非飽和膨脹土強(qiáng)度及土水特性室內(nèi)試驗(yàn)研究

郭 震 山

(山西省交通科學(xué)研究院黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006)

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非飽和膨脹土強(qiáng)度及土水特性室內(nèi)試驗(yàn)研究

郭 震 山

(山西省交通科學(xué)研究院黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006)

依托某淺埋膨脹土隧道工程，制備不同含水率的土樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，建立了膨脹土強(qiáng)度參數(shù)隨含水率變化的經(jīng)驗(yàn)公式，采用濾紙法測(cè)得膨脹土在吸濕過(guò)程中基質(zhì)吸力隨含水率的變化規(guī)律，并依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)土—水特征曲線按V-G模型進(jìn)行擬合并確定擬合參數(shù),結(jié)果表明：現(xiàn)場(chǎng)膨脹土屬于低壓縮性土，具有中等膨脹潛勢(shì)，土體摩擦角隨含水率的增加呈線性減小，黏聚力隨含水率的增加呈二次拋物線形減小，土—水特征曲線與V-G模型擬合程度較好。

膨脹土,室內(nèi)試驗(yàn),強(qiáng)度參數(shù),基質(zhì)吸力

膨脹土在我國(guó)分布廣泛且種類較多[1,2]，同時(shí)膨脹土具有顯著的地域差異性，不同地區(qū)膨脹土的工程特性不盡相同。工程中遇到的膨脹土多為非飽和土，其對(duì)環(huán)境中濕度的變化非常敏感，遇水膨脹、失水收縮，同時(shí)其強(qiáng)度參數(shù)和基質(zhì)吸力也隨土體中含水率的變化而發(fā)生顯著的改變。在外界雨水補(bǔ)給條件下，膨脹土含水率升高，土體發(fā)生軟化膨脹，非飽和區(qū)基質(zhì)吸力降低，導(dǎo)致膨脹土抗剪強(qiáng)度降低，從而誘發(fā)膨脹土路基不均勻沉降[3]、膨脹土邊坡失穩(wěn)破壞[4]、膨脹土隧道坍塌[5-7]等嚴(yán)重工程事故的發(fā)生。

1 研究進(jìn)展

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)對(duì)膨脹土進(jìn)行了大量的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以研究膨脹土的工程特性。項(xiàng)偉等[8]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了南水北調(diào)潞王墳段膨脹土的膨脹變形特性。劉鵬[9]和楊慶等[10]對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度隨含水率的變化關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并得到了抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨含水率的變化關(guān)系。周葆春等[11]和黃志全等[12]采用濾紙法對(duì)非飽和膨脹土的土—水特征曲線進(jìn)行了測(cè)定。曾召田等[13]對(duì)南寧膨脹土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)揭示了膨脹土在干濕循環(huán)環(huán)境中的變形規(guī)律。胡波等[14]對(duì)南水北調(diào)南陽(yáng)段膨脹土進(jìn)行非飽和直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥摻量可以極大降低膨脹土的自由膨脹率，素膨脹土的破壞表現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性，而水泥改性膨脹土表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特性。

綜上可知，雖然目前在膨脹土工程特性方面進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究，但尚不系統(tǒng)；同時(shí)由于膨脹土顯著的地域特性，現(xiàn)有的膨脹土研究成果和參數(shù)不能盲目地應(yīng)用于其他地區(qū)的膨脹土工程中?；诖?，針對(duì)某淺埋膨脹土隧道工程，現(xiàn)場(chǎng)取土進(jìn)行系統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)其基本物理力學(xué)指標(biāo)、膨脹潛勢(shì)以及強(qiáng)度參數(shù)和基質(zhì)吸力隨含水率的變化關(guān)系進(jìn)行測(cè)定，以深入了解現(xiàn)場(chǎng)膨脹土的基本性質(zhì)和工程特性。

2 工程背景

依托膨脹土隧道工程位于江蘇省南京市，是揚(yáng)—滁公路南京段的重要控制性節(jié)點(diǎn)。隧道圍巖為Ⅴ級(jí)圍巖，巖土體節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，透水性較好。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘探及試驗(yàn)結(jié)果，圍巖成分主要為黏土，灰黃～褐黃色，可塑，局部硬塑，并可見(jiàn)少量風(fēng)化巖屑，具有中等干強(qiáng)度和中等韌性；由于黏土中富含蒙脫石、伊利石等礦物成分，使得其表現(xiàn)出一定的膨脹性，自由膨脹率為47%～103%，具有中～強(qiáng)膨脹潛勢(shì)。

隧道支護(hù)采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，初期支護(hù)采用鋼拱架+噴錨聯(lián)合支護(hù)。其中，隧道在進(jìn)洞開(kāi)挖時(shí)，遭遇較強(qiáng)的降雨天氣，雨水入滲導(dǎo)致膨脹土圍巖發(fā)生軟化膨脹效應(yīng)，巖土體抗剪強(qiáng)度降低，圍巖自支撐能力降低，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的壓力顯著增大(包括松動(dòng)圍巖壓力和膨脹應(yīng)力)，進(jìn)而導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開(kāi)裂、大變形，隧道進(jìn)洞口發(fā)生坍塌，如圖1所示。雖所幸未造成人員傷亡，但計(jì)劃施工工期嚴(yán)重延誤，工程災(zāi)害事故發(fā)生后的后續(xù)處理和修復(fù)問(wèn)題也十分棘手，工程投入大幅增加。

導(dǎo)致此次事故發(fā)生的主要原因是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)膨脹土的基本物理力學(xué)特性及工程特性缺乏深入了解，盲目套用其他膨脹土地區(qū)隧道建設(shè)的施工參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)。因此，為避免此類工程災(zāi)害事故的再次發(fā)生，需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)膨脹土進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，獲取現(xiàn)場(chǎng)膨脹土的物理力學(xué)指標(biāo)及工程特性。

3 膨脹土室內(nèi)試驗(yàn)研究

文中所涉及的試驗(yàn)均嚴(yán)格按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[15]中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

3.1 基本物理力學(xué)指標(biāo)

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得重塑膨脹土樣的含水率、密度、壓縮性以及強(qiáng)度參數(shù)等基本物理力學(xué)指標(biāo)，相關(guān)試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果列于表1?？芍囼?yàn)膨脹土樣的天然含水率為14.71%，天然密度為1.88 g/cm3。由于試驗(yàn)膨脹土樣的含水率較低，土體具有較高的抗剪強(qiáng)度，采用直剪試驗(yàn)測(cè)得的土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)較大，其中內(nèi)摩擦角為29.11°，黏聚力為99.27 kPa。采用固結(jié)試驗(yàn)測(cè)得土體的壓縮系數(shù)為0.07 MPa-1，壓縮模量為27.70 MPa，根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》[16]中對(duì)土的壓縮性等級(jí)劃分，如表2所示，可知試驗(yàn)土樣屬于低壓縮性土。

表1 膨脹土基本物理力學(xué)指標(biāo)

表2 土壓縮性評(píng)價(jià)

3.2 膨脹土膨脹性試驗(yàn)

膨脹性是膨脹土最重要的工程特性指標(biāo)，在一定程度上反映膨脹土對(duì)工程的危害程度。因此，為了解現(xiàn)場(chǎng)膨脹土的膨脹特性，分別進(jìn)行膨脹土的自由膨脹率試驗(yàn)和50 kPa垂直壓力下的膨脹率試驗(yàn)。

1)自由膨脹率試驗(yàn)。

自由膨脹率試驗(yàn)是反映膨脹土膨脹特性的重要指標(biāo)，一般通過(guò)室內(nèi)自由膨脹率試驗(yàn)測(cè)定，相關(guān)試驗(yàn)儀器如圖2所示。自由膨脹率的計(jì)算公式為：

(1)

其中,δef為自由膨脹率，%；V為土樣膨脹穩(wěn)定后體積，mL；V0為干土自由堆積體積，mL。

自由膨脹率試驗(yàn)記錄及結(jié)果數(shù)據(jù)列于表3，可知膨脹土的自由膨脹率為73%，基于《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[17]中關(guān)于膨脹土膨脹潛勢(shì)的分類，如表4所示，可知試驗(yàn)土樣具有中膨脹潛勢(shì)。

表3 自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

表4 膨脹土膨脹潛勢(shì)分類

2)有荷膨脹率試驗(yàn)。

本文測(cè)試膨脹土樣在50 kPa垂直壓力下膨脹土的膨脹率，一定壓力條件下膨脹土的膨脹率是關(guān)于初始含水率的函數(shù)，初始含水率越大，測(cè)得的膨脹率越小。為了獲得膨脹土膨脹率與初始含水率的函數(shù)關(guān)系，分別制備初始含水率為14.71%,19.74%,25.27%和30.65%。對(duì)上述四種含水率測(cè)定其在50 kPa垂直荷載作用下的膨脹率，試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)及結(jié)果列于表5。

表5 有荷膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

膨脹土的線膨脹系數(shù)α為膨脹率與含水率變化量的比值，即膨脹率—初始含水率圖像中擬合直線的斜率，表征膨脹土增加單位含水率時(shí)所產(chǎn)生的膨脹率，其表達(dá)式為：

(2)

從圖3膨脹率隨初始含水率變化曲線中可以看出，試驗(yàn)膨脹土的線膨脹系數(shù)為0.563 5。

3.3 強(qiáng)度參數(shù)水敏性試驗(yàn)

由于膨脹土中富含親水性礦物成分，導(dǎo)致膨脹土強(qiáng)度具有較強(qiáng)的水敏性，當(dāng)含水率較低時(shí)，膨脹土具有較高的強(qiáng)度。隨含水率的升高，膨脹土強(qiáng)度顯著降低，表現(xiàn)出一定的流塑性。膨脹土地區(qū)工程施工中，在遭遇強(qiáng)降雨時(shí)，雨水入滲導(dǎo)致膨脹土軟化，抗剪強(qiáng)度降低，進(jìn)而引起工程災(zāi)害事故的發(fā)生(如邊坡失穩(wěn)，隧道坍塌等)。因此，探求不同含水率下膨脹土的強(qiáng)度參數(shù)變化情況具有重要的工程實(shí)際意義。

本文分別制備含水率為14.71%,19.74%,25.27%和30.65%的土樣，每個(gè)含水率下制備5組～6組試樣(含備用試樣)進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及結(jié)果列于表6。

表6 不同含水率下直剪試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，如圖4所示，根據(jù)數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果，內(nèi)摩擦角和含水率之間的擬合關(guān)系式為：

φ=-0.87ω+42.29

(3)

黏聚力與含水率之間的擬合關(guān)系式為：

c=0.33ω2-19.61ω+316.96

(4)

可以看出內(nèi)摩擦角隨含水率的增加呈線性減小，而黏聚力隨含水率的增加呈二次拋物線形減小。即當(dāng)含水率較低時(shí)，黏聚力對(duì)含水率的變化較為敏感；隨含水率的增加，黏聚力減小趨勢(shì)逐漸趨于平緩。

3.4 土—水特征曲線

土—水特征曲線反映非飽和土中基質(zhì)吸力與含水率之間的函數(shù)關(guān)系，是非飽和土力學(xué)研究的重點(diǎn)之一。典型的非飽和土的土水特征曲線如圖5所示，在邊界效應(yīng)區(qū)土體處于飽和狀態(tài)，當(dāng)基質(zhì)吸力增加到一定值后(A點(diǎn))，空氣開(kāi)始進(jìn)入到土體孔隙中，隨基質(zhì)吸力增加含水率迅速減小，最終趨于殘余含水率。在測(cè)定非飽和土中基質(zhì)吸力時(shí)通常采用濾紙法，如圖6所示。根據(jù)濾紙與土體的接觸程度，濾紙法分為直接接觸和非接觸兩種方法，其中直接接觸法測(cè)得的是非飽和土的基質(zhì)吸力，非接觸法測(cè)得的是非飽和土體中的總吸力。王釗等[18]和白福青等[19]分別對(duì)“雙圈”牌No.203型濾紙的基質(zhì)吸力和總吸力進(jìn)行率定，其中，基質(zhì)吸力hm的率定擬合公式為：

(5)

總吸力ht的率定擬合公式為：

(6)

其中，wfp為濾紙含水率。

本試驗(yàn)所采用的濾紙型號(hào)為“雙圈”牌No.203定量濾紙，測(cè)量?jī)x器精度為0.1 mg的高精度電子天平，另有恒溫水槽、烘箱、鑷子、密封盒、橡皮手套、絕緣膠帶、稱量鋁盒和保鮮袋等試驗(yàn)用品。將制好的土樣和濾紙按如圖6所示安裝并密封后置于恒溫水槽中靜置7 d，待濾紙與土樣中水分交換穩(wěn)定后，快速取出濾紙并測(cè)量其含水率，并根據(jù)式(5)和式(6)計(jì)算基質(zhì)吸力和總吸力值，相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 濾紙法吸力測(cè)試結(jié)果

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有土水特征曲線擬合的數(shù)學(xué)模型基本上是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、土體結(jié)構(gòu)特征和曲線的形狀建立起來(lái)的。其中，Van Genuchten提出的S形曲線模型(下文稱為“V-G模型”)[20]具有明顯優(yōu)勢(shì)，如：參數(shù)物理意義明確、擬合曲線形狀與實(shí)際土—水特征曲線十分相似。本文將采用V-G模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，V-G模型表達(dá)式如下：

(7)

其中，θ為含水率，%；θs為飽和含水率，%；θr為殘余含水率，%；ψ為基質(zhì)吸力，kPa。

試驗(yàn)土樣飽和含水率θs=31.07%，殘余含水率θr=9.02%，采用MATLAB曲線擬合工具對(duì)表7中數(shù)據(jù)按照式(7)進(jìn)行非線性最小二乘擬合，如圖7所示，所得擬合參數(shù)a=0.011 6，m=0.284 1，n=2.261 0。從圖7可以看出，空氣進(jìn)氣值點(diǎn)處的基質(zhì)吸力約為30 kPa。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某實(shí)際膨脹土隧道工程，現(xiàn)場(chǎng)取樣開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)，獲取現(xiàn)場(chǎng)膨脹土的基本物理力學(xué)指標(biāo)、膨脹性、強(qiáng)度參數(shù)水敏性以及土—水特征曲線，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)膨脹土的工程特性有了深入的認(rèn)識(shí)。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)試驗(yàn)膨脹土屬于低壓縮性土；自由膨脹率為73%，具有中膨脹潛勢(shì)；50 kPa垂直壓力下的線膨脹系數(shù)為0.563 5。

2)膨脹土具有很強(qiáng)的水敏特性，當(dāng)含水率較低時(shí)，膨脹土具有較高的抗剪強(qiáng)度，隨著含水率的增加，其抗剪強(qiáng)度迅速降低，其中內(nèi)摩擦角與含水率呈良好的負(fù)線性相關(guān)，而粘聚力與含水率呈二次拋物線形相關(guān)。

3)試驗(yàn)膨脹土的土—水特征曲線與V-G模型擬合程度較好，呈S形曲線，擬合參數(shù)a=0.011 6，m=0.284 1，n=2.261 0，空氣進(jìn)氣值點(diǎn)的基質(zhì)吸力約為30 kPa。

[1] 劉特洪.工程建設(shè)中的膨脹土問(wèn)題[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.

[2] 龔文惠.公路膨脹土路基的沉降和邊坡穩(wěn)定性研究[D].武漢:華中科技大學(xué)博士學(xué)位論文,2004.

[3] 陳偉志,蔣關(guān)魯,趙慧爽，等.鐵路路基下膨脹土地基浸水響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2014,36(8):1507-1514.

[4] 程展林,李青云,郭熙靈，等.膨脹土邊坡穩(wěn)定性研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2011,28(10):102-111.

[5] 吳應(yīng)明,付東輝.膨脹性圍巖隧道施工及病害整治[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2006,43(4)：50-55,61.

[6] 張?zhí)鞂?周良慧.馬嶺頭隧道膨脹性圍巖的工程地質(zhì)分析與治理[J].中外公路,2009,29(3)：149-151.

[7] 曾仲毅.降雨入滲下膨脹性黃土隧道圍巖力學(xué)特性及穩(wěn)定性分析[D].濟(jì)南:山東大學(xué)碩士學(xué)位論文,2014.

[8] 項(xiàng) 偉,董曉娟.南水北調(diào)潞王墳段弱膨脹土膨脹性研究[J].巖土力學(xué),2012,33(4):986-992.

[9] 劉 鵬.膨脹土抗剪強(qiáng)度與含水量的相互關(guān)系[J].土工基礎(chǔ),2011,25(4):66-68.

[10] 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].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(3):420-425.

[11] 周葆春,孔令偉,陳 偉，等.荊門(mén)膨脹土土—水特征曲線特征參數(shù)分析與非飽和抗剪強(qiáng)度預(yù)測(cè)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(5):1052-1059.

[12] 黃志全,岳康興,李 幻，等.濾紙法測(cè)定非飽和膨脹土土水特征曲線試驗(yàn)[J].南水北調(diào)與水利科技,2015,13(3):482-486.

[13] 曾召田,劉發(fā)標(biāo),呂海波，等.干濕交替環(huán)境下膨脹土變形試驗(yàn)研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2015,14(3):72-76.

[14] 胡 波,龔壁衛(wèi),黃 斌.水泥改性膨脹土的非飽和強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2010,9(4):12-15.

[15] JTG E40—2007,公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

[16] GB 50021—2001,巖土工程勘察規(guī)范[S].

[17] GB 50112—2013,膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范[S].

[18] 王 釗,楊金鑫,況娟娟，等.濾紙法在現(xiàn)場(chǎng)基質(zhì)吸力兩側(cè)中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2003，25(4)：405-408.

[19] 白福青,劉斯宏,袁 驕.濾紙法測(cè)定南陽(yáng)中膨脹土土水特征曲線試驗(yàn)研究.2011,33(6):928-933.

[20] Van Genuchten M T.A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J].Soil Science Society of America Journal,1980,44(5):892-898.

Laboratory experimental study on the strength and soil-water characteristics of unsaturated expansive soil

Guo Zhenshan

(KeyLaboratoryofHighwayConstructionandMaintenanceTechnologyinLoessRegion,ShanxiTransportationResearchInstitute,Taiyuan030006,China)

On the basis of a shallow-buried expansive soil tunnel, the direct shear test was conducted on the soil samples with different moisture content, and the empirical equations for the variation of strength parameters of expansive soil versus various moisture contents were evaluated. The variation of matric suction versus moisture contents during the moisture absorbing process was measured by filter paper method. Based on the test result, the Soil-Water Characteristic Curve (SWCC) was fitted and the parameters were determined by the V-G model. Test results show that the field expansive soil exhibits low compressive and medium expansibility. The friction angle decreased linearly, while the cohesion decreased quadratically with the increase of moisture content. The SWCC was in goodness of fit using the V-G model.

expansive soil, laboratory experiment, strength parameters, matric suction

1009-6825(2017)11-0100-04

2017-02-08

郭震山(1990- )，男，助理工程師

TU411

A