膨脹土強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究

賈文聰，李永紅，黨進(jìn)謙，王 飛，張偉利

(西北農(nóng)林科技大學(xué) a 水利與建筑工程學(xué)院，b 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

膨脹土強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究

賈文聰a，李永紅b，黨進(jìn)謙a，王 飛a，張偉利a

(西北農(nóng)林科技大學(xué) a 水利與建筑工程學(xué)院，b 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100)

【目的】 研究膨脹潛勢(shì)、含水率對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響，為膨脹土強(qiáng)度理論研究及其工程應(yīng)用提供參考?！痉椒ā?采用固結(jié)不排水試驗(yàn)方法，通過TFB-1型非飽和土應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸儀，分別測(cè)定取自陜西漢中、安康的2種膨脹土樣及2種土樣1∶1(質(zhì)量比)混合土(簡(jiǎn)稱漢中土、安康土、混合土)3種不同膨脹潛勢(shì)的膨脹土在不同含水率下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，應(yīng)用Microsoft Excel軟件，繪制3種膨脹土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水率、自由膨脹率的關(guān)系曲線，探討膨脹土抗剪強(qiáng)度與含水率、膨脹潛勢(shì)的關(guān)系及變化趨勢(shì)?！窘Y(jié)果】 3種膨脹土的含水率與非飽和膨脹土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)含水率由12%增大到24%時(shí)，漢中土、混合土、安康土3種膨脹土的黏聚力分別降低56.83，53.74和61.61 kPa，三者的內(nèi)摩擦角分別降低7.87°，9.12°和9.58°；3種膨脹土的膨脹潛勢(shì)與非飽和膨脹土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)呈正相關(guān)關(guān)系，漢中土、混合土、安康土的膨脹潛勢(shì)依次減弱，當(dāng)三者分別處于同一含水率(12%，15%，18%，21%和24%)時(shí)，漢中土、混合土、安康土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)依次減小?！窘Y(jié)論】 非飽和膨脹土的抗剪強(qiáng)度與含水率、膨脹潛勢(shì)密切相關(guān)。

膨脹土；膨脹潛勢(shì)；自由膨脹率；抗剪強(qiáng)度

膨脹土在我國(guó)分布十分廣泛，約有1/4的人口生活在膨脹土地區(qū)，由于膨脹土具有特殊的性質(zhì)，如反復(fù)脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性等，因此其破壞形式具有多發(fā)性、反復(fù)性和長(zhǎng)期潛在性，對(duì)各類淺表層輕型工程如公路、鐵路、房建和水利水電工程建設(shè)及維護(hù)具有較大的危害作用[1]，我國(guó)每年因膨脹土造成的經(jīng)濟(jì)損失估計(jì)達(dá)150億美元以上[2]。土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是研究土體破壞最重要的基本力學(xué)參數(shù)[3]，然而非飽和膨脹土的強(qiáng)度特性較普通黏性土復(fù)雜得多[4]。雖然前人已在膨脹土的強(qiáng)度特性方面做了很多研究，但主要成果集中在膨脹土的初始含水率、壓實(shí)度對(duì)其抗剪強(qiáng)度的影響等方面[5-11]，而關(guān)于膨脹潛勢(shì)強(qiáng)弱對(duì)其抗剪強(qiáng)度影響的研究較少?；诖?，本研究通過TFB-1型非飽和土三軸儀，測(cè)定不同膨脹潛勢(shì)的膨脹土在不同含水率條件下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，研究膨脹土的抗剪強(qiáng)度隨膨脹潛勢(shì)的變化規(guī)律，分析含水率對(duì)不同膨脹潛勢(shì)膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響，以期為膨脹土強(qiáng)度理論發(fā)展和工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

安康、漢中均位于陜西南部，地處漢江流域，此區(qū)域的膨脹土是各種變質(zhì)巖和巖漿巖的風(fēng)化物在漢江流水的搬運(yùn)堆積作用下形成的[12]。本試驗(yàn)用土有3種：①安康土。取自安康市南部育才路附近一地基施工現(xiàn)場(chǎng)，為粒徑小于40 mm的擾動(dòng)膨脹土(取土深度1 m)；②漢中土。取自漢中市洋縣，為用于工業(yè)加工的原始膨潤(rùn)土；③混合土。將以上2種土樣按1∶1干土質(zhì)量比拌合均勻得到。按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL 237-1999)[13]，分別測(cè)定上述3種供試膨脹土土樣的最大干密度、相對(duì)體積質(zhì)量、界限含水率以及自由膨脹率等，得到3種供試土樣的基本物理性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

將漢中土、混合土、安康土3種土樣按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL 237-1999)[13]分別制備成同一壓實(shí)度(95%)、不同初始含水率(12%，15%，18%，21%，24%)的三軸試樣，通過TFB-1型非飽和土應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸儀進(jìn)行固結(jié)圍壓為50，100，200和300 kPa的固結(jié)不排水試驗(yàn)，測(cè)定每個(gè)土樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。然后通過應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線上的峰值或最大值(最大主應(yīng)力差)以及固結(jié)圍壓，借助Microsoft Excel軟件，在二維坐標(biāo)下繪制土樣處在同一初始含水率且對(duì)應(yīng)4個(gè)圍壓下的4個(gè)應(yīng)力圓及這4個(gè)應(yīng)力圓的公切線，所得公切線的斜率即為土樣在此含水率下內(nèi)摩擦角(φ)的正切值，公切線與縱軸的交點(diǎn)即為土樣在此含水率下的黏聚力(c)。

按照以上方法，可以得到漢中土、混合土、安康土3種膨脹土在不同含水率下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，即黏聚力和內(nèi)摩擦角。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，應(yīng)用Microsoft Excel軟件建立回歸方程，計(jì)算相關(guān)系數(shù)，分析含水率與3種膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(黏聚力、內(nèi)摩擦角)的關(guān)系及變化趨勢(shì)，揭示3種膨脹土抗剪強(qiáng)度對(duì)含水率變化的響應(yīng)。

在工程勘察、設(shè)計(jì)中，膨脹土的判別和分類是最需要迫切解決的問題，這關(guān)系到工程的安全和工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。國(guó)內(nèi)外提出的判別膨脹土的指標(biāo)主要有土顆粒的礦物成分、黏粒含量以及水理性質(zhì)指標(biāo)，如自由膨脹率、液限、塑性指數(shù)、膨脹力、膨脹率等[14]。目前，工程中大多按照《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GBJ 112-87)的規(guī)定，用自由膨脹率這一指標(biāo)判別膨脹土，并確定膨脹潛勢(shì)[15]。自由膨脹率(δef)是以人工制備的松散、干燥的試樣，在純水中膨脹穩(wěn)定后的體積增量與原體積之比，用以判定無(wú)結(jié)構(gòu)力的松散土粒在水中的膨脹特性，是反映膨脹土膨脹潛勢(shì)的重要指標(biāo)[16]。根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GBJ 112-87)[17]及表1中3種供試膨脹土土樣自由膨脹率的大小，可知漢中膨潤(rùn)土、混合土和安康膨脹土分別為強(qiáng)膨脹潛勢(shì)、中等膨脹潛勢(shì)、弱膨脹潛勢(shì)膨脹土。因此，可以借助上述3種供試膨脹土土樣自由膨脹率的大小與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ的關(guān)系來(lái)研究膨脹潛勢(shì)的強(qiáng)弱對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 含水率對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

膨脹土作為一種特殊的非飽和黏性土，具有黏粒含量高及干縮濕脹的特點(diǎn)，因此含水率的變化會(huì)改變土顆粒之間的連接作用，影響膨脹土的抗剪強(qiáng)度。通過固結(jié)不排水試驗(yàn)得到3種供試土樣在不同含水率下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)如表2所示。

由表2可知，隨含水率的增大，3種土樣的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ均逐漸減??；當(dāng)含水率由12%增加到24%時(shí)，漢中土、混合土和安康土的黏聚力c分別減小56.83，53.74和61.61 kPa，內(nèi)摩擦角φ分別減小7.87°，9.12°和9.58°。說明在試驗(yàn)含水率范圍內(nèi)，膨脹潛勢(shì)對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度影響不大。但在相同含水率下，漢中土的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ均最大，混合土次之，安康土最低，可見膨脹土的抗剪強(qiáng)度與其膨脹潛勢(shì)有關(guān)，而且與膨脹潛勢(shì)的強(qiáng)弱呈正相關(guān)。

2.2 含水率與膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系

表2顯示，3種膨脹土的黏聚力均隨含水率的增大呈逐漸減小趨勢(shì)。當(dāng)含水率較低時(shí)，土的飽和度小，能增強(qiáng)土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基質(zhì)吸力大，以固化黏聚力為主的黏聚力也大。隨著含水率的增大，土中的水分含量增多，并且主要是弱結(jié)合水和自由水含量增多，因此土粒間的薄膜水變厚，土顆粒之間的膠結(jié)物質(zhì)逐漸被自由水溶解破壞，削弱了顆粒間的連接作用，同時(shí)能增強(qiáng)土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基質(zhì)吸力也逐漸變小，因而黏聚力降低。

對(duì)黏聚力和含水率的變化關(guān)系(表2)進(jìn)行分析可得，黏聚力和含水率之間的關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，其擬合關(guān)系式為：

c=Ae-Bw。

(1)

式中：c為黏聚力；w為含水率；A、B為與土樣初始條件有關(guān)的系數(shù)，其計(jì)算結(jié)果見表3。

土的內(nèi)摩擦角反映了土的摩擦特性，主要內(nèi)容包含兩個(gè)部分：相鄰?fù)令w料之間由于表面粗糙不平而產(chǎn)生的表面滑動(dòng)摩擦力；顆粒間的嵌入和聯(lián)鎖作用產(chǎn)生的咬合摩擦力。隨著含水率的增大，弱結(jié)合水所形成的薄膜水層變厚，土顆?？紫吨g的自由水含量增多，致使土顆粒之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)的滑動(dòng)摩擦力減弱。另外，高含水率土樣的固結(jié)過程結(jié)束后，土體原有的結(jié)構(gòu)遭到破壞，致使顆粒間的嵌入和連鎖產(chǎn)生的咬合摩擦力下降，因此內(nèi)摩擦角隨著含水率的增大而降低。

分析內(nèi)摩擦角與含水率的變化關(guān)系(表2)，可將內(nèi)摩擦角和含水率之間的關(guān)系用線性函數(shù)進(jìn)行擬合，其擬合關(guān)系式為:

φ=F-Ew。

(2)

式中：φ為內(nèi)摩擦角；w為含水率；E、F為與土樣初始條件有關(guān)的系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表4。

綜上分析可知，含水率對(duì)3種膨脹土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ影響較大，并且二者均隨含水率w的增大而顯著降低，因此膨脹土的抗剪強(qiáng)度τf也隨著土體含水率的增大而降低。將式(1)、(2)代入傳統(tǒng)庫(kù)倫強(qiáng)度公式τf=c+σtanφ可得：

τf=Ae-Bw+σtan (F-Ew)。

(3)

根據(jù)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ擬合公式以及抗剪強(qiáng)度τf與w的關(guān)系式(即式(1)、(2)、(3))分析膨脹土強(qiáng)度與含水率的關(guān)系，既有理論意義，又對(duì)膨脹土邊坡工程的安全設(shè)計(jì)具有實(shí)際指導(dǎo)作用。

2.3 膨脹潛勢(shì)的強(qiáng)弱對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

自由膨脹率是表征膨脹土膨脹潛勢(shì)強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。分別繪制不同含水率下3種供試土樣的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ與自由膨脹率δef的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖1，2所示。

從圖1可以看出，在同一含水率下，隨著自由膨脹率的增大，膨脹土的黏聚力逐漸遞增。3種供試土樣礦物組成的X-衍射分析結(jié)果見表5，由表5可知，土樣的黏土礦物含量越高，自由膨脹率越大。由于黏土礦物(蒙脫石、伊利石)顆粒微小，約0.2～1.0 μm[18]，隨著自由膨脹率的增大，這些微小的黏土礦物顆粒增多，它們將逐漸填充在粒徑較大的非黏土礦物顆粒之間，并逐漸覆蓋于非黏土礦物顆粒的外部，這就導(dǎo)致顆粒間接觸面積相應(yīng)增大，土體的原始黏聚力得到提高。由于蒙脫石、伊利石類黏土礦物吸水能力強(qiáng)，因此對(duì)于不同自由膨脹率的膨脹土土樣，即使含水率相同，水分子在土樣內(nèi)部的存在形式也多種多樣，在自由膨脹率越大(即黏土礦物含量越高)的土樣內(nèi)部，較多的水分子以結(jié)合水形式受引力作用吸附在這些黏土礦物顆粒周圍，增強(qiáng)了顆粒間的聯(lián)接作用，加大了土體的固化黏聚力。

從圖2可以看出，隨著自由膨脹率的增大，內(nèi)摩擦角逐漸增大。土樣由黏土礦物和非黏土礦物組成：非黏土礦物顆粒鑲嵌、咬合在一起；黏土礦物顆粒填充在粒徑較大的非黏土礦物顆?？紫吨g，或者覆蓋在非黏土礦物顆粒周圍。黏土礦物顆粒具有一定的潤(rùn)滑效果，會(huì)削弱粒徑較大的非黏土礦物顆粒之間的鑲嵌、咬合作用。自由膨脹率小的土樣，黏土礦物含量低，顆粒間接觸面積小，黏土礦物起到降低咬合摩擦力的作用，因而內(nèi)摩擦角較小。自由膨脹率大的土樣，黏土礦物含量高，黏土礦物顆粒不僅有一部分填充在粒徑較大的非黏土礦物顆粒孔隙之間，還有一部分覆蓋在非黏土礦物顆粒周圍，這就造成在剪切過程中，黏土礦物的作用比非黏土礦物明顯，抵抗剪切破壞的能力強(qiáng)，內(nèi)摩擦角大。另外，由于隨著自由膨脹率的增大，顆粒間接觸面積增大，當(dāng)含水率相同時(shí)，在自由膨脹率較大的土樣內(nèi)部，水分子大多以結(jié)合水形式存在，具有潤(rùn)滑作用的自由水所占比例低，因此其內(nèi)摩擦角大。

由以上分析可知，土體的自由膨脹率越大，其抗剪強(qiáng)度越高，即膨脹土的膨脹潛勢(shì)越強(qiáng)，抗剪強(qiáng)度越高，但是這對(duì)膨脹土邊坡工程、地基工程并不是一件有利的事情。因?yàn)樽杂膳蛎浡试酱?，膨脹土的脹縮性越好，受環(huán)境氣候變化越明顯，容易導(dǎo)致地基強(qiáng)度下降、不均勻變形，甚至引發(fā)建筑物的破壞以及邊坡滑塌。因此，防水、保濕、防風(fēng)化措施在膨脹土工程管理中顯得尤為重要。

3 結(jié) 論

通過室內(nèi)三軸試驗(yàn)，研究了含水率的大小、膨脹潛勢(shì)的強(qiáng)弱對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響，得到以下結(jié)論：

1)非飽和膨脹土的抗剪強(qiáng)度隨含水率的增大而明顯降低。

2)非飽和膨脹土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均強(qiáng)烈地受到含水率的影響，黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨含水率的增大而減小，并且黏聚力c和含水率w呈指數(shù)相關(guān)，內(nèi)摩擦角φ與含水率w為線性相關(guān)。

3)非飽和膨脹土的抗剪強(qiáng)度與其膨脹潛勢(shì)的強(qiáng)弱有關(guān)，膨脹潛勢(shì)越強(qiáng)，抗剪強(qiáng)度越大。

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Strength characteristics of expansive soil

JIA Wen-conga,LI Yong-hongb,DANG Jin-qiana,WANG Feia,ZHANG Wei-lia

(aCollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,bInstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 The paper studied the influences of expansion potential and water content on shear strength of expansive soil to provide reference for strength theory and engineering application.【Method】 Shear strength indexes of three expansive soils with different expansion potentials obtained from Ankang,Hanzhong and their 1∶1 mixed soils (Hereafter referred as Hanzhong soil,Ankang soil and Composite soil) under different water contents were determined using consolidated undrained method and TFB-1 stress-strain triaxial apparatus of unsaturated soil.Then,the relationship between shear strength and water content and expansion potential was discussed and the variation was analyzed.【Result】 Negative correlations existed between water contents and the shear strength indexes of the unsaturated expansive soils.When the water contents increased from 12% to 24%,the cohesive forces of Hanzhong soil,Composite soil and Ankang soil decreased by 56.83,53.74 and 61.61 kPa and the angle of frictions decreased by 7.87°,9.12° and 9.58°,respectively. Positive correlation existed between expansion potentials and shear strength indexes of the unsaturated expansive soils.The expansion potentials of Hanzhong soil,Composite soil and Ankang soil decreased successively.When the water contents were same (12%,15%,18%,21% and 24%),the shear strength indexes of Hanzhong soil,Composite soil and Ankang soil also decreased successively. 【Conclusion】 The shear strength of unsaturated expansive soil closely related to water content and expansion potential.

expansive soil;expansion potential;free expansion rate;shear strength

2013-12-13

賈文聰(1989-)，男，山西臨汾人，在讀碩士，主要從事巖土工程理論與計(jì)算研究。E-mail:jiawencong@163.com

黨進(jìn)謙(1964-)，男，陜西澄城人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土力學(xué)研究。E-mail:dangjinqian@163.com

時(shí)間:2015-04-13 12:59

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.05.016

TU411.7；TU443

A

1671-9387(2015)05-0217-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150413.1259.016.html