山西晋中马兰黄土劈裂特性及抗拉强度研究

2021-01-21吕东东李彦荣赵金贵

河南理工大学学报(自然科学版) 2021年2期

吕东东，李彦荣,赵金贵

(太原理工大学矿业工程学院，山西太原 030024)

0 引言

天然斜坡、人工开挖或填筑的边坡、地基土体破坏模式极为复杂，是拉裂和剪切破坏共同作用的结果[1]。土体抗拉强度远小于抗剪强度，但它控制着裂缝发育，尤其是黄土边坡后缘的张拉裂隙、采空区或抽水造成的地裂缝、填方路基开裂和土石坝的水力劈裂等[2]。拉裂破坏常先于剪切破坏发生，受到降雨侵蚀、风化后会进一步减弱土体的抗剪强度，从而加剧边坡、填方路基等地质体失稳或破坏。土体抗拉强度不仅受到含水率、干密度、液塑限、基质吸力和黏聚力等物理指标的影响，而且试验方法、试样尺寸及加载速率等试验条件也是关键影响因素[1]。已有研究表明，黄土的抗拉强度源于粒间黏结、胶结和吸附作用，试样的直接拉伸破坏被认为是脆性破坏，且含水率越大、干密度越小时，越容易发生[2]。土体发生直接拉伸破坏时，荷载变化与微观结构响应之间存在规律，可根据应力-应变曲线类型判断试样的变形和力学特征[3]。

土体抗拉强度测试方法分为直接拉伸法和间接法，间接法包括径向压裂法(巴西劈裂试验)、轴向压裂法、水力劈裂法、离心法等[1]。直接拉伸法理论简单明晰，但现有试验条件难以规避除均布拉应力外的其他影响，如偏心荷载造成的弯矩、微小扭矩等[4]。基于巴西劈裂试验的岩石拉伸破坏机制和本构模型的发展已颇为成熟，此外该方法可操作性更强，试验结果更稳定，已被广泛应用于岩石的抗拉强度测定中。在对干燥黄土进行巴西劈裂试验时，试样的塑性变形极小，可忽略不计，因此可满足巴西劈裂测试抗拉强度的基本假设[5]，即试样中心的压拉应力比为3。相比其他方法，对试样制备和试验条件要求更低，更具有实用意义，但该方法在黄土中的可靠性有待进一步检验。

黄土巴西劈裂试验时，不同类型的破坏可能对试验结果造成影响，如出现非直线型裂纹，这种破坏对试验结果造成的影响尚无从得知。基于此，本文分析不同干密度的试样破坏阶段和破坏特征出现的规律，并验证巴西劈裂在干燥黄土中应用的有效性。

1 试样制备与试验过程

试样取自山西省某黄土地区，采用6 m深的马兰黄土，呈浅灰黄色，孔隙清晰可见，粒径级配较好，以粉粒为主，易碎，基本物理参数见表1。

表1 土样基本物理参数

为确定巴西劈裂试验所测抗拉强度的可靠性，采用直接拉伸试验进行对比分析。巴西劈裂试验和直接拉伸试验所用试样包括原状与重塑试样，试样尺寸[6]及试验方案设计见表2。利用线切割机制备原状试样。采用静压法制备8组不同干密度的重塑试样(干密度分别为1.27，1.38，1.43，1.51，1.61，1.72，1.82，1.93 g/cm3)，每组3个。由于山西马兰黄土的最优含水率为12%～15%，因而采用含水率为12%的过筛土制备不同干密度的重塑试样[7]。在直接拉伸试样中部切削一个半径5 mm的半圆状凹槽，使试样破坏发生在凹槽中，保证破裂面与荷载方向垂直。

巴西劈裂试验加载条件(如垫条与试样接触面积的大小)对试验结果具有重要影响[8]。岩石试验中常见的加载方式有平板加载、弧形加载和三角垫条[9]，产生塑性变形时，平板加载和弧形加载容易造成较大体积的剪切破坏[10]，所以选择带有三角加载垫条的巴西劈裂辅具[11](图1)，与常见的圆钢垫条作用效果类似。垫条末端为1 mm宽的条带，下辅具侧壁有助于使垫条与试样端面垂直。

表2 试验方案

进行巴西劈裂试验时，将劈裂辅具安装于万能试验机上，使三角垫条与试样接触，为避免加载过程中辅具侧壁对试样产生作用力，在试样两侧与辅具侧壁接触部位加塞一些纸片。移动上部加载垫条，直至与试样刚好接触，抽出两侧薄纸片，使试样只与上下加载垫条接触。采用等位移速率(0.1 mm/min)对试样加载。试验结束后，描述和拍照记录试样的破坏形态。

图1 巴西劈裂辅具和直接拉伸套筒

根据式(1)计算试样的抗拉强度[6],

σt=2 000P/(πdh),

(1)

式中：σt为抗拉强度,kPa；P为试样断裂时的荷载,N;d为试样直径，mm；h为试样高度，mm。

进行直接拉伸试验时，用直接拉伸套筒固定直接拉伸试样两端，留出试样中部凹槽。将套筒与试样固定在万能试验机上，对套筒施加拉伸荷载，通过套筒与试样之间的摩擦力传递荷载，直至试样发生破坏。

2 黄土劈裂破坏特征及抗拉强度

2.1 试样破坏形态

根据破坏试样端面上的裂纹迹线，试样破坏类型可分为直线型、弧线型、错断型和复合型破坏(图2)。直线型破坏是裂纹迹线沿施加荷载方向展布；弧线型破坏呈“U”形或“S”形，裂纹偏离荷载方向，与加载方向角度最大为25 °；错断型破坏，裂纹以多段直线为主，裂纹走向存在大角度偏离，与加载基线倾斜角度最大超过45 °；复合型破坏即试样两端面形成不同类型的裂纹。

图2 巴西劈裂试样的破坏形态

如图3所示，原状试样破坏类型以直线型和弧线型为主，占90%以上。重塑试样为直线型和弧线型破坏，无错断型和复合型破坏出现。图4中，错断型和复合型破坏的试样平均干密度略小于直线型和弧线型破坏。直线型与弧线型抗拉强度均值差异较小(约为直线型的3.2%)，而错断型和复合型破坏强度分别比直线型小31.9%～25.5%。

图3 巴西劈裂不同破坏形态的试样占比

图4 不同破坏形态的原状试样平均干密度与平均抗拉强度

理论上巴西劈裂试验中，试样最大拉应力应位于荷载方向的直径所在截面，直线型破坏更能满足巴西劈裂试验的基本假设，得到的抗拉强度结果也更能反映原位土体的抗拉强度，为标准破坏类型。出现非直线型破坏的试样抗拉强度值偏低，尤其出现错断型和复合型破坏时，试样的抗拉强度值与直线型破坏抗拉强度值相差较大。试样本身缺陷导致破坏裂纹明显偏离荷载方向直径，存在较多的剪切破坏，因此，本文不对这两类破坏的试样进行抗拉强度和变形特性分析。

在同一破坏类型下，原状试样的断面粗糙度明显大于重塑试样的断面粗糙度，甚至可见直径达1 mm的大孔隙(图5)。由于原状黄土具明显的簇聚结构，即原状黄土竖直方向上的颗粒排列紧密，碳酸盐、黏土与可溶盐等胶结物质使黄土颗粒间形成稳定的力链，组成强结构单元。稳定力链之间形成以竖向分布为主的大孔径孤立孔隙和竖向裂隙，这些组成土体的弱结构单元[12]。原状黄土均匀性较差，在重塑过程中，土颗粒重新组合，排列相对均匀，孤立大孔隙和竖向裂隙消失，形成均质结构[13]。当存在远离破坏面的缺陷时，裂纹容易沿缺陷发展，最终产生非直线型破坏。因此试样的均匀性越差，越容易出现与加载方向偏离较大的裂纹。

图5 原状与重塑试样断裂面

2.2 变形特性

巴西劈裂试验是对试样施加压力，使试样发生拉裂破坏。该过程中，土样内部会先后或同时发生压密、弹性变形和塑性变形，压密和弹性变形属于蓄能阶段；塑性变形阶段试样开始发生微破坏，属于应变能释放阶段[14]。由于试样劈裂处的应变难以测试，故采用荷载和竖向变形结合分析的方法间接表征试样受力变形特性。

如图6所示，不同干密度重塑黄土的荷载-竖向变形曲线(实线)均在峰值附近发生错断式下降，表现为脆性破坏。荷载增加速率增加时，试样以压密和弹性变形为主，荷载增加速率减小时，试样以塑性破坏为主。本文将荷载增加速率峰值点定义为损伤点，将荷载-竖向变形曲线分为3个阶段：第一阶段为压密阶段，位于损伤点之前的上凹段曲线，在竖向荷载下，试样内部孔隙被压密，紧接着为短暂的弹性变形；第二阶段为破坏阶段，位于损伤点之后和峰值之前的上凸段，此时与荷载方向小角度相交的微裂隙开始扩展和发展[15]，潜在裂纹区域的结构发生破坏，随着微裂隙连通，在达到峰值荷载时出现肉眼可见的宏观破裂面；第三阶段为破坏后阶段(峰值后)，压力瞬间跌落，接近0。

图6 不同干密度重塑试样的荷载-竖向变形曲线和荷载增加速率变化曲线

图6中，黄土干密度对损伤点的荷载和竖向变形有显著影响。随着干密度增大，损伤点和峰值点对应的荷载逐渐增大，对应的竖向变形先增大后减小。

2.3 抗拉强度特性

如图7所示，巴西劈裂试验中，原状试样的干密度为1.29～1.51 g/cm3，抗拉强度为25.78～61.03 kPa，抗拉强度与干密度呈正相关关系。相同干密度情况下，直接拉伸试验所测抗拉强度明显大于巴西劈裂试验的测量值，且直接拉伸试验的测量值相对巴西劈裂而言离散性更大。

图7 不同方法测得原状试样抗拉强度与干密度的关系

前人研究表明，在较小的干密度区间内，重塑土抗拉强度随干密度增加程度不明显，呈线性递增[16]。但在干密度区间扩大时(1.27～1.92 g/cm3)，二者关系呈现出明显的指数递增趋势(图8)。

图8 巴西劈裂不同干密度重塑试样的抗拉强度和竖向变形

巴西劈裂试验间接测试抗拉强度的方法，为确保巴西劈裂试验的实际性和有效性，需进一步分析巴西劈裂抗拉强度与直接拉伸抗拉强度之间的关系。原状试样不均匀性较强，为减小原状试样不均匀性的影响，仅对重塑试样进行分析。如图9所示，相同干密度情况下，巴西劈裂抗拉强度小于直接拉伸抗拉强度，但二者线性相关，且抗拉强度越小，二者所得结果越接近。因此，根据巴西劈裂试验测试干燥黄土的抗拉强度是有效的，可根据偏小的巴西劈裂抗拉强度值对黄土边坡稳定性进行分析。