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.pdf

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9-10。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。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+153.66(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/kPa6.001.6721.7812.158.411.7722.1611.2410.632.6225.039.0011.514.4427.457.0012.694.7332.794.0117.355.9832.093.6118.607.7931.353.2319.699.3035.892.00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 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。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