非飽和南陽膨脹土的剪切強度及其預測

孫紅云,孫德安

(上海大學土木工程系,上海 200444)

非飽和南陽膨脹土的剪切強度及其預測

孫紅云,孫德安

(上海大學土木工程系,上海 200444)

膨脹土是一種隨含水率變化而具有吸水膨脹、失水收縮特性的特殊土,與普通黏土相比,含水率對其強度特性影響更為顯著.為了探討含水率對膨脹土強度的影響,對壓實南陽膨脹土進行了一系列直剪試驗,得到了在相同干密度及不同含水率條件下的抗剪強度.試驗結果表明,南陽膨脹土的抗剪強度和黏聚力均隨含水率的增大而減小,內(nèi)摩擦角受含水率的變化影響不大.此外,把宏觀飽和度引入Bishop非飽和土強度公式中,對試驗結果與修正強度公式的計算值進行比較,結果表明修正后的Bishop非飽和土強度公式可以較為精確地預測出非飽和膨脹土的強度.

膨脹土;非飽和土;抗剪強度

膨脹土是一種吸水膨脹、失水收縮的特殊土,其礦物成分有蒙脫石和伊利石等親水性黏粒礦物,具有強吸水性、多裂隙性、強超固結性、快速崩解及反復脹縮性等特性[1].近幾十年來,因膨脹土的各類工程病害導致嚴重經(jīng)濟損失的工程實例很多,膨脹土的工程性能問題已成為國內(nèi)外巖土工程問題中亟待解決的技術難題.

土的重要力學性質之一是土的強度,而與一般黏土相比膨脹土的強度變化更為復雜,這是因為作為多裂隙結構的土體,在多數(shù)情況下膨脹土的裂隙分布是隨機的;同時膨脹土中的親水性黏粒礦物遇水發(fā)生軟化,從而導致土體強度大幅度衰減,所以膨脹土的強度易隨各種外界條件而發(fā)生變化[2].膨脹土的強度表征了膨脹土體抵抗剪切破壞能力,故研究膨脹土抗剪強度與含水率的關系是非常有必要的.

目前,國內(nèi)外已有不少學者對膨脹土的強度特性進行了研究.楊慶等[2]通過直剪試驗得到黏聚力的對數(shù)和內(nèi)摩擦角均隨含水率的增大線性減小的結論,并指出非飽和膨脹土的吸附強度與膨脹力之間存在較好的線性關系;詹良通等[3]利用非飽和土直剪儀對非飽和原狀樣和壓實樣進行吸力控制的直剪試驗,得到膨脹土原狀樣和壓實樣的剪脹勢隨著吸力增加而增大、吸力對膨脹土抗剪強度的影響高于壓實高嶺土的結論;劉斯宏等[4]對不同豎向荷載作用下的南陽膨脹土浸水膨脹變形和膨脹后的試樣進行了強度試驗,得到了南陽膨脹土浸水膨脹率與浸水膨脹過程中所受的豎向荷載的關系,以及膨脹完成后試樣的抗剪強度指標(c,φ值)與豎向荷載的變化規(guī)律;張?zhí)矸宓萚5]對干密度相同而含水率不同的壓實桂林紅黏土試樣進行了一系列固結快剪試驗,得到了黏聚力和內(nèi)摩擦角與初始含水率的關系,并將試驗結果與Bishop和Fredlund非飽和土強度公式的計算值進行比較,指出目前非飽和土強度公式無法預測非飽和桂林紅黏土的強度;Al-Mhaidib等[6]對膨脹頁巖試樣進行了不同初始含水率和圍壓條件下的膨脹試驗,結果表明膨脹量對膨脹土的抗剪強度有著顯著的影響;Fredlund等[7]提出了一種可以預測非飽和土剪切強度的模型,該模型利用土水特征曲線和飽和土的抗剪強度參數(shù),即可對非飽和土的剪切強度進行較好的預測.

本工作對非飽和南陽膨脹土進行了直剪試驗,探討了不同含水率對非飽和膨脹土抗剪強度的影響,并從非飽和土力學的角度,在引入宏觀飽和度的概念后,利用修正后的Bishop有效應力公式對非飽和南陽膨脹土的抗剪強度進行了預測.

1 土樣及試驗方法

1.1 試驗材料

試驗所用土樣為南陽膨脹土,取自南水北調(diào)工程中線南陽段南陽市臥龍區(qū)臥姜溝鄉(xiāng),取土深度為4 m,其基本物理性質指標如表1所示.按照《膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范》[8]的分類,該土為低膨脹性膨脹土.

表1 南陽膨脹土基本物理指標Table 1 Basic physical properties of Nanyang expansive soil

1.2 試驗儀器

試驗儀器采用美國Humboldt公司生產(chǎn)的HM-2560A.3F型直剪儀,該直剪儀為氣動直剪儀,是利用氣壓源對土樣施加豎向荷載.與傳統(tǒng)直剪儀相比,該直剪儀自動化程度高,量測更加精確.

1.3 試驗方法

試樣的制備采用常規(guī)的環(huán)刀法,試樣的目標干密度均為1.5 g/cm3,4組非飽和試樣的初始含水率分別為13%,16%,19%和22%,而一組飽和試樣的初始含水率約為30%,通過抽氣飽和得到.試樣的直徑和高度分別為49.6和15 mm.對非飽和試樣采用固結快剪,這是因為在剪切過程中吸力基本保持恒定,而對飽和或接近飽和試樣均采用固結慢剪,這樣不至于產(chǎn)生正孔隙水壓.具體試驗方案如表2所示,試驗操作按相關規(guī)范[9]進行.為了避免飽和試樣在固結和剪切過程中非飽和化,在進行直剪試驗時剪切盒內(nèi)注滿水.具體試驗步驟如下:

(1)根據(jù)試驗設定的含水率配制土樣;

(2)取設定含水率土樣質量,進行壓實制樣;

(3)將試樣放入直剪儀的剪切盒內(nèi),施加所需豎向壓力,每組4個試樣分別施加100,200, 300,400 kPa的豎向壓力;

(4)待固結穩(wěn)定即每小時試樣豎向變形不超過0.01 mm時,對每個試樣以速率0.8 mm/min進行快剪,對飽和試樣以速率0.02 mm/min進行慢剪,直至剪切位移達到6 mm.

表2 試驗方案Table 2 Plan of tests

一組4個試樣固結快剪試驗結束后,可得到對應于4個不同豎向壓力的抗剪強度值,從而整理得到一組土樣的強度指標,即黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ.

2 試驗結果及分析

初始含水率分別為13%,16%,19%,22%和30%的試樣在不同豎向荷載作用下的直剪試驗結果如圖1所示.從圖中可以看出,對于同一含水率的土樣,豎向壓力越大,對土的約束就越大,試樣的強度也越大.此外,除了含水率為13%、垂直壓力為100和200 kPa的兩個非飽和膨脹土試樣具有明顯的峰值強度(類似于超固結土的剪切特性,呈明顯的應變軟化特性)之外,其他試樣的峰值強度不明顯,剪切強度趨于穩(wěn)定,剪切應力與剪切位移關系曲線為硬化型.

圖2為不同含水率試樣的抗剪強度.對含水率為13%,16%,19%和22%的4組非飽和樣進行固結快剪試驗,對初始含水率為30%的1組飽和樣進行固結慢剪試驗.試樣的初始狀態(tài)及強度參數(shù)如表3所示.表3中的e0為4個試樣初始孔隙比的平均值,Sr為試樣固結完成后飽和度的平均值.

圖1不同豎向壓力作用下的直剪試驗結果Fig.1 Direct shear test results at diferent vertical pressures

圖2不同含水率的非飽和南陽膨脹土試樣的抗剪強度Fig.2 Shear strength of unsaturated Nanyang expansive soil with diferent water contents

表3直剪試驗試樣的初始及強度參數(shù)Table 3 Initial and strength parameters of samples from direct shear tests

從試驗結果可以看出,膨脹土的抗剪強度隨含水率的增大而減小;黏聚力受含水率影響較大,隨著含水率的增大呈下降趨勢,從150.5 kPa下降到13.3 kPa;內(nèi)摩擦角在23.1°～26.0°之間變化,受含水率影響較小,這是因為非飽和土試樣中存在負孔隙水壓,隨著含水率增大吸力減小,試樣的表觀黏聚力隨之下降,從而抗剪強度隨含水率的增大而減小.

3 非飽和膨脹土抗剪強度的預測

目前,在巖土學術和工程界廣泛使用的非飽和土的強度公式主要有兩類:Bishop公式和Fredlund公式.Bishop公式的實質是飽和土的Mohr-Coulomb強度公式,是將飽和土的有效應力替換為非飽和土的有效應力得到的;而Fredlund公式用獨立的應力狀態(tài)變量來表達非飽和土的抗剪強度,是以Mohr-Coulomb破壞準則為基礎,用非飽和土獨特的應力狀態(tài)變量來描述非飽和土強度[2].

本工作采用的預測方法是基于Bishop公式的非飽和土有效應力公式:

式中,c′為有效黏聚力,σ為法向應力,φ′為內(nèi)摩擦角,ua為孔隙氣壓力,uw為孔隙水壓力, (ua?uw)為基質吸力,χ為有效應力系數(shù).

本試驗測得的南陽膨脹土的土水特征曲線(見圖3)與孫德安等[10]采用濾紙法測得的結果相同.利用該曲線,可以根據(jù)不同含水率得到所對應的吸力值s,這里確定有效應力的關鍵在于參數(shù)χ的確定.本工作中χ可直接用飽和度代替[11],即χ=Sr.

圖3 南陽膨脹土的土水特征曲線Fig.3 Soil-water characteristic curves of Nanyang expansive soil

對壓實樣的微觀孔隙進行研究發(fā)現(xiàn),土體的孔隙可分為兩種:一種是存在于土顆粒組成的團粒之間的大孔隙,這些大孔隙之間的連通性很好,對土體的滲透固結、壓縮都有重要的影響;另一種孔隙為團粒內(nèi)孔隙,其特點是分散性較大,但是孔隙孔徑很小,各孔隙之間的連通性較差.試樣中的水分首先進入團粒內(nèi)的小孔隙,小孔隙飽和后再填充團粒間的大孔隙.團粒內(nèi)小孔隙處于飽和狀態(tài),或認為對抗剪強度不產(chǎn)生影響,只有大孔隙中的水對非飽和土抗剪強度產(chǎn)生作用.因此,土體的宏觀飽和度SrM(即團粒間的孔隙水量扣除團粒內(nèi)的孔隙水量)對非飽和引起的強度有貢獻.

綜上所述,式(1)可修正為利用式(2)即可對南陽膨脹土的抗剪強度進行預測計算.式(2)中的總應力σ是給定的,孔隙氣壓力ua為0,c′和φ′可以通過飽和土的強度試驗測得.根據(jù)試樣的含水率,從圖3的土水特征曲線可估算出吸力值(s=ua?uw),估算時用內(nèi)插方法來考量孔隙比的影響.宏觀飽和度SrM為試樣固結后的飽和度Sr減去微觀飽和度Srm.

對南陽膨脹土的干密度為1.5 g/cm3壓實樣進行了壓汞試驗.試驗所用壓汞儀的型號為Micromeritics AutoPoreⅣ,低壓范圍為4～207 kPa,高壓范圍為207～413 700 kPa.圖4為南陽膨脹土的壓汞試驗結果.根據(jù)圖4(a),團粒內(nèi)的孔隙(微觀孔隙)的最大直徑在200 nm左右;而從圖4(b)可得,孔徑4～200 nm的微觀孔隙占總孔隙的21.2%,即微觀飽和度Srm約為21.2%.由此,可以得到宏觀飽和度SrM=Sr?Srm.

圖4 南陽膨脹土的壓汞試驗結果Fig.4 Results of mercury intrusion test on Nanyang expansive soil

將計算所得的抗剪強度與實測值進行了對比.利用式(1),并假定有效應力系數(shù)χ等于飽和度,即χ=Sr,可得到如圖5(a)所示的抗剪強度預測結果.比較預測和實測的抗剪強度可知,式(1)的預測結果明顯高于實測值.圖5(b)為利用宏觀飽和度的預測公式(式(2))得到的結果與實測值比較,二者比較接近,尤其是在較低含水率的情況下,可以較好地預測非飽和膨脹土的抗剪強度.因此,利用修正后的非飽和土強度公式(式(2))可更好地預測南陽膨脹土的抗剪強度.

圖5 膨脹土的抗剪強度預測Fig.5 Prediction of shear strength for expansive soil

4 結論

(1)南陽膨脹土的抗剪強度隨含水率的增大而減小,黏聚力也隨著含水率的增大而減小,而內(nèi)摩擦角受含水率影響較小,變化不大.

(2)利用Bishop非飽和土強度公式對南陽膨脹土的抗剪強度進行預測時,用宏觀飽和度代替有效應力系數(shù)的強度預測值與實測值比較接近,而用普通飽和度代替有效應力系數(shù)的非飽和土強度預測值與實測值相差較大.

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Shear strength of unsaturated Nanyang expansive soil and its prediction

SUN Hongyun,SUN Dean
(Department of Civil Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

Expansive soil is a problematic soil with swelling and shrinkage.Compared with ordinary clay,the strength is clearly afected by water content.To investigate the efect of water content on the strength of expansive soil,a series of direct shear tests on Nanyang expansive soil with diferent water contents were carried out.Relationship between shear strength and water content at the same dry density was obtained.Test results show that the shear strength and cohesion decrease with increasing water content,and the internal friction angle changes little.In addition,by introducing macro saturation into the Bishop’s equation for unsaturated soil,the results show that the modifed strength equation can well predict strength of unsaturated expansive soil.

expansive soil;unsaturated soil;shear strength

TU 443

A

1007-2861(2017)01-0121-07

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.018

2015-02-03

國家自然科學基金資助項目(11672172)

孫德安(1962—),男,教授,博士生導師,博士,研究方向為非飽和土力學.E-mail:sundean@shu.edu.cn