强度增速越大,其抗拉强度与含水量的拟合关系呈幂指数关系,确定系数R2=0.9898,见式(1)。在目标含水量为w=22%时,达到抗拉强度峰值σt=21.41kPa。在高含水量(含水量w>22%时),花岗岩残积土的抗拉强度随着含水量的增加而呈非线性降低,并逐步趋于收敛,最大目标含水量(w=36%时)对应的抗拉强度是最小目标含水量(w=6%时)对应的抗拉强度的2倍,降低段花岗岩残积土抗拉强度与含水量的拟合关系呈二次函数关系,确定系数R2=0.9609,见式(2)。

σt=0.1421w1.5919

(1)

σt=0.1351w2-8.9518w+153.66

(2)

式中:σt为抗拉强度,kPa;w为花岗岩残积土的目标含水量,%。

3 增湿过程花岗岩残积土的抗拉强度试验

为了研究花岗岩残积土在天然状态下的增湿过程,在目标含水量为6%的花岗岩残积土试样表面喷射等同目标含水量的蒸馏水量(其余15个目标含水量),模拟天然状态下花岗岩残积土受地下水或天然降水的渗入过程,并在抗拉试验后,测试试验中部土样的实际含水量。花岗岩残积土增湿过程的抗拉强度试验结果见表2和图2。

图2 增湿过程中花岗岩残积土的抗拉强度变化特征

表2 增湿过程中花岗岩残积土的抗拉强度测试结果

从图2可以看出,增湿过程中花岗岩残积土的抗拉强度分成明显的两段,整体上表现为先增加后降低的规律。在低含水量(含水量w<22%时),花岗岩残积土的抗拉强度随着含水量的增加而呈非线性增加,越接近抗拉强度峰值,抗拉强度增速越大,其抗拉强度与含水量的拟合关系呈幂指数关系,确定系数R2=0.9680,见式(3)。在含水量为w=21.78%时,达到抗拉强度峰值σt=12.15kPa,是目标含水量(w=22%时)抗拉强度值的56.7%。在高含水量(含水量w>22%时),花岗岩残积土的抗拉强度随着含水量的增加而呈线性降低,最大含水量(w=35.89%时)对应的抗拉强度与最小含水量(w=6%时)对应的抗拉强度相近,降低段花岗岩残积土抗拉强度与含水量的拟合关系呈线性关系,确定系数R2=0.9627,见式(4)。

σt=0.774e0.1261w

(3)

σt=-0.6953w+26.264

(4)

4 干燥过程花岗岩残积土的抗拉强度试验

为了研究花岗岩残积土在天然状态下的干燥过程,将目标含水量为36%的花岗岩残积土稀泥浆饱和试样,在自然风干状态下达到其余15个目标含水量,模拟天然状态下花岗岩残积土的自然干燥过程,并在抗拉试验后,测试试验中部土样的实际含水量。花岗岩残积土干燥过程的抗拉强度试验结果见表3和图3。

图3 干燥过程中花岗岩残积土的抗拉强度变化特征

表3 干燥过程中花岗岩残积土的抗拉强度测试结果

从图3可以看出,干燥过程中花岗岩残积土的抗拉强度分成明显的3段,整体上表现为先增加后稳定再降低的规律。在高含水量(含水量w>16%时),花岗岩残积土的抗拉强度随着含水量的减小而呈非线性增加,越接近抗拉强度峰值,抗拉强度增速越大,其抗拉强度与含水量的拟合关系呈指数关系,确定系数R2=0.9326,见式(5)。在含水量为w=16.44%时,达到抗拉强度峰值σt=97.46kPa。在含水量为10.07%～16.44%范围内,花岗岩残积土的抗拉强度约为96.269。在低含水量(含水量w<10%时),花岗岩残积土的抗拉强度随着含水量的增加而呈线性降低,确定系数R2=0.8480,见式(6)。

σt=5190.4e-0.224w

(5)

σt=3.9073w2+46.373

(6)

5 结 论

本文以花岗岩残积土为研究对象,运用室内试验的方法,分析了不同目标含水量、增湿与干燥过程中花岗岩残积土的抗拉强度演变特征。结论如下:

1)不同目标含水量条件下花岗岩残积土的抗拉强度分成明显的两段,整体上表现为先增加后降低的规律,增加段的抗拉强度增速小于降低段的抗拉减小速率;增加阶段抗拉强度与含水量具有幂指数关系,下降阶段具有二次函数关系。

2)在增湿过程中花岗岩残积土的抗拉强度分成明显的两段,整体上表现为先增加后降低的规律;增加阶段抗拉强度与含水量具有指数关系,下降阶段具有线性关系。

3)在干燥过程中花岗岩残积土的抗拉强度分成明显的3段,整体上表现为先增加后稳定再降低的规律。抗拉强度与含水量在高含水量阶段具有幂指数关系;在含水量为10.07%～16.44%范围内,花岗岩残积土的抗拉强度约为96.269;在低含水量阶段具有线性关系。