何麗梅

(西南交通大學(xué),四川成都 610031)

全風(fēng)化花崗巖的固結(jié)排水三軸試驗(yàn)研究

何麗梅

(西南交通大學(xué),四川成都 610031)

通過對(duì)海東線全風(fēng)化花崗巖原裝試樣的排水常規(guī)三軸試驗(yàn),分析了該類土樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系特點(diǎn),計(jì)算并探討了抗剪強(qiáng)度值及其隨應(yīng)變發(fā)展的變化規(guī)律,以及初始切線彈性模量的大小及其與圍壓的關(guān)系。

全風(fēng)化花崗巖; 三軸試驗(yàn); 應(yīng)力-應(yīng)變曲線; 抗剪強(qiáng)度

巖石受氣候、礦物、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、裂隙和生物諸因素影響,會(huì)發(fā)生物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化。然而,不同巖石在不同因素組合下所表現(xiàn)出的風(fēng)化程度會(huì)有很大的差異,從而造成其工程性質(zhì)上的差異。全風(fēng)化花崗巖是花崗巖體在多種風(fēng)化作用下形成的產(chǎn)物,與原巖相比,其礦物成分已發(fā)生了本質(zhì)改變,但多保留在原位并具有它的原始性狀,其中不易風(fēng)化的石英顆粒更是如此。所以,全風(fēng)化花崗巖仍保持其原巖粒狀結(jié)構(gòu),具有相當(dāng)高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,外表看起來很像巖石。

1 試驗(yàn)研究

1.1 土樣的物理力學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)用土取自海東線施工現(xiàn)場,分別在斷面DK 67+640和 DK 108+927處取原狀土樣。土樣以全風(fēng)化花崗巖為主,結(jié)構(gòu)比較疏松,孔隙一般比較發(fā)育。土樣的主要物理指標(biāo)如下:

1.2 試驗(yàn)方案[4]

(1)試樣制備。原狀土,對(duì)其削樣,試樣標(biāo)準(zhǔn)尺寸 39.9 ×80mm,并測定試樣含水量和密度。土樣較硬的情況下可在上下兩端各墊入約 1 cm厚的粘土塊,便于針的刺入。在削樣完成后,使用游標(biāo)卡尺精確測量試樣直徑與高度,并據(jù)此計(jì)算試樣的體積,密度等。同時(shí)采用烘干法測記試樣含水量。

(2)試樣飽和。試樣的飽和采用水頭飽和法。將試樣安裝在壓力室內(nèi),施加 20 kPa的周圍壓力,提高試樣底部量管水位、降低試樣頂部量管的水位,使量管水位差至少為 1m,打開所有閥門,使純水從底部進(jìn)入試樣,從頂部溢出,直至流入水量和溢出水量相等為止。

(3)試樣固結(jié)。在土樣飽和后,將圍壓調(diào)至試驗(yàn)規(guī)定值,本試驗(yàn)屬于固結(jié)排水試驗(yàn),為加速土樣固結(jié),采用打開上下閥門雙面排水的方法,按排水量與時(shí)間的關(guān)系來確定主固結(jié)完成時(shí)間。當(dāng)排水固結(jié)完成后,應(yīng)測記排水量以修正土體固結(jié)后的面積和高度。

(4)試驗(yàn)加載。排水閥、排氣閥打開,施加圍壓,圍壓根據(jù)原狀土樣的深度不同而取值有所不同;施加荷載,加載速率為0.015mm/min。

(5)試樣拆除。試驗(yàn)完成后,放水,去掉壓力室,取出試樣;測量試樣外形,進(jìn)行試樣破壞情況描述。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

三軸試驗(yàn)測得的軸向應(yīng)力 σ1-σ3與軸向應(yīng)變 εa的關(guān)系曲線呈現(xiàn)兩種特征:軟化和硬化。在軟化特征曲線中,當(dāng)軸向應(yīng)變?cè)黾拥?20%左右時(shí),試樣達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),此時(shí)的強(qiáng)度稱為殘余強(qiáng)度。此時(shí),軸向荷載、孔隙水壓力和體積均不再隨軸向應(yīng)變的增加而變化。工程中,一般采用峰值強(qiáng)度,但如果土體在歷史上受過反復(fù)剪切作用,應(yīng)變積累較大,應(yīng)考慮殘余強(qiáng)度。出現(xiàn)硬化特征的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系通常取(σ1-σ3)-εa曲線的應(yīng)變達(dá)到 15%～20%時(shí)的應(yīng)力作為土樣的抗剪強(qiáng)度值。圖1所示為DK108+927斷面 10m處試樣在不同圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。試驗(yàn)結(jié)果顯示,在一定密度的情況下,隨著圍壓的增大,花崗巖試樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線有從軟化特征轉(zhuǎn)變?yōu)橛不卣鞯内厔輀3]。

2.2 抗剪強(qiáng)度 c、φ值計(jì)算

根據(jù)摩爾 -庫侖準(zhǔn)則,確定c、φ。由結(jié)果可知,φ值結(jié)果均一性較好,而c值則較為離散。由已有的研究成果來看,從巖石成分方面分析,φ值與顆粒成分及石英與長石總含量2個(gè)指標(biāo)呈線性關(guān)系[2]:

式中:W1為大于0.5mm顆粒含量;W2為石英與長石總含量,相關(guān)系數(shù) R=0.835。而黏聚力與巖土成分的關(guān)系則較為復(fù)雜且無規(guī)律性。這是造成 φ值結(jié)果均一性較好,c較為離散的可能原因之一。

圖 1 主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線

2.3 強(qiáng)度指標(biāo)與應(yīng)變的關(guān)系

如圖 2所示[2],σ′1、σ″1、σ1分別為不同圍壓 σ′3、σ″3、σ3下對(duì)應(yīng)于軸向應(yīng)變(εi)所發(fā)揮出來的抗剪強(qiáng)度,可根據(jù)莫爾-庫倫強(qiáng)度理論求得。根據(jù)上述方法[2],圖 3為DK 108 +927斷面 10m深度處的土樣發(fā)揮出來的強(qiáng)度指標(biāo) c、φ與應(yīng)變的關(guān)系。由此圖可以看出,c值隨著應(yīng)變的增加而迅速增加,在應(yīng)變較小的時(shí)候達(dá)到最大值,之后隨著應(yīng)變的繼續(xù)增大而減小,并有降低到 0的可能。而φ值則隨著應(yīng)變的增加而緩慢增加,在應(yīng)變較大時(shí)也未出現(xiàn)最大值。這與已有的試驗(yàn)結(jié)論一致。

圖2 不同圍壓下的σ-ε關(guān)系

計(jì)算結(jié)果表明,c值達(dá)到最大值所需應(yīng)變?yōu)?4.39%～6.76%,φ值達(dá)到最大值所需應(yīng)變?yōu)?15.05%～16.03%。而在試驗(yàn)中是以應(yīng)力差出現(xiàn)最大值作為破壞點(diǎn)來計(jì)算抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的。由應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線可知,應(yīng)力差出現(xiàn)最大值時(shí),所需應(yīng)變?yōu)?8.11%～9.23%。由此圖可知,抗剪強(qiáng)度指標(biāo) c、φ值在應(yīng)變的發(fā)展過程中的變化是不同步的,黏聚力發(fā)展較快,在應(yīng)變達(dá)到 5%左右即達(dá)到最大值,之后降低。摩擦角發(fā)展較緩慢,在應(yīng)變 16%左右才達(dá)到最大值,之后呈緩慢下降趨勢。計(jì)算中土體的抗剪強(qiáng)度是以應(yīng)力差的峰值求強(qiáng)度指標(biāo)的,實(shí)際上是以 c和 φ的一個(gè)最佳組合來表示的,此時(shí)的φ值呈穩(wěn)定而緩慢的增長狀態(tài),c值卻處于快速下降的過程。這說明內(nèi)摩擦角在全風(fēng)化花崗巖的強(qiáng)度中占的比重更大;同時(shí)也說明了為什么試驗(yàn)結(jié)果的c值離散性大的另一個(gè)原因,這是因?yàn)?c值在達(dá)到最大值以后以較快的速率降低,并有可能降低到 0,相對(duì)于實(shí)際計(jì)算強(qiáng)度時(shí)所選取的應(yīng)變,對(duì)c值的發(fā)揮而言,并不是處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài),而是具有很大的偶然性。

圖3 DK 108+927樣品的c、φ與應(yīng)變的關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)通過對(duì)全風(fēng)化花崗巖原狀試樣的固結(jié)排水三軸壓縮試驗(yàn),觀察到了其應(yīng)變軟化和應(yīng)變硬化特征。隨著圍壓的增大,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系由應(yīng)變軟化逐漸轉(zhuǎn)化為應(yīng)變硬化。

(2)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)φ值結(jié)果均一性較好,而 c值則較為離散。除了因?yàn)閮?nèi)摩擦角同顆粒成分特征值及石英和長石總含量 2個(gè)指標(biāo)有較好的相關(guān)性,而黏聚力與顆粒成分等因素相關(guān)性較差外,還與兩者在三軸壓縮變形過程中的發(fā)揮程度不同步有關(guān)。

[1] 翟陽,羅錦添,李焯芬.不排水條件下飽和全風(fēng)化花崗巖填土的工程性能[J].煙臺(tái)大學(xué)學(xué)報(bào),2002,15(1)

[2] 趙建軍,王思敬,尚彥軍,等.全風(fēng)化花崗巖抗剪強(qiáng)度影響因素分析[J].巖土力學(xué),2005,26(4)

[3] 王成華,李廣信.土體應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系轉(zhuǎn)型問題分析[J].巖土力學(xué),2004,25(8)

[4] 南京水利科學(xué)研究院土工研究所.土工試驗(yàn)技術(shù)手冊(cè)[M].人民交通出版社,2003

[5] 錢家歡,殷宗澤.土工原理與計(jì)算(第 2版)[M].中國水利水電出版社,2003

TU411.7

A

2010-01-21

何麗梅,女,道路與鐵道工程專業(yè)碩士研究生。