膨脹土動力變形性能的影響因素試驗(yàn)研究

李培榮??

摘要：為了研究膨脹土的動力變形性能，通過試驗(yàn)研究了初始主應(yīng)力方向角、圍壓、含水率和干密度等因素對膨脹土應(yīng)力應(yīng)變曲線和動態(tài)剪切模量的影響。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析得出：可以用鄧肯張模型對不同條件下膨脹土動態(tài)剪切應(yīng)力隨應(yīng)變的變化進(jìn)行描述，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論可為進(jìn)一步研究膨脹土的力學(xué)性能提供理論參考。

關(guān)鍵詞：膨脹土；動力變形性能；動態(tài)剪切模量；動態(tài)剪切應(yīng)力

中圖分類號：U416.11文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： In order to study the dynamic deformation properties of expansive soil， the effect of initial principal stress direction angle， confining pressure， water content and dry density on stressstrain curves and dynamic shear modulus of expansive soil was reviewed. Fitting analysis of the experimental data shows that the dynamic changes in shear stress with strain under different conditions can be depicted by the DuncanChang model of expansive soil. The experimental data and conclusion provide theoretical basis for further study of the mechanical properties of expansive soil.

Key words： expansive soil； dynamic deformation property； dynamic shear modulus； dynamic shear stress

0引言

常溫下膨脹土表現(xiàn)為吸水時(shí)容易發(fā)生膨脹，失水時(shí)容易發(fā)生收縮，正因?yàn)榕蛎浲辆哂畜w積不穩(wěn)定性，因此它是典型的災(zāi)害性土之一[13]。中國膨脹土地區(qū)分布廣泛，由于膨脹土性質(zhì)的不穩(wěn)定性而造成的公路、鐵路路基滑坡等工程

災(zāi)害數(shù)不勝數(shù)[45]。同時(shí)由于地震等自然災(zāi)害頻發(fā)，對應(yīng)的土體在受力時(shí)也承受著動態(tài)荷載的作用，而非一直承受靜態(tài)荷載。目前，國內(nèi)外學(xué)者對于靜態(tài)荷載作用下膨脹土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了大量的研究。趙乃峰[6]等以南寧地區(qū)的膨脹土為例，研究了含水率和固結(jié)壓力對膨脹土長期壓縮特性的影響。李志清[7]等利用普通固結(jié)儀，研究了浸水、浸鹽和浸酸后膨脹土的膨脹變形。詹良通[8]等利用靜態(tài)三軸試驗(yàn)，研究了吸力對非飽和膨脹土的變形和強(qiáng)度的影響。楊慶[9]等通過膨脹力試驗(yàn)和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了剪位移和含水量對膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響。李兆宇[10]等通過三軸試驗(yàn)，研究了不同圍壓和溫度下凍結(jié)膨脹土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。但是對于動態(tài)荷載作用下膨脹土的動力變形特性，至今研究較少[1114]。基于此，本文通過試驗(yàn)，研究了初始主應(yīng)力方向角、含水率、圍壓和干密度等因素對膨脹土動力變形性能的影響，為進(jìn)一步研究膨脹土的力學(xué)性能提供了理論參考。

1試驗(yàn)方法

1.1膨脹土來源

本文試驗(yàn)所用膨脹土選自廣西六欽高速公路路塹邊坡，土體呈灰白色，通過土工試驗(yàn)測得其物理力學(xué)性質(zhì)和粒度成分分別見表1、2。

1.2試樣制備

根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SI.237—1999）的相關(guān)要求，先將土樣進(jìn)行風(fēng)干處理，然后對其進(jìn)行碾壓并過1 mm的篩，最后取代表性土樣測定其風(fēng)干之后的含水率。制備時(shí)采用手動擊實(shí)和干土成樣，控制試樣直徑為61.8 mm，高度為150 mm。

1.3試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用儀器為經(jīng)改造的三軸試驗(yàn)機(jī)，主要由主機(jī)、壓力系統(tǒng)、動力控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)4部分組成。通過在試樣頂部施加不同的軸向力和扭矩，實(shí)現(xiàn)不同的初始應(yīng)力狀態(tài)。

2動荷載作用下膨脹土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

2.1初始主應(yīng)力方向角對應(yīng)力應(yīng)變的影響

保持膨脹土的含水率為22%，干密度ρ為1.55 g·cm-3，測定在不同圍壓p（50 kPa、100 kPa、150 kPa）時(shí)膨脹土的應(yīng)力應(yīng)變隨初始主應(yīng)力方向角的變化，研究初始主應(yīng)力方向角對應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，不同初始主應(yīng)力方向角和圍壓下，膨脹土的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈3個階段的變化趨勢：準(zhǔn)彈性變化階段、塑性屈服階段和塑性破壞階段。當(dāng)圍壓相同時(shí)，隨著初始主應(yīng)力方向角的增大，膨脹土的動態(tài)剪切應(yīng)力逐漸減小，塑性破壞時(shí)的破壞應(yīng)力也逐漸減小，表明初始主應(yīng)力方向角越大，膨脹土抵抗變形的能力越低。這是因?yàn)?，?dāng)初始主應(yīng)力方向角為0° 時(shí)，試樣承受軸向壓力，土體被逐漸壓密，土體顆粒間緊密接觸，因此動態(tài)剪切應(yīng)力較大；而隨著初始主應(yīng)力方向角的增大，試樣的受力狀態(tài)逐漸由壓縮變?yōu)槔欤馏w顆粒之間的連接作用被破壞；當(dāng)初始主應(yīng)力方向角為90° 時(shí)，試樣所受的壓應(yīng)力最小，而拉應(yīng)力最大，此時(shí)動態(tài)剪切應(yīng)力最小。

當(dāng)初始主應(yīng)力方向角一定時(shí)，隨著圍壓的增大，產(chǎn)生相同應(yīng)變，膨脹土的動態(tài)剪切應(yīng)力也逐漸增大。分析其原因?yàn)椋弘S著圍壓的增大，土體試樣逐漸被壓密，土體顆粒之間的間距減小，膨脹土的密實(shí)度增大，粘聚力和內(nèi)摩擦角逐漸增大，因此動態(tài)剪應(yīng)力逐漸增大；另外，圍壓會使土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，改變了土體顆粒之間的排列順序，抑制荷載下土體發(fā)生的軟化變形，且圍壓越大，抑制作用越明顯。

2.2含水率和干密度對應(yīng)力應(yīng)變的影響

測定不同含水率（19%、22%和25%）、干密度（1.46 g·cm-3、1.55 g·cm-3、1.63 g·cm-3）和圍壓（50 kPa、100 kPa、150 kPa）組合下膨脹土的應(yīng)力應(yīng)變變化曲線，研究含水率和干密度對膨脹土應(yīng)力應(yīng)變的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，當(dāng)外界條件相同時(shí)，隨著含水率的增大，膨脹土產(chǎn)生相同應(yīng)變時(shí)對應(yīng)的動態(tài)剪切應(yīng)力逐漸降低，且隨著含水率的增大，降低的趨勢逐漸減小。例如從圖2中的（c）可以看出，當(dāng)ρ=1.46 g·cm-3，p=150 kPa，動態(tài)剪應(yīng)變?yōu)?%，含水率由19%增大至22%、25%時(shí)，動態(tài)剪應(yīng)變由86.1 kPa減小至465 kPa、405 kPa，降低幅度分別為465%和12.9%。這是因?yàn)?，膨脹土吸水后，土體顆粒在其周圍形成一層結(jié)合水膜，且含水量越大，結(jié)合水膜厚度越大，對土體顆粒之間的潤滑作用越顯著，土體顆粒之間的摩擦力越小，因此動態(tài)剪切應(yīng)力越小。

從圖2中的（b）、（e）和（h）可以看出，當(dāng)其他外界條件一定時(shí)，隨著土樣干密度的增大，產(chǎn)生相同剪切應(yīng)變時(shí)，需要的動態(tài)剪切應(yīng)力越大，例如當(dāng)圍壓為100 kPa，含水率為22%，干密度由1.46 k·cm-3增大至155、163 kg·cm-3，產(chǎn)生4%的剪切應(yīng)變時(shí)，對應(yīng)的動態(tài)剪切應(yīng)力分別為43.5、521、55.6 kPa。這是因?yàn)椋S著干密度的增大，土體顆粒之間的接觸點(diǎn)逐漸增多，膨脹土密實(shí)度逐漸提高，土體抵抗剪切變形的能力也逐漸提高，因此動態(tài)剪切應(yīng)力逐漸增大。

3動荷載作用下膨脹土的剪切模量

3.1初始主應(yīng)力方向角對動態(tài)剪切模量的影響

保持膨脹土的含水率為22%，干密度為1.55 g·cm-3，測定不同圍壓時(shí)膨脹土的動態(tài)剪切模量隨初始主應(yīng)力方向角的變化，研究初始主應(yīng)力方向角對動態(tài)剪切模量的影響，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，當(dāng)圍壓一定時(shí)，隨著初始主應(yīng)力方向角的增大，產(chǎn)生相同剪切應(yīng)變時(shí)需要的動態(tài)剪切模量逐漸減小。這是因?yàn)榕蛎浲辆哂懈飨虍愋裕嚇訅簩?shí)僅是沿著豎直方向分層壓實(shí)的，當(dāng)初始主應(yīng)力方向角為0° 時(shí)，最大主應(yīng)力為豎直方向，此時(shí)膨脹土豎向強(qiáng)度最大、水平強(qiáng)度最??；隨著初始主應(yīng)力方向角的增大，豎向強(qiáng)度減小而水平強(qiáng)度增大。因此試樣破壞時(shí)動態(tài)剪切應(yīng)力逐漸減小，動態(tài)剪切模量隨之減小。

3.2含水率和干密度對動態(tài)剪切模量的影響

測定不同含水率、干密度和圍壓組合下膨脹土的動態(tài)剪切模量，研究含水率和干密度對膨脹土動態(tài)剪切模量的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出，其他條件保持不變時(shí)，隨著含水率的增大，膨脹土產(chǎn)生相同剪切應(yīng)變時(shí)對應(yīng)的動態(tài)剪切模量逐漸降低，且當(dāng)含水率大于22%時(shí)，隨著含水率的增大，動態(tài)剪切模量的變化趨勢放緩。分析其原因?yàn)椋号蛎浲林泻袩o數(shù)的親水性粘土顆粒，隨著含水率的增大，土體顆粒表面吸附的水膜厚度增大，土體顆粒之間的距離減小，土體顆粒之間的粘結(jié)強(qiáng)度隨之降低。另外，水膜的出現(xiàn)降低了土體顆粒之間的相互摩擦力，因此含水率越大，動態(tài)剪切模量越小。當(dāng)含水率超過22%后，含水率超過了膨脹土的塑限，相同條件下土體顆粒的吸水能力減弱，水膜厚度的增長幅度減小，因此動態(tài)剪切模量隨含水率增大而減小的趨勢放緩。

從圖4中的（c）、（f）和（i）可以看出，當(dāng)其他試驗(yàn)條件相同時(shí)，隨著干密度的增大，土體產(chǎn)生相同剪切應(yīng)變時(shí)所需的動態(tài)剪切模量逐漸增大，尤其是當(dāng)干密度超過1.55 g·cm-3時(shí)，增大試樣干密度能顯著提高膨脹土的動態(tài)剪切模量。這是因?yàn)?，隨著干密度的增大，土體顆粒之間接觸的緊密程度逐漸增強(qiáng)，土體顆粒之間的咬合力和粘聚力逐漸增大，因此膨脹土剪切破壞時(shí)需要更多的能量來克服咬合力和粘聚力所做的功，動態(tài)剪切模量隨之增大。

4不同試驗(yàn)條件下膨脹土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系探討[KH*2]

選取圍壓為50 kPa，初始主應(yīng)力方向角分別為0° 、45° 和90° 時(shí)的應(yīng)力τ和應(yīng)變ε，對ε和ε/τ的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，兩者之間具有很好的線性相關(guān)性，可利用鄧肯張模型式（1）對其進(jìn)行分析，并求解膨脹土的初始動態(tài)剪切模量G0和最大動態(tài)剪應(yīng)力τmax，并將擬合結(jié)果列于表3、4。

從表3可以看出，隨著初始主應(yīng)力方向角的增大，膨脹土的初始動態(tài)剪切模量和最大動態(tài)剪切應(yīng)力值都逐漸減小，表明初始主應(yīng)力方向角為0° 時(shí)膨脹土產(chǎn)生的塑性效應(yīng)更加明顯。當(dāng)初始主應(yīng)力方向角一定時(shí)，隨著圍壓的增大，膨脹土的初始動態(tài)剪切模量和最大動態(tài)剪切應(yīng)力值都逐漸增大，膨脹土的塑性效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。

從表4可以看出，隨著含水率的增大，膨脹土的初始動態(tài)剪切模量和最大動態(tài)剪切應(yīng)力逐漸減小，且隨著圍壓和干密度的增大，兩者隨含水率的變化幅度增強(qiáng)，表明含水率對初始動態(tài)剪切模量和最大動態(tài)剪切應(yīng)力的影響程度會隨著干密度和圍壓的不同而不同。在相同條件下，干密度和圍壓越大，初始動態(tài)剪切模量和最大動態(tài)剪切應(yīng)力越大，且含水率越大，兩者隨干密度和圍壓的變化幅度越小，進(jìn)一步表明含水率、圍壓和干密度對膨脹土初始動態(tài)剪切模量和最大動態(tài)剪切應(yīng)力的影響相互關(guān)聯(lián)。

5結(jié)語

（1） 不同條件下，膨脹土的應(yīng)力隨應(yīng)變的增大呈準(zhǔn)彈性變化階段、塑性屈服階段和塑性破壞階段3個變化階段；隨著初始主應(yīng)力方向角的增大，膨脹土的動態(tài)剪切應(yīng)力和動態(tài)剪切模量逐漸減?。幌嗤瑮l件下，圍壓越大，產(chǎn)生相同應(yīng)變時(shí)動態(tài)剪切應(yīng)力和動態(tài)剪切模量值越大。

（2） 相同條件下，隨著含水率的增大，膨脹土的動態(tài)剪切應(yīng)力逐漸降低，且降低趨勢隨含水率的增大逐漸減?。划?dāng)外界條件一定時(shí)，隨著土樣干密度的增大，產(chǎn)生相同剪切應(yīng)變時(shí)，需要的動態(tài)剪切應(yīng)力值越大。

（3） 保持其他條件一定時(shí)，隨著含水率的增大，膨脹土的動態(tài)剪切模量逐漸降低，當(dāng)含水率大于22%時(shí)，動態(tài)剪切模量隨含水率變化的趨勢放緩；隨著干密度的增大，膨脹土的動態(tài)剪切模量逐漸增大，尤其是當(dāng)干密度超過1.55 g·cm-3時(shí)，增大試樣干密度能顯著提高膨脹土的動態(tài)剪切模量。

（4）膨脹土的ε和ε/τ之間能很好地利用鄧肯張模型進(jìn)行線性擬合；初始主應(yīng)力方向角越大，G0和τmax越??；隨著含水率的增大，G0和τmax逐漸減?。桓擅芏群蛧鷫涸酱?，G0和τmax越大；含水率、圍壓和干密度對G0和τmax的影響程度相互關(guān)聯(lián)。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾召田，呂海波，趙艷林，等.膨脹土干濕循環(huán)效應(yīng)及其對邊坡穩(wěn)定性的影響[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2012，20（6）：934938.

[2]王聰燚，余湘娟，高磊.考慮不同軟基處理方式下路基沉降預(yù)測模型對比分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2014，14（5）：151154.

[3]章李堅(jiān).膨脹土膨脹性與收縮性的對比試驗(yàn)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

[4]徐彬，殷宗澤，劉述麗.膨脹土強(qiáng)度影響因素與規(guī)律的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2011，32（1）：4450.

[5]肖宏彬，張春順，何杰，等.南寧膨脹土變形時(shí)程性研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，2（6）：4751.

[6]趙乃峰.南寧膨脹土膨脹性長期壓縮特性研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2013.

[7]李志清，李濤，胡瑞林，等.蒙自重塑膨脹土變形特性與施工控制研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30（12）：18551860.

[8]詹良通，吳宏偉.非飽和膨脹土變形和強(qiáng)度特性的三軸試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（2）：196201.

[9]楊慶，張慧珍，欒茂田.非飽和膨脹土抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（3）：420425.

[10]李兆宇，張濱.凍結(jié)膨脹土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系試驗(yàn)研究[J].冰川凍土，2014，36（4）：902906.

[11]劉堰龍.膨脹土含水率與力學(xué)特性的相互關(guān)系研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2010.

[12]任泉.十天高速漢中西段公路沿線滑坡分布特征及破壞機(jī)理研究[D].西安：西北大學(xué)，2014.

[13]姚海林，程平，吳萬平.急于收縮試驗(yàn)的膨脹土地基變形預(yù)測方法[J].巖土力學(xué)，2004，25（11）：16881691.

[14]周葆春，孔令偉，郭愛國.荊門弱膨脹土的脹縮與滲透特性試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2011，32（2）：424429.

[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]