含裂隙膨胀土无侧限抗压强度特征试验研究

2022-07-15李关洋

水文地质工程地质 2022年4期

李关洋，顾凯，王翔，施斌

（南京大学地球科学与工程学院, 江苏南京 210023）

自然界的土体中常发育裂隙，裂隙会显著影响土体的工程性质。一方面，裂隙会破坏土体的完整性，在土体中产生软弱区，导致土体强度的降低和压缩性的增加[1-3]；另一方面，裂隙可以为入渗提供优先路径[4]，降低土体有效应力，诱导土体破坏[5-7]。膨胀土富含蒙脱石等强亲水性黏土矿物，具有“吸水膨胀，失水收缩”的特性[8-9]。在气候因素影响下，膨胀土经历反复胀缩，导致裂隙大量生成，土体结构被破坏[10]。徐彬等[11]指出，裂隙发展状态下膨胀土的强度在数值上仅接近其残余强度。因此，研究含裂隙膨胀土的强度特征具有重要意义。

近年来，众多学者研究了裂隙网络的发育规律。袁俊平等[12]指出，裂隙网络量度指标是评价含裂隙土体工程性质的重要参考依据。一般采用一整套与裂隙网络几何形态特征密切相关的量度指标体系来评价土体裂隙发育程度[13]，并且有专门的裂隙网络定量分析系统[14]。但目前的研究多是集中在裂隙发育特性与机理解释上[15-18]，裂隙与土体强度特征的关系研究较少，且多是规律性认识，缺少定量描述与机制分析[19-22]。此外，模拟自然条件下产生的裂隙有很大的随机性，即在相同的实验条件下，裂隙网络的量度指标不尽相同，不具有可复制性；即使在相同的裂隙参数下，裂隙形态及其组合形式也不尽相同，这些因素对强度的影响在研究中无法被考虑。因此，亟需一种可重复的裂隙网络制作方法，进一步研究特定裂隙形态及其组合对土体强度特征的影响。

在岩体研究中，预制裂隙是常见的样品处理方法，从而能够定量研究岩体裂隙对其力学性质的影响。也有学者将预制裂隙方法应用到土体的研究中，程龙虎等[23]在标准圆柱试样上切割不同倾角的贯通裂隙，并用较高含水率的黄土进行填充，通过无侧限抗压试验探究裂隙倾角对裂隙性黄土的破坏模式与强度特性的影响。而对于膨胀土，其强度特征受裂隙控制，膨胀土边坡失稳呈现出与一般黏性土不同的浅层性失稳特征[5,9]。因此，相比于贯通裂隙，研究膨胀土表面裂隙更为合理。

本文采用一种标准化预制裂隙方法制备特定裂隙形态的膨胀土试样，研究了含裂隙膨胀土的强度特征，并探讨了其产生机制与发展规律，以期为相应的裂隙土体工程设计与施工提供指导。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.2 制样与试验方法

将现场取回的原状膨胀土粉碎过2 mm筛，并烘干。按初始含水率20.8%，将一定质量的水与干土充分混合后，置于密封袋中保存24 h，分层压实，按干密度1.71 g/cm3制成直径50 mm、高100 mm的圆柱试样。用保鲜膜包裹试样并置于养护箱中保存24 h，保持温度20℃、湿度≥95%。

试样养护完成后，利用台锯制备特定形态的裂隙。通过调节刀片超出台面的高度控制裂隙深度，通过更换不同宽度刀片控制裂隙宽度，刀片两侧与之平行的卡槽用于控制裂隙分布并固定试样，将试样沿刀片方向匀速推切或旋转即可制备规则裂隙。为便于研究裂隙方向、条数、深度、宽度的影响，设计垂直于受力方向的环向裂隙（Cpe）和平行于受力方向的纵向裂隙（Cpa），预制裂隙深度3，6 mm共2种，宽度1，2 mm共2种，条数1～4共4种（图1）。包括无裂隙对照组（CTR）在内，每种裂隙形态制定3个平行样。编号方式为：宽度W（1，2 mm）深度D（3，6 mm）方向L/C（纵向/环向）条数（1～4）-组别（1～3），如W1D3C1-1。

图1 预制裂隙形态示意图Fig.1 Schematic diagram of the crack morphology

利用无侧限抗压仪确定含裂隙膨胀土无侧限抗压强度，设备加载速率1 mm/min，进行至轴向应变为12%。加载后，每隔30 s拍照记录试样破坏过程，试验装置见图2。

图2 试验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of the test apparatus

2 含裂隙膨胀土的无侧限抗压破坏特征

无侧限条件下特定裂隙形态膨胀土试样典型破坏特征见表1。由表1可见，裂隙方向显著影响试样破坏模式，Cpe越宽，破坏模式由剪切-拉伸破坏向张拉破坏转变。这是由于最大主应力方向与裂隙垂直，裂隙处临空面处于受拉状态，当拉应力大于抗拉强度时裂纹起裂，预制裂隙闭合前，次生裂纹持续受拉沿垂向扩展，裂隙宽度通过控制闭合快慢而影响拉裂纹发育程度。宽度较小时（W1D6C2-1），裂纹随着预制裂隙闭合转为斜向扩展，试样破坏时仍有明显的剪切面；宽度较大时（W2D3C2-1），拉应力作用显著，破坏时裂纹明显向两侧张开，表面土体外掀。Cpa条数越多，破坏模式由剪切破坏向鼓胀破坏转变。这是由于预制裂隙限制了裂纹扩展路径，即破坏被“约束”在试样内部。条数较少时（W2D3L1-1），裂隙对试样破坏影响较小，仍以剪切破坏为主；条数较多时（W2D6L4-1），试样侧向鼓胀，无明显剪切破坏面。

表1 不同裂隙形态试样破坏过程及特征描述Table 1 Description of the failure process and characteristics of the samples with different crack morphologies

相比于无裂隙试样剪切面突然出现，Cpe相当于最大主应力方向的临空面，为裂纹发育提供了让位空间，试样破坏过程伴随裂纹发育，可通过裂纹判断试样所处破坏阶段及可能的破坏模式，试样塑性增强。

3 含裂隙膨胀土无侧限抗压应力-应变分析

3.1 含与受力方向垂直裂隙试样应力-应变曲线特征

裂隙形态对无侧限抗压下膨胀土试样的应力-应变关系有着显著的影响，图3为几组典型的应力-应变曲线。由图3可见，含Cpe试样的应力-应变曲线整体呈应变软化型。试样压缩过程大致分为4个阶段。弹性压密段（OA）：在应力加载初期，试样处于线弹性变形阶段，应力随应变增加线性上升；塑性压密段（AB、BC）：随着裂隙形态的不同，此阶段可出现不同的应力路径；裂纹扩展段（CD）：峰值强度qu后，应力随应变增加缓慢下降，具有塑性破坏特征；裂纹贯通段（DE）：应力下降斜率逐渐减小，直至趋于稳定，出现残余强度τr。与无裂隙试样相比，Cpe主要在AB、BC段产生影响，而OA、CD、DE段则无明显差异。这是由于应力加载初期（OA），土体未开裂部分单独提供强度，Cpe影响尚未显现；裂纹扩展、贯通阶段（CD、DE），Cpe闭合，试样趋于“完整”，由于与无裂隙试样受力特征相似，曲线形态也相似。

诱伏，是依据敌情和地理特征，预先将兵力埋伏在敌人能进入便于我捕歼的地域，再以各种不同的作战方法，诱使敌人进入我伏击地域，再将其捕获。

进入塑性压密段（AB、BC）后，应力随应变增加的上升斜率逐渐减小并趋于稳定，此后出现3种应力路径：（1）应力稳定后，再次随应变增加近似线性上升，见图3（a）；（2）应力随应变增加缓慢下降后，再次呈线性上升，见图3（b）；（3）应力随应变增加缓慢下降后，出现一段应力稳定平台，见图3（c）。说明Cpe改变了试样受力状态，并影响qu的大小与出现位置。这是由于Cpe宽度、深度不同，裂隙闭合时间以及闭合后的强度提升也不同。

图3 Cpe特定宽度、深度下部分应力-应变曲线Fig.3 Partial stress-strain curves of Cpe with specific width and depth

为定量表征Cpe对塑性压密段试样受力的影响，图4为某典型应力-应变曲线及其微分后得到的斜率曲线，根据斜率为零处的实际破坏阶段，分别定义了初始起裂应力qic/应变εic、闭合应力qc/应变εc、扩展应力qe/应变εe。为表征裂隙闭合的强度提升，定义强度增量Δq：

图4 应力-应变曲线关键点示意图Fig.4 Schematic diagram of the key points of the stress-strain curve

结合图3可得，初始起裂应力qic由裂隙深度控制，D=3 mm时qic在480 kPa左右，D=6 mm时qic在330 kPa左右，约为D=3 mm时的2/3，说明裂隙较深时，土体未开裂部分截面积较小，提供的强度较小。相应地，裂隙闭合时提供的强度增量较大，D=3 mm时Δq在5.4%～6.5%之间，D=6 mm时Δq在11.2%～16.0%之间，约为D=3 mm时的2倍。闭合应变εc由裂隙宽度控制，裂隙越宽，εc越大，W=1 mm时εc约为0.03，W=2 mm时εc约为0.05。而不论何种曲线形态下，扩展应变εe均在0.06～0.07之间，说明Cpe闭合后影响较小。

经上述分析可知，Cpe的闭合是塑性压密段形态差异的根本原因。裂隙与最大主应力方向垂直，是众多裂隙方向的一种特殊情况，而从受力角度分析，曲线形态改变并非Cpe独有，其存在于预制裂隙在裂纹扩展阶段前发生闭合的任意裂隙方向。

3.2 含与受力方向平行裂隙试样应力-应变曲线特征

由图5可知，含Cpa试样压缩过程同样分为弹性压密、塑性压密、裂纹扩展、裂纹贯通4个阶段。与含Cpe试样不同的是，塑性压密段未受裂隙影响，表现为应力随应变增加的上升斜率逐渐减小，直至趋于稳定，曲线形态与无裂隙试样无明显差异。这是由于裂隙与最大主应力方向平行，对试样轴向变形影响不大。

图5 Cpa部分应力-应变曲线Fig.5 Partial stress-strain curves of Cpa

图5（a）中曲线呈应变硬化特征，试验结束时，仍保留峰值强度qu。图5（b）中曲线则呈应变软化特征，应力开始下降或出现残余强度τr。经统计试样破坏模式发现，应变硬化型曲线均出现在鼓胀破坏试样中，而剪切破坏试样曲线表现出明显的应变软化特征。

3.3 应力-应变曲线概化模型与定量分析

为深入研究裂隙形态对膨胀土试样应力-应变关系的影响，据试验结果建立应力-应变曲线概化模型，并将其划分为多级上升型、波动上升型、多级下降型、标准型4种（图6）。

经统计，无裂隙试样与含Cpa试样应力-应变曲线呈标准型；含Cpe试样中，曲线形态可通过裂隙宽度、深度简单判别（图6、图7），但存在不满足规律的个例。因此，提出一种反映裂隙对曲线形态与试样强度影响的量化指标A：

图6 含裂隙膨胀土应力-应变曲线模型Fig.6 Stress-strain curve model of the expansive soil with cracks

式中，a1反映了裂隙深度的影响，a2反映了裂隙宽度的影响，标准型曲线A≈1，A值与应力-应变曲线形态关系见图7。可以看出，A值具有明确的物理意义：A值越大，Cpe对曲线形态（即试样受力状态）与强度影响越明显。A＜0.5时，应力-应变曲线呈多级上升型，而强度相比于无裂隙试样无明显变化；A＞0.5时，裂隙试样强度折减明显，且曲线形态有明显差异。

图7 曲线形态量化指标Fig.7 Quantitative index of the curve shape

4 宏观力学特性分析

4.1 含裂隙膨胀土峰值强度

图8给出了峰值强度qu随裂隙方向、条数变化的情况，含裂隙试样的qu值均低于无裂隙试样。

图8 qu与裂隙方向条数关系图Fig.8 Relationship between qu and crack direction and number

含Cpa试样qu受裂隙条数影响小，集中在450～600 kPa，整体以W2D6组最高、W1D6组最低，W2D3、W1D3两组基本持平，说明宽裂隙试样qu较高，深裂隙试样qu波动较大。这是两种因素综合作用的结果，一方面，裂隙破坏了试样的完整性；另一方面，裂隙限制了剪切面的扩展路径，相当于给试样施加了侧向约束。裂隙宽度较大时（W=2 mm），裂纹不易切穿裂隙，裂隙约束作用更明显；裂隙宽度较小时（W=1 mm），裂隙内端部应力集中较强，破坏作用更明显，而深度会放大宽度的影响。因此，W2D6组试样约束作用最大，qu最高；W1D6组试样破坏作用最大，qu最低。随着裂隙条数的增加，约束与破坏作用同时增强，表现为W2D3组试样在1、2条裂隙时，qu略小于W1D3组试样，而在3、4条裂隙时，qu反而更大，这也验证了上述分析。

含Cpe试样qu随裂隙条数的增加而减小。二者具有良好的对数函数关系，其相关系数均达到0.98以上。其中W2D6组降幅达32.95%最大，W1D6组降幅24.75%，W1D3组降幅15.76%最小。说明裂隙越宽越深，qu减小越明显。这是由于裂隙条数增加，进一步破坏试样完整性，裂隙越宽、越深，加剧了轴向变形与应力集中作用，qu越小。

4.2 含裂隙膨胀土变形模量与峰值应变

变形模量E50是评价土体抵抗变形能力的重要参数，在数值上近似等于弹性压密段的割线模量。而对于含Cpe试样，塑性压密段情况复杂，原有的E50不能完整反映裂隙对土体变形的影响。因此，定义适用于含裂隙膨胀土的变形模量Ece：

Ece即为预制裂隙闭合点的割线斜率，其涵盖了Cpe集中作用阶段，综合反映了裂隙深度、宽度的影响。由图9可以看出，Ece随裂隙条数增加而降低，二者之间具有良好的对数函数关系，其相关系数均在0.89以上。另一方面，Ece与qu随裂隙条数的变化规律一致，说明含裂隙膨胀土强度与刚度之间存在紧密的内在关联。Ece较变形模量E50小，但更为符合“裂隙越发育越易变形”的实际情况，因此，Ece可以表征含裂隙膨胀土的变形特征。

图9 Cpe试样εce、Ece与裂隙条数关系图Fig.9 Relationship between εce and Ece of the Cpe samples and crack n umber

对于含Cpe试样，峰值应变ε0常因曲线形态而改变，与裂隙形态间规律不明显。因此，尝试用Ece对qu进行归一化处理，从量纲角度分析，qu/Ece可视作某种与峰值强度相关的应变εce，图9给出了εce与裂隙条数的关系，可以看出，εce稳定在0.05～0.06之间，考虑到制样与试验过程中的不确定性，可以认为εce不受裂隙形态的影响。另一方面，εce与具有明显应变软化特征的标准型曲线ε0处于同一水平，说明Cpe下qu较早出现。相比于ε0，归一化得到的εce更为普遍适用于含裂隙膨胀土。

5 对裂隙膨胀土边坡问题的启示

殷宗泽等[5]指出，膨胀土边坡失稳呈现出浅层性，这是由于裂隙开展深度一般为3～4 m，而无裂隙膨胀土强度较高难以切割，因此滑面多在此范围内开展。

实际工程中，膨胀土边坡在气候因素作用下裂隙纵横交错，本文研究细化了裂隙方向与受力方向的关系，在此基础上指出，与最大主应力方向近似垂直的裂隙可能导致膨胀土边坡浅层失稳，而平行于最大主应力方向分布的裂隙对膨胀土边坡破坏影响较小。从试验结果看，含Cpe试样破坏时，表面发育较多次生裂纹，并出现土块脱落现象，这在宏观可能表现为浅层破坏。此外，含Cpe试样峰值强度降低明显，尤其裂隙较宽、条数较多时，强度仅为无裂隙时的1/2。徐彬等[11]与刘华强等[26]基于室内直剪试验发现，抗剪强度指标随裂隙开展发生一定程度衰减，这与本文结果一致。直剪试验剪应力与裂隙面近乎垂直，与本文Cpe情况近似。而含Cpa试样破坏时表面则较为完整，且峰值强度受裂隙宽度、深度、条数影响小，接近无裂隙试样强度。

本次研究还发现，不仅是裂隙处土体强度降低，Cpe存在会产生局部应力集中，诱导内部未开裂土体破坏，降低整体强度，可能造成浅层破坏后的二次破坏。因此，实际工程中应尽量避开多条裂隙与最大主应力方向近似垂直的场地，并着重关注宽裂隙的方向、条数、分布等相关信息，有针对性的采取支护措施。