不同工況下填筑紅粘土的開裂規(guī)律研究

李廣權(quán)

(貴州路橋集團有限公司)

1 試驗方法

1.1 試樣制備

試驗所用紅粘土取自湖南某工地，按照土工試驗規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)測得相關(guān)的物理性質(zhì)指標(biāo):容重2.539，液限60%，塑性指數(shù)27，最大干密度1.82，最佳含水率17.2%，自由膨脹率32.3%，粒徑小于0.005 mm 的顆粒占44.64%，在0.005～0.075 mm 之間的顆粒占54.13%，大于0.075 mm 的顆粒占1.23%。將取回來的原狀紅粘土風(fēng)干搗碎后過0.5 mm 篩，配制成初始含水率為最佳含水率(17.2%)的土樣，密封悶料24 h，確保含水率均勻;倒入玻璃缸中，分兩份:一份土樣不作處理，另一份土樣則在中間加鋪一層窗紗，按壓實度要求分別制成壓實度為70%、75%、80%、85% 的40 cm ×40 cm×1.5 cm 紅粘土試樣。土樣尺寸是根據(jù)實際工況按比例縮小，同時考慮到筋體材料拉伸性能和透水性能，故選擇窗紗網(wǎng)代替土工格柵進(jìn)行模擬試驗。

1.2 試驗方案

為加快紅粘土試樣的脫濕速率，將玻璃缸試件水平地放入烘箱中40 ℃恒溫進(jìn)行烘干，當(dāng)質(zhì)量變化穩(wěn)定在0.5 g/h 范圍內(nèi)時停止烘干。脫濕過程結(jié)束后，采用佳能IXUS 310 HS 光學(xué)數(shù)碼相機以固定距離對紅粘土試樣進(jìn)行拍照，追蹤裂隙的動態(tài)發(fā)展情況。拍照過程中用日光燈照明，同時擋住其他一切外部光源，消除光線對拍照效果的影響，保證每次的拍攝環(huán)境一致。用氣壓噴壺對試樣模擬降雨增濕，密封悶料10 h 以上。再次進(jìn)行脫濕，如此反復(fù)干濕循環(huán)0～5 次。

2 圖像處理

運用Matlab 軟件的圖像處理功能，對紅粘土開裂試樣進(jìn)行灰度化、二值化處理，然后進(jìn)行矢量化計算得到紅粘土表面裂隙參數(shù)。

為了對試樣表面的裂隙結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行定量分析和描述，本試驗對土樣的裂隙率進(jìn)行了測量和計算，裂隙率為裂隙的面積與初始試件的總面積之比

式中:A1為裂隙的總面積，A 為試樣的總面積。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

各壓實度的無筋和加筋紅粘土試樣，經(jīng)歷相應(yīng)干濕循環(huán)次數(shù)結(jié)束后，運用Matlab 軟件處理裂隙圖像，得到的裂隙率的統(tǒng)計值分別見表1、表2。

表1 無筋紅粘土試樣各壓實度的裂隙率統(tǒng)計

表2 加筋紅粘土試樣各壓實度的裂隙率統(tǒng)計

在無筋和加筋情況下，各壓實度下紅粘土試樣的裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈上升的趨勢。無筋試樣在第0 次脫濕結(jié)束時，裂隙率都比較小，最大值為3.67%，最小值只有1.98%，加筋試樣的裂隙率最大值為1.82%，最小值為0.75%。第1 次干濕循環(huán)后，各壓實度下無筋紅粘土試樣的裂隙率分別增加了8.18%、8.03%、7.82%和7.48%，為第0次干濕循環(huán)下試樣裂隙率的2 倍以上;加筋紅粘土各壓實度下的裂隙率增加了6.78%、6.34%、6.23%、4.73%。之后的干濕循環(huán)作用對土樣裂隙率的影響比較小，增加的幅度不超過2.00%。可以看出，第1 次干濕循環(huán)作用對紅粘土裂隙率的影響最大，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土樣的裂隙率也有所提高，但是提高幅度越來越小。究其原因主要是烘干過程中土樣上下層之間的溫度差致使土樣脫濕速率不一致，形成含水率梯度。在含水率梯度的作用下，下層土體約束了上層土體收縮變形，產(chǎn)生收縮拉應(yīng)力，當(dāng)收縮拉應(yīng)力大于抗拉強度時，裂隙開始形成。隨著脫濕過程的進(jìn)行，紅粘土表面裂隙不斷發(fā)育，并最終趨于穩(wěn)定。脫濕完成后，土樣吸水飽和膨脹使之前的裂縫閉合，再次脫濕時，土體最先沿著之前的閉合裂縫開裂，同時又在含水率梯度的影響下，產(chǎn)生新裂隙。隨著干濕循環(huán)作用次數(shù)的增加，裂隙網(wǎng)絡(luò)越來越發(fā)達(dá)，土塊尺寸越來越小，水分流失速率越快，土體內(nèi)部含水率更易達(dá)到平衡狀態(tài)，形成大的含水率梯度就越難，故之后的干濕循環(huán)作用對紅粘土的各裂隙參數(shù)變化幅度很小。經(jīng)統(tǒng)計分析，無筋紅粘土試樣的裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化，與加筋紅粘土試樣有相似的規(guī)律。無筋紅粘土與加筋紅粘土試樣裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的曲線如圖1、圖2 所示。

圖1 無筋紅粘土裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

3.2 壓實度對裂隙率的影響

為更加直觀地描述紅粘土試樣的裂隙率隨壓實度的變化規(guī)律，描繪了裂隙率隨壓實度變化的曲線圖，如圖4、圖5所示。

由表1、表2、圖3 和圖4 可以看出:經(jīng)歷相同干濕循環(huán)作用次數(shù)后的無筋紅粘土試樣和加筋紅粘土試樣的裂隙率隨著壓實度的提高都相應(yīng)的減小。以第5 次循環(huán)的無筋紅粘土裂隙率為例，壓實度為70%、75%、80%、85%的土塊的裂隙率分別為11.56%、11.13%、10.58%、9.75%，壓實度增加10%，裂隙率減小了1.38%。表明了提高紅粘土的壓實度，可有效地抑制土樣的開裂。究其原因，紅粘土試樣裂隙的發(fā)展主要是由于土體的膨脹和收縮引起的。提高壓實度后，其內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)的排列將會更加緊密，顆粒之間的孔隙將會減小，孔隙率減小，導(dǎo)致水分滲入到紅粘土體內(nèi)部變得十分困難，削弱了土體內(nèi)部由于脫濕速率不均勻引起的收縮應(yīng)力，使得開裂越來越困難。另外，壓實度越高，土體的粘聚力也越大，而抗拉強度與抗剪強度中粘聚力部分相當(dāng)，則土樣的抗拉強度也越大，土樣越不容易開裂。隨著紅粘土壓實度的提高，雖然不能完全阻止紅粘土裂隙的產(chǎn)生，但能從一定程度上抑制裂隙的發(fā)展。

圖2 加筋紅粘土裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

3.3 加筋對紅粘土裂隙的影響

由表1 和表2 的數(shù)據(jù)對比可以看出加筋紅粘土試樣的裂隙率要比未加筋處理的低很多。第0 次干濕循環(huán)時，各個壓實狀態(tài)下的加筋紅粘土裂隙率依次為1.82%、1.45%、1.13%、0.75%，未加筋的裂隙率依次為3.67%、3.24%、2.79%、1.98%，是未加筋土樣裂隙率的2 倍以上;隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，加筋試樣裂隙率下降的幅度比較均勻，下降幅度均在0.5%～1.5%之間。紅粘土試樣加筋后，裂隙率有了明顯的減小，與提高土樣壓實度的效果相似，不能阻止裂隙的產(chǎn)生，但能一定程度的抑制裂隙發(fā)展。加筋后的土樣與未加筋的土樣內(nèi)部顆粒結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生很大的改變，所以水分入滲的難易程度和水分入滲的多少對裂隙率的變化影響不大。但是，在紅粘土中加筋后，筋體材料和它包裹的紅粘土形成一個新的整體，對土體內(nèi)部的水分進(jìn)行重分布;紅粘土吸水膨脹后產(chǎn)生的膨脹力將由紅粘土土體和筋體材料一起承擔(dān)，加上土體顆粒與筋體材料產(chǎn)生的摩擦力，增大了土體的約束力，從而降低了土樣的裂隙率。

圖3 無筋紅粘土裂隙率隨壓實度的變化規(guī)律

圖4 加筋紅粘土裂隙率隨壓實度的變化規(guī)律

4 結(jié) 語

(1)紅粘土的裂隙率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加不斷增長，第1 次干濕循環(huán)作用對土樣裂隙率的影響最為顯著，之后的干濕循環(huán)作用對裂隙率的影響逐漸減小，直至趨于穩(wěn)定。

(2)提高紅粘土的填筑壓實度，加入筋體材料可以有效的抑制裂隙的開裂程度，當(dāng)采用紅粘土作為填料填筑路堤時，應(yīng)加筋處理或者采用較大的壓實度。

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