1、第 29 卷第 11 期2023 年 11 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.11November,2023收稿日期 2023-02-28作者简介 石 卉(1987-),女,新疆乌鲁木齐人,工程师,研究方向为水利水电工程施工试验.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.11.007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)摘 要为了研究花岗岩残积土在水库水位波动条件下其抗拉强度演变
2、特征,以某水库场区花岗岩残积土为研究对象,运用室内试验方法,分析不同目标含水量、增湿与干燥过程中花岗岩残积土的抗拉强度演变特征。结果表明,不同目标含水量条件下花岗岩残积土的抗拉强度,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幂指数关系,下降阶段具有二次函数关系。在增湿过程中,花岗岩残积土的抗拉强度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;在干燥过程中,花岗岩残积土的抗拉强度表现为先增加后稳定再降低的规律,在高含水量阶段具有幂指数关系,在低含水量阶段具有线性关系。关键词花岗岩残积土;增湿过程;干燥过程;抗拉强度;室内试验;演变规律中图
3、分类号 TU432 文献标识码 A 文章编号 1006-7175(2023)11-0030-040 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
4、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
5、,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03石 卉: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第 11 期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9-1
6、0。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。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含水量 w/%抗拉强度 t/kPa含水量 w/%抗拉强度 t/kPa63.002221.4183.502419.00104.702610.66127.41288.06149.35306.981611.38326.301813.96346.182017.50366.02
7、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 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 w22%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)。t=0.1421w1.5919(1)t=0.1351w2-8.9518w+15
8、3.66(2)式中:t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。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线
9、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)。t=0.774e0.1261w(3)t=-0.6953w+26.264(4)表 2 增湿过程中花岗岩残积土的抗拉强度测试结果含水量 w/%抗拉强度 t/kPa含水量 w/%抗拉强度 t/kPa6.001.6721.7812.158.411.7722.1611.2410.632.6225.039.0011.514.4427.457.0012.694.7332.794.0117.355.9832.093
10、.6118.607.7931.353.2319.699.3035.892.00图 2 增湿过程中花岗岩残积土的抗拉强度变化特征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。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w16%时),花岗岩
11、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 t=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 w10%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)。t=5190.4e-0.224w(5)t=3.9073w2+46.373(6)表 3 干燥过程中花岗岩残积土的抗拉强度测试结果含水量 w/%抗拉强度
12、 t/kPa含水量 w/%抗拉强度 t/kPa5.5071.9320.4635.837.6574.8320.4538.2810.0790.2122.9423.2510.6897.0825.8215.4811.8597.1129.514.1416.4497.4629.085.8916.8653.1328.877.1118.5956.0736.000.5723石 卉: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第 11 期图 3 干燥过程中花岗岩残积土的抗拉强度变化特征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
13、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
14、低含水量阶段具有线性关系。参考文献1 汤连生,王昊,孙银磊,等.干湿过程中花岗岩残积土抗拉强度变化研究J.岩土力学,2022,43(7):1749-1760.2 简文彬,胡海瑞,罗阳华,等.干湿循环下花岗岩残积土强度衰减试验研究J.工程地质学报,2017,25(3):592-597.3 安然,孔令伟,黎澄生,等.炎热多雨气候下花岗岩残积土的强度衰减与微结构损伤规律J.岩石力学与工程学报,2020,39(9):1902-1911.4 孙银磊,汤连生.化学成分对花岗岩残积土抗拉张力学特性的影响J.中山大学学报(自然科学版),2018,57(3):7-13.5 王鹏,陈宇,陈小洋,等.花岗岩热损伤抗
15、拉强度和声发射特征试验研究J.中国测试,2022,48(11):145-153.6 孙强,张泰丽,伍剑波,等.浙南花岗岩残积土物质结构及工程地质特性研究J.地质论评,2020(S1):163-166.7 王瑶,吴胜兴,周继凯,等.花岗岩动态轴向拉伸力学性能试验研究J.岩石力学与工程学报,2010,29(11):2328-2336.8 张涛,蔚立元,鞠明和,等.基于 PFC3D-GBM 的晶体-单元体尺寸比对花岗岩动态拉伸特性影响分析J.岩石力学与工程学报,2022,41(3):11-18.9 张睿,赵程,幸金权,等.基于平节理模型的花岗岩固有微裂纹对裂纹演化影响分析J.岩石力学与工程学报,2021,40(9):1857-1867.10 周小文,罗兴财.全风化花岗岩与花岗岩残积土的判别及物理力学性质对比J.长江科学院院报,2022,39(4):1-7.编辑部版权声明为扩大本刊及作者知识信息交流渠道,加强知识信息推广力度,本刊已许可中国知网、万方数据、维普资讯、超星域出版及其系列数据库产品中,以数字化方式复制、汇编、发行、信息网络传播本刊全文。该著作权使用费及相关稿酬,本刊均用作为作者文章发表、出版、推广交流(含信息网络)以及赠送样刊之用途,即不再另行向作者支付。凡作者向本刊提交文章发表之行为即视为同意我社上述声明。水利科技与经济编辑部33