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        新近系砂質(zhì)黏土導(dǎo)電特性研究

        2020-02-06 10:28:28楊銘斐宋錦虎王希斌袁延召
        關(guān)鍵詞:壓密原狀土樣

        楊銘斐,宋錦虎,王希斌,袁延召

        (1.河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院,河南 平頂山市 467036;2.中國(guó)平煤神馬集團(tuán)鐵路運(yùn)輸處,河南 平頂山市 467000)

        新近系的沉積層屬于巖石-土的過(guò)渡性巖土體,即“半成巖”。它的性質(zhì)復(fù)雜多變,是一類容易產(chǎn)生工程地質(zhì)問(wèn)題的巖土體[1-2]。深部工程活動(dòng)中,會(huì)對(duì)此類巖土體產(chǎn)生擾動(dòng)破壞,其變形破壞過(guò)程存在多種物理力學(xué)指標(biāo)響應(yīng)。其中,電阻率的變化是一項(xiàng)重要參數(shù)。研究荷載作用下新近系砂質(zhì)黏土樣的電阻率變化規(guī)律,有助于通過(guò)電阻率這一物理指標(biāo)對(duì)工程中巖土體變形破壞階段進(jìn)行判別。

        為獲取巖土體在工程活動(dòng)中電阻率的變化特征,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)巖土體的電阻率特征進(jìn)行了一系列研究。王恩元[3]對(duì)受載煤體的全應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程電阻率變化規(guī)律進(jìn)行了測(cè)試,通過(guò)對(duì)采掘空間煤體電阻率進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),可將電阻率變化規(guī)律作為前兆信息,對(duì)煤巖變形災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè);饒平平[4]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)出膨脹土與紅黏土在不同溫度、含水量條件下的電阻率變化情況,得出土體的電阻率變化存在臨界值的結(jié)論;查甫生、劉松玉等[5-7]通過(guò)合肥膨脹土吸水膨脹試驗(yàn)以及膨脹過(guò)程中的同步電阻率測(cè)試,得出該方法具有連續(xù)性、快捷性與測(cè)試簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),可有效應(yīng)用于土的微結(jié)構(gòu)變化定量研究;蔣建平、閻長(zhǎng)虹等[8]通過(guò)室內(nèi)電阻率試驗(yàn)和土工試驗(yàn),對(duì)長(zhǎng)江下游蘇州-南通長(zhǎng)江公路大橋地基中深厚軟土電阻率特征及其與物理力學(xué)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了研究;付偉、汪稔等[9-10]為了研究青藏鐵路路基在荷載作用下的力學(xué)行為,探索新型手段快速準(zhǔn)確地估計(jì)凍土的單軸抗壓強(qiáng)度參數(shù),在室內(nèi)進(jìn)行了不同溫度的凍土單軸壓縮試驗(yàn),并全過(guò)程監(jiān)測(cè)土樣電阻率的變化,得到了凍土的應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率全過(guò)程曲線。

        上述文獻(xiàn)對(duì)于巖土體電阻率的研究大多是靜態(tài)的特定工程土樣或室內(nèi)重塑土樣,通過(guò)電阻變化反應(yīng)巖土體變形、破壞等結(jié)構(gòu)變化特征在方法上、理論上都較少。而工程活動(dòng)中巖土體常常處于動(dòng)態(tài)環(huán)境中,尤其是深部地下工程活動(dòng),對(duì)其宏觀破壞失穩(wěn)的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)往往是工程安全的關(guān)鍵。本文通過(guò)自建電阻率測(cè)試系統(tǒng),測(cè)試分析新近系“半成巖”沉積層砂質(zhì)黏土原狀土樣在應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程中電阻率的變化規(guī)律及突變點(diǎn)的響應(yīng)機(jī)制,總結(jié)受荷作用下原狀土樣破壞不同階段對(duì)應(yīng)的電阻率變化規(guī)律,為通過(guò)電阻率監(jiān)測(cè)并反映工程活動(dòng)中此類土失穩(wěn)破壞規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

        實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由連續(xù)加載裝置、變形采集元件和電阻率測(cè)試系統(tǒng)三部分組成,如圖1所示。通過(guò)WES-D1000型電液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)控制和監(jiān)測(cè)應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程,采用SYSCAL-R2直流電法儀和改進(jìn)電極記錄試樣的導(dǎo)電性變化過(guò)程。

        圖1 無(wú)側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn)電阻率測(cè)試裝置

        1.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

        土中的水與土顆粒接觸形成固-液導(dǎo)電通道,孔隙水形成孔隙水導(dǎo)電通道,這兩種方式都是土體導(dǎo)電的主要方式和途徑,因此土的含水量大小很大程度上主導(dǎo)了土的導(dǎo)電性能。通過(guò)制備黏粒含量30%(300目膨潤(rùn)土)、擊實(shí)次數(shù)N=20、含水率w分別為6%、7.5%、9%、10.5%、12%、13.5%、15%的7組標(biāo)準(zhǔn)重塑土樣,通過(guò)電阻率測(cè)試可繪制ρ-ω曲線,如圖2所示。

        圖2 靜態(tài)電阻率測(cè)試和重塑土樣ρ-ω曲線

        實(shí)驗(yàn)所需土樣取自泉店煤礦場(chǎng)地,取3組不同埋深的砂質(zhì)黏土原狀土樣,拆封后使用巖樣切割機(jī)切割成設(shè)計(jì)長(zhǎng)度,用紗布磨平兩端,使試樣端面光滑、平整,保證受壓時(shí)接觸良好。土樣制成后立即密封放入保濕缸中備用。3組土樣的各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1。

        表1 土樣參數(shù)

        3組原狀土樣含水量不同,靜態(tài)電阻率測(cè)試的電阻率大小也不同。通過(guò)連續(xù)測(cè)試原狀土樣受荷破壞過(guò)程,在原含水條件下分析總結(jié)土樣電阻率變化與破壞階段的對(duì)應(yīng)關(guān)系,是實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 導(dǎo)電性-應(yīng)變關(guān)系

        3組取自不同埋深砂質(zhì)黏土試樣的電阻率-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可知,3組砂質(zhì)黏土樣的電阻率隨土樣軸向應(yīng)變?cè)龃笳w呈上升趨勢(shì)。

        具體過(guò)程可分為三個(gè)階段:土樣處于壓密、彈性階段,此時(shí)土體結(jié)構(gòu)未破壞,孔隙中氣體受擠壓被排出,電阻率降低;土樣開(kāi)始進(jìn)入塑性變形階段,土樣表面出現(xiàn)裂隙,結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,與此對(duì)應(yīng),該階段電阻率開(kāi)始增大,導(dǎo)電性降低;土樣進(jìn)入屈服階段,試樣表面出現(xiàn)裂隙,結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,該階段電阻率升高,導(dǎo)電性下降。其中,N3號(hào)土樣ρ-ε曲線在應(yīng)變達(dá)到1%時(shí)電阻率升高,但隨后電阻率又再次減小,由于N3號(hào)土樣前期整體未進(jìn)入屈服階段前,局部發(fā)生了短暫的塑性變形,因此ρ-ε曲線表現(xiàn)為曲折上升狀態(tài)。

        圖3 電阻率-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線

        2.2 荷載作用下電阻率特征曲線變化規(guī)律分析

        該土樣無(wú)側(cè)限單軸受壓過(guò)程可劃分為三個(gè)變形階段:壓密階段、彈-塑性變形階段、屈服階段。三個(gè)階段中,原狀土樣結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化,節(jié)理裂隙可能會(huì)張開(kāi)、閉合、彎曲 、截?cái)?、連通等,使導(dǎo)電通路發(fā)生變化,從而轉(zhuǎn)化為電阻率的變化,由此可建立應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系,如圖4所示。

        圖4 應(yīng)力、應(yīng)變與電阻率關(guān)系曲線

        (1)壓密階段OA,土樣的變形以壓密為主。原狀土樣內(nèi)部原始發(fā)育的微裂隙、微孔隙在持續(xù)的壓力作用下發(fā)生閉合。此階段內(nèi)電阻率的變化與土樣的壓密程度和初始含水量有關(guān)。3組土樣OA段電阻率隨土樣壓密程度的增大呈降低趨勢(shì),并最終達(dá)到最小電阻率T1。

        (2)彈性-塑性變形階段AC,即初始破壞階段,前期的持續(xù)壓密和彈性變形后期會(huì)出現(xiàn)小規(guī)模的裂隙,電阻率開(kāi)始增大,但基本不破壞土樣的結(jié)構(gòu),此階段電阻率整體較為平穩(wěn)。N3號(hào)、N1號(hào)土樣AC段電阻率都無(wú)較大變化,T1點(diǎn)后,T2點(diǎn)出現(xiàn)前電阻率小幅度升高主要由于破壞裂隙初現(xiàn)。N2土樣電阻率在T1點(diǎn)后陡升,主要是因?yàn)橥翗雍枯^低,在未出現(xiàn)主裂隙面和未達(dá)到強(qiáng)度峰值前,土樣表面即發(fā)生較為嚴(yán)重的破裂、掉塊現(xiàn)象。

        (3)屈服階段CD,隨著微小裂隙的進(jìn)一步發(fā)展,微裂隙的相互作用增強(qiáng)以致最終貫通,形成一條貫穿土樣的主裂隙,體積增大。該階段土樣變形急劇加速,若破裂位置含水量較高,能夠形成裂隙水連通通道則電阻率陡降;若未發(fā)生水連通則導(dǎo)電性因孔隙氣體的隔斷而不良,電阻率陡升。本次試驗(yàn)N1、N2、N3號(hào)土樣均表現(xiàn)為電阻率陡升,對(duì)應(yīng)突變點(diǎn)為T2,此時(shí)土樣主裂隙、屈服點(diǎn)出現(xiàn),因此該階段電阻率的陡升與土體的裂隙發(fā)展和擴(kuò)容現(xiàn)象關(guān)系密切,若利用電阻率陡變點(diǎn)判斷屈服點(diǎn),具有一定的可行性[11-13]。

        根據(jù)討論分析可知,在應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程中土樣的電阻率變化存在兩個(gè)突變點(diǎn),分別為T1、T2。T1點(diǎn)為電阻率值的最低點(diǎn),此時(shí)土體壓密到最大程度,原有的微裂隙、微孔隙閉合,且土樣未發(fā)生任何破壞,T1點(diǎn)后土樣進(jìn)入彈-塑性變形階段,開(kāi)始出現(xiàn)小的裂隙,并逐漸擴(kuò)展,電阻率上升,但土樣并未完全破壞,主裂隙面未形成;T2點(diǎn)電阻率再次上升,土樣達(dá)到峰值強(qiáng)度,主裂隙面形成。

        2.3 變形破壞過(guò)程中裂隙發(fā)育與電阻率關(guān)系

        土樣達(dá)到強(qiáng)度峰值后裂隙持續(xù)發(fā)育最終形成一條傾斜貫穿整體的主裂隙,主裂隙附近伴生許多小微裂隙,土樣裂隙體積V顯著增大,土樣橫向膨脹,電阻率陡升。試樣受壓破壞后形成的貫穿裂隙見(jiàn)圖5、圖6。

        在土樣壓縮變形的初期壓密階段OA,土樣內(nèi)部微孔隙閉合,如圖6(a)所示;彈性-塑性變形階段AC,出現(xiàn)小規(guī)模破裂,并伴隨土樣頂端受壓面局部破碎掉渣,如圖6(b)所示;屈服階段CD,裂隙進(jìn)一步發(fā)展,方向與最大主應(yīng)力作用面有一定夾角,且貫通土樣,如圖6(c)所示。

        根據(jù)應(yīng)變、電阻率關(guān)系曲線可以劃分土樣變形破壞的各個(gè)階段,如圖7所示。

        圖5 三組土樣主裂隙發(fā)育圖

        圖6 土樣變形破壞模式

        圖7 裂隙發(fā)育階段-電阻率關(guān)系

        3 結(jié)論

        通過(guò)無(wú)側(cè)限單軸受壓過(guò)程試驗(yàn),測(cè)試了新近系砂質(zhì)黏土受壓作用下變形破壞過(guò)程的電阻率變化特點(diǎn),建立了荷載作用下應(yīng)力-應(yīng)變-電阻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系,結(jié)論如下:

        (1)原狀土無(wú)側(cè)限單軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程中,ρ-ε曲線具有階段性,應(yīng)變?cè)龃蟪跗陔娮杪首兓^小,并主要表現(xiàn)為稍降趨勢(shì);應(yīng)變?cè)龃笾泻笃陔娮杪首兓^大,主要表現(xiàn)為上升趨勢(shì),并在土樣進(jìn)入屈服階段后陡升。

        (2)由3組原狀土樣應(yīng)力-應(yīng)變與電阻率關(guān)系曲線可知,電阻率的變化和土樣壓縮階段有對(duì)應(yīng)關(guān)系。壓密階段OA,電阻率呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),但變化不大;彈性-塑性變形階段AC電阻率整體較為平穩(wěn);屈服階段CD電阻率的陡升,對(duì)應(yīng)突變點(diǎn)為T1、T2,T1為電阻率最低點(diǎn),預(yù)示壓密階段結(jié)束,T2為屈服點(diǎn),預(yù)示到達(dá)峰值強(qiáng)度及破裂面形成。

        (3)根據(jù)原狀土樣變形破壞特征繪制了變形破壞模式圖,并建立了裂隙發(fā)育階段-電阻率對(duì)應(yīng)關(guān)系,為工程活動(dòng)中土體破壞階段的監(jiān)測(cè)判別提供依據(jù)。利用受擾動(dòng)土體的這一物理參數(shù)的變化對(duì)土體失穩(wěn)破壞進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)。

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