全风化花岗岩的固结排水三轴试验研究

何丽梅

(西南交通大学,四川成都 610031)

全风化花岗岩的固结排水三轴试验研究

何丽梅

(西南交通大学,四川成都 610031)

通过对海东线全风化花岗岩原装试样的排水常规三轴试验,分析了该类土样的应力应变关系特点,计算并探讨了抗剪强度值及其随应变发展的变化规律,以及初始切线弹性模量的大小及其与围压的关系。

全风化花岗岩; 三轴试验; 应力-应变曲线; 抗剪强度

岩石受气候、矿物、结构构造、裂隙和生物诸因素影响,会发生物理风化、化学风化和生物风化。然而,不同岩石在不同因素组合下所表现出的风化程度会有很大的差异,从而造成其工程性质上的差异。全风化花岗岩是花岗岩体在多种风化作用下形成的产物,与原岩相比,其矿物成分已发生了本质改变,但多保留在原位并具有它的原始性状,其中不易风化的石英颗粒更是如此。所以,全风化花岗岩仍保持其原岩粒状结构,具有相当高的结构强度,外表看起来很像岩石。

1 试验研究

1.1 土样的物理力学性质

试验用土取自海东线施工现场,分别在断面DK 67+640和 DK 108+927处取原状土样。土样以全风化花岗岩为主,结构比较疏松,孔隙一般比较发育。土样的主要物理指标如下:

1.2 试验方案[4]

(1)试样制备。原状土,对其削样,试样标准尺寸 39.9 ×80mm,并测定试样含水量和密度。土样较硬的情况下可在上下两端各垫入约 1 cm厚的粘土块,便于针的刺入。在削样完成后,使用游标卡尺精确测量试样直径与高度,并据此计算试样的体积,密度等。同时采用烘干法测记试样含水量。

(2)试样饱和。试样的饱和采用水头饱和法。将试样安装在压力室内,施加 20 kPa的周围压力,提高试样底部量管水位、降低试样顶部量管的水位,使量管水位差至少为 1m,打开所有阀门,使纯水从底部进入试样,从顶部溢出,直至流入水量和溢出水量相等为止。

(3)试样固结。在土样饱和后,将围压调至试验规定值,本试验属于固结排水试验,为加速土样固结,采用打开上下阀门双面排水的方法,按排水量与时间的关系来确定主固结完成时间。当排水固结完成后,应测记排水量以修正土体固结后的面积和高度。

(4)试验加载。排水阀、排气阀打开,施加围压,围压根据原状土样的深度不同而取值有所不同;施加荷载,加载速率为0.015mm/min。

(5)试样拆除。试验完成后,放水,去掉压力室,取出试样;测量试样外形,进行试样破坏情况描述。

2 试验结果分析

2.1 应力应变曲线

三轴试验测得的轴向应力 σ1-σ3与轴向应变 εa的关系曲线呈现两种特征:软化和硬化。在软化特征曲线中,当轴向应变增加到 20%左右时,试样达到稳定状态,此时的强度称为残余强度。此时,轴向荷载、孔隙水压力和体积均不再随轴向应变的增加而变化。工程中,一般采用峰值强度,但如果土体在历史上受过反复剪切作用,应变积累较大,应考虑残余强度。出现硬化特征的应力-应变关系通常取(σ1-σ3)-εa曲线的应变达到 15%～20%时的应力作为土样的抗剪强度值。图1所示为DK108+927断面 10m处试样在不同围压下的应力应变曲线。试验结果显示,在一定密度的情况下,随着围压的增大,花岗岩试样的应力应变关系曲线有从软化特征转变为硬化特征的趋势[3]。

2.2 抗剪强度 c、φ值计算

根据摩尔 -库仑准则,确定c、φ。由结果可知,φ值结果均一性较好,而c值则较为离散。由已有的研究成果来看,从岩石成分方面分析,φ值与颗粒成分及石英与长石总含量2个指标呈线性关系[2]:

式中:W1为大于0.5mm颗粒含量;W2为石英与长石总含量,相关系数 R=0.835。而黏聚力与岩土成分的关系则较为复杂且无规律性。这是造成 φ值结果均一性较好,c较为离散的可能原因之一。

图 1 主应力差与轴向应变的关系曲线

2.3 强度指标与应变的关系

如图 2所示[2],σ′1、σ″1、σ1分别为不同围压 σ′3、σ″3、σ3下对应于轴向应变(εi)所发挥出来的抗剪强度,可根据莫尔-库伦强度理论求得。根据上述方法[2],图 3为DK 108 +927断面 10m深度处的土样发挥出来的强度指标 c、φ与应变的关系。由此图可以看出,c值随着应变的增加而迅速增加,在应变较小的时候达到最大值,之后随着应变的继续增大而减小,并有降低到 0的可能。而φ值则随着应变的增加而缓慢增加,在应变较大时也未出现最大值。这与已有的试验结论一致。

图2 不同围压下的σ-ε关系

计算结果表明,c值达到最大值所需应变为 4.39%～6.76%,φ值达到最大值所需应变为 15.05%～16.03%。而在试验中是以应力差出现最大值作为破坏点来计算抗剪强度指标的。由应力-应变关系曲线可知,应力差出现最大值时,所需应变为 8.11%～9.23%。由此图可知,抗剪强度指标 c、φ值在应变的发展过程中的变化是不同步的,黏聚力发展较快,在应变达到 5%左右即达到最大值,之后降低。摩擦角发展较缓慢,在应变 16%左右才达到最大值,之后呈缓慢下降趋势。计算中土体的抗剪强度是以应力差的峰值求强度指标的,实际上是以 c和 φ的一个最佳组合来表示的,此时的φ值呈稳定而缓慢的增长状态,c值却处于快速下降的过程。这说明内摩擦角在全风化花岗岩的强度中占的比重更大;同时也说明了为什么试验结果的c值离散性大的另一个原因,这是因为 c值在达到最大值以后以较快的速率降低,并有可能降低到 0,相对于实际计算强度时所选取的应变,对c值的发挥而言,并不是处于一个稳定的状态,而是具有很大的偶然性。

图3 DK 108+927样品的c、φ与应变的关系

3 结 论

(1)通过对全风化花岗岩原状试样的固结排水三轴压缩试验,观察到了其应变软化和应变硬化特征。随着围压的增大,应力应变关系由应变软化逐渐转化为应变硬化。

(2)抗剪强度指标φ值结果均一性较好,而 c值则较为离散。除了因为内摩擦角同颗粒成分特征值及石英和长石总含量 2个指标有较好的相关性,而黏聚力与颗粒成分等因素相关性较差外,还与两者在三轴压缩变形过程中的发挥程度不同步有关。

[1] 翟阳,罗锦添,李焯芬.不排水条件下饱和全风化花岗岩填土的工程性能[J].烟台大学学报,2002,15(1)

[2] 赵建军,王思敬,尚彦军,等.全风化花岗岩抗剪强度影响因素分析[J].岩土力学,2005,26(4)

[3] 王成华,李广信.土体应力—应变关系转型问题分析[J].岩土力学,2004,25(8)

[4] 南京水利科学研究院土工研究所.土工试验技术手册[M].人民交通出版社,2003

[5] 钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算(第 2版)[M].中国水利水电出版社,2003

TU411.7

A

2010-01-21

何丽梅,女,道路与铁道工程专业硕士研究生。