南水北調(diào)中線膨脹巖非飽和剪切特性

胡 波，龔壁衛(wèi)，童 軍

（長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

巖土材料的強(qiáng)度與參數(shù)取值問題是南水北調(diào)中線工程膨脹巖土渠段設(shè)計(jì)和科研所重點(diǎn)關(guān)注的問題。本文針對(duì)新鄉(xiāng)黏土巖進(jìn)行了控制吸力條件的直剪試驗(yàn)，并采用雙應(yīng)力變量公式得到膨脹巖的強(qiáng)度參數(shù)，通過試驗(yàn)，進(jìn)一步分析了膨脹巖結(jié)構(gòu)性對(duì)于膨脹巖剪切變形特性的影響。

1 試驗(yàn)土樣與方法

1．1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)所用膨脹巖試樣取自南水北調(diào)中線工程河南新鄉(xiāng)潞王墳膨脹巖試驗(yàn)段。試樣為300 mm×300 mm×300 mm的原狀紅褐色黏土巖方塊樣，取樣深度2．0 m，土樣的天然含水量為23．9% ～24．5%，干密度為1．70～1．90 g／cm3。土樣用塑料膜包好后蠟封。顆分試驗(yàn)表明土樣的砂粒含量為9．8%，粉粒含量為26．1%，黏粒（小于0．005 mm）含量為64．1%。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237－1999）分類，為高液限黏土（CH），其自由膨脹率為61%，屬于弱膨脹性巖。

圖1 GDS非飽和土直剪系統(tǒng)［1］Fig．1 GDS unsaturated shear test system［1］

1．2 試驗(yàn)儀器

本次直剪試驗(yàn)采用英國(guó)GDS公司生產(chǎn)的非飽和土直剪系統(tǒng)。該設(shè)備是一套在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)直剪和高級(jí)非飽和直剪的試驗(yàn)系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)示意圖及照片如圖1所示。該系統(tǒng)與其它常規(guī)及非飽和直剪系統(tǒng)相比，主要具有如下的特點(diǎn)：采用軸平移技術(shù)來(lái)控制和測(cè)量土樣中的吸力；內(nèi)置剪切力和法向水下荷載傳感器；對(duì)剪切力／位移進(jìn)行閉環(huán)控制；在不卸載的情況下可從壓力室外部手工調(diào)整剪切縫；采用剛性鋁壓力室以減少系統(tǒng)柔度；亦可進(jìn)行低頻反復(fù)剪試驗(yàn)。閉環(huán)控制反饋系統(tǒng)同每個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器控制單元集成后利用控制模塊來(lái)進(jìn)行控制。

該系統(tǒng)主要由氣壓室、剪切盒、加載設(shè)備、控制設(shè)備、測(cè)量設(shè)備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6部分組成。氣壓室為一可維持恒定氣壓的剛性密封鋁壓力室。剪切盒內(nèi)試樣長(zhǎng)寬高分別為75 mm×75 mm×30 mm，將高進(jìn)氣值陶土板用環(huán)氧樹脂密封到剪切盒底座上。陶土板下刻有螺旋型凹槽，可作為充水分隔室和用來(lái)沖洗可能由于孔隙空氣通過陶瓷板擴(kuò)散而聚集的氣泡而提高量測(cè)精度。剪切盒置于密閉的氣壓室內(nèi)，水平荷載傳感器與固定的上剪切盒相連。試驗(yàn)時(shí)，通過推動(dòng)與自由滑動(dòng)底座相連的下盒進(jìn)行剪切試驗(yàn)。預(yù)期的基質(zhì)吸力通過保持氣壓室內(nèi)的恒定氣壓和陶瓷板下面水室的恒定水壓來(lái)施加到土試樣上。加載設(shè)備主要包括施加軸壓、孔隙水壓和孔隙氣壓的設(shè)備，分別利用砝碼－杠杠、GDS反壓／體積控制器，空壓機(jī)來(lái)施加?？刂圃O(shè)備主要包括反壓控制設(shè)備和氣壓控制設(shè)備以及剪切加載方式的控制。反壓、氣壓分別通過GDS反壓／體積控制器和GDS單通道氣壓控制器來(lái)控制，不同應(yīng)力、應(yīng)變加載方式（可實(shí)現(xiàn)恒定、勻速或三角波加載）通過GDSLAB直剪試驗(yàn)高級(jí)控制模塊來(lái)控制。量測(cè)系統(tǒng)通過內(nèi)置的水下荷載傳感器直接測(cè)量剪切力和軸力，并通過剪切控制軸上的步進(jìn)馬達(dá)計(jì)算水平位移，利用孔隙水（氣）壓傳感器來(lái)量測(cè)土體內(nèi)反壓及氣壓，并與加壓系統(tǒng)一同構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制反饋系統(tǒng)。上述所有量測(cè)設(shè)備均通過與GDS8通道數(shù)據(jù)采集板和RS232數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器相連接采集，并利用GDSLAB軟件系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和自動(dòng)記錄。該系統(tǒng)中各主要儀器的量程及精度見表1示。

表1 儀器的量程和精度［1］Table 1 Themeasurement range and accuracy of the apparatus［1］

1．3 試驗(yàn)方法

首先對(duì)直剪儀底座上的陶土板進(jìn)行飽和，接著將管路中的氣體排盡。將試樣裝入剪切盒后，施加給定的吸力開始水氣平衡；待水氣平衡完成后，對(duì)試樣施加豎向荷載開始固結(jié)；固結(jié)完成后，開展等應(yīng)變剪切。以上所有試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置和控制均可利用GDSLAB軟件來(lái)完成。

非飽和土直剪試驗(yàn)包括吸力平衡、等吸力固結(jié)和等吸力剪切3個(gè)階段。試樣安裝好后，通過控制孔隙氣壓和孔隙水壓來(lái)改變?cè)嚇拥奈顟B(tài)，并使吸力在整個(gè)試樣中均勻分布，這就是吸力平衡階段。當(dāng)吸力達(dá)到平衡后，保持吸力不變，通過手工懸掛重物杠桿加載至設(shè)定值進(jìn)行固結(jié)，試樣在等吸力條件下固結(jié)，固結(jié)時(shí)間一般取24 h。最后，在吸力不變的條件下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，本次試驗(yàn)所用剪切速率取0．002 mm／min，最大剪切位移取8 mm。

在凈法向應(yīng)力為定值的條件下，控制基質(zhì)吸力進(jìn)行非飽和直剪試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案如表2所示。試驗(yàn)中各個(gè)階段的持續(xù)時(shí)間與吸力大小有關(guān)。

表2 非飽和直剪試驗(yàn)方案Table 2 The scheme of the unsaturated direct shear test

2 成果分析

2．1 非飽和泥灰?guī)r的剪切特性

圖2所示分別為凈法向壓力為50，100，200 kPa條件下不同吸力黏土巖試樣的非飽和試驗(yàn)成果。圖2（a）為黏土巖原狀樣的剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線，可見，相同豎向荷載下，抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力的增加而增大；相同吸力下，抗剪強(qiáng)度隨著豎向荷載增加而增加。除試樣R－V100S50外，所有試樣基本上是脆性破壞并呈剪切硬化，且強(qiáng)度峰值不明顯。由于原狀黏土巖存在原生裂隙及軟弱結(jié)構(gòu)面，原狀樣破壞的剪切面并不水平，其中間呈凸起或者凹陷狀（如圖3所示），剪切過程中試樣的剪應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)（R－V200S200試樣）。

圖2（b）為黏土巖原狀樣剪切過程中豎向位移與剪切位移的關(guān)系曲線，可見各土樣在剪切過程中均發(fā)生了剪脹。有的試樣呈現(xiàn)先剪脹后剪縮，這與前人對(duì)膨脹土得出的“先剪縮后剪脹”的規(guī)律是不一致的［2，3］。這可能也與黏土巖本身的結(jié)構(gòu)性有關(guān)?？梢妼?duì)于原狀黏土巖而言，原生裂隙和軟弱結(jié)構(gòu)面是決定其剪切特性的主要因素。由于原狀泥灰?guī)r的裂隙及鐵錳結(jié)核分布不均勻，很難保證用于一組試驗(yàn)的3個(gè)試樣的結(jié)構(gòu)性相同，這可能是導(dǎo)致圖2（b）中個(gè)別曲線出現(xiàn)異常的原因。

圖2 黏土巖試樣的剪切試驗(yàn)結(jié)果Fig．2 Test results of the clay rock samples

圖3 黏土巖的典型剪切破壞面Fig．3 The typical shear failure surface of the clay rock

2．2 黏土巖的非飽和強(qiáng)度參數(shù)

Fredlund和 Morgenstern［4］通過采用凈法向應(yīng)力和基質(zhì)吸力這兩個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力狀態(tài)變量來(lái)定義非飽和土抗剪強(qiáng)度，而每個(gè)應(yīng)力狀態(tài)變量對(duì)抗剪強(qiáng)度存在不同的貢獻(xiàn)。Fredlund抗剪強(qiáng)度公式的形式具體表達(dá)如下：

根據(jù)上述理論，整理出黏土巖試驗(yàn)成果。圖4為不同凈法向應(yīng)力條件下剪應(yīng)力與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線。由圖4可以看出，在相同的凈法向應(yīng)力條件下，抗剪強(qiáng)度隨著基質(zhì)吸力的增加而增大。通過計(jì)算可以得出，在50，100，200 kPa的凈法向應(yīng)力條件下，φb分別為3．8°，6．6°，17．8°。黏土巖的 φb隨著豎向荷載的增大而增大。

圖4 不同凈法向應(yīng)力條件下剪應(yīng)力與基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線Fig．4 The curves between of the shear stress and thematric suction under different net normal stresses

3 結(jié) 論

（1）在不同的基質(zhì)吸力和豎向荷載下，原狀黏土巖試樣在剪切過程中表現(xiàn)出明顯的強(qiáng)度硬化和剪脹特性。原狀膨脹巖在剪切過程中呈脆性破壞形式。

（2）膨脹巖剪切過程中存在著明顯的剪脹現(xiàn)象，由于原生裂隙、軟弱面和鐵錳結(jié)核分布不均勻的影響，膨脹巖的剪脹性隨基質(zhì)吸力增加的規(guī)律性不明顯。

［1］ 童 軍，龔壁衛(wèi)，周武華，等．GDS非飽和土直剪儀的應(yīng)用研究［C］∥第25屆全國(guó)土工測(cè)試學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，杭州：浙江大學(xué)出版社，2008：156－160．

［2］ 詹良通，吳宏偉．吸力對(duì)非飽和膨脹土抗剪強(qiáng)度及剪脹特性的影響［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29（1）：82－87．

［3］ 盧在華，陳正漢，曹繼東．原狀膨脹土的強(qiáng)度變形特性及其本構(gòu)模型研究［J］．巖土力學(xué)，2001，22（3）：339－342．

［4］ FREDLUND D G，RAHARDJO H．非飽和土土力學(xué)［M］．陳仲頤，譯．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997．

（編輯：王 慰）