膨脹土干濕交替作用下殘余強(qiáng)度試驗(yàn)方案分析

王 卉

（安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院 合肥 230088）

1 前言

多年來，勘察單位一直利用“排水反復(fù)直接剪切試驗(yàn)”獲得膨脹土的殘余強(qiáng)度值。該試驗(yàn)方法通過對(duì)膨脹土原狀試樣反復(fù)慢剪3～6次后，將破壞曲線上的最終穩(wěn)定值作為膨脹土的殘余強(qiáng)度。其特點(diǎn)是試驗(yàn)過程較為簡單，試驗(yàn)結(jié)果易于獲取。但與膨脹土在自然條件下的抗剪強(qiáng)度衰減過程是不符的。從而造成室內(nèi)“排水反復(fù)直接剪切試驗(yàn)”的殘余強(qiáng)度值多數(shù)偏大。為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)盡可能接近真值，有必要研究可行的試驗(yàn)方案。

為實(shí)現(xiàn)室內(nèi)干濕交替試驗(yàn)，現(xiàn)設(shè)計(jì)三套方案：方案一，用原狀土筒取樣在室內(nèi)對(duì)土樣進(jìn)行干濕交替試驗(yàn)；方案二，取50cm×50cm×50cm立方體土樣在室內(nèi)完成試驗(yàn)；方案三，現(xiàn)場與室內(nèi)共同完成試驗(yàn)。

2 方案一

用原狀土筒取樣在室內(nèi)對(duì)土樣進(jìn)行干濕交替試驗(yàn)，試驗(yàn)前先測試樣的天然含水率、濕密度，計(jì)算孔隙比、飽和度等指標(biāo)；做天然土樣的固結(jié)快剪試驗(yàn)，確定天然土樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)C、Φ值；做顆粒分析和液塑限試驗(yàn)，以確定土類（定名）和天然土樣的強(qiáng)度狀態(tài)。

2.1 干濕交替試驗(yàn)

2.1.1 土樣第一次烘干

試驗(yàn)是在室內(nèi)測得模擬膨脹土樣在自然界中經(jīng)數(shù)次風(fēng)干和雨淋后土樣的殘余強(qiáng)度值；同一土樣至少做三次烘干、三次飽和，也可根據(jù)情況視膨脹土樣破壞程度定烘干和飽和的次數(shù)。

考慮到膨脹土經(jīng)烘培過后有可能有土樣剝落、斷裂等情況發(fā)生，試驗(yàn)土樣先不切入環(huán)刀內(nèi)，而是用土筒中的原狀土樣進(jìn)行烘培。為使土樣盡可能受熱均勻，因高溫可能會(huì)破壞土樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以烘箱的溫度初步控制在60℃、80℃和100℃三個(gè)溫度值。由于是初次對(duì)膨脹土的試驗(yàn)分析，膨脹土樣經(jīng)烘箱烘培過后的一系列變化都是未知的，等試驗(yàn)數(shù)據(jù)出來后，再根據(jù)情況分項(xiàng)作進(jìn)一步的分析。

土樣分別在三個(gè)溫度下烘培8～24h。土樣烘干后放入干燥缸內(nèi)自然冷涼，測試土樣在以上三個(gè)不同溫度下的試樣含水率。同時(shí)測得土樣烘干后的密度，以計(jì)算土樣的干密度、飽和度、孔隙比等指標(biāo)。初次試驗(yàn)結(jié)果出來后，最終確定合適溫度。

2.1.2 土樣第一次飽和

將干燥缸內(nèi)自然冷卻的土樣放在特制的飽和器內(nèi)，用真空抽氣飽和法給土樣飽和，用真空缸抽除缸內(nèi)及土中氣體，土樣在飽和缸內(nèi)靜置24h。

測第一次飽和后試樣的含水率、密度，計(jì)算孔隙比和飽和度指標(biāo)值，同時(shí)做固結(jié)快剪試驗(yàn)確定C、Φ值；土樣固結(jié)時(shí)間為4h，也可根據(jù)具體情況而定；每組試驗(yàn)取4個(gè)試樣在4種不同垂直壓力下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，最大壓力不超過200kPa，如果土質(zhì)松軟可分級(jí)施加荷重，以防試樣擠出。

2.1.3 土樣第二次烘干

將第一次飽和后的膨脹土樣從飽和器中取出，再次放入烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干，烘箱的溫度調(diào)整到最終確定的合適溫度。將烘干后的試樣放入干燥缸內(nèi)，冷涼后測第二次烘干土樣含水率、密度，計(jì)算孔隙比和飽和度值。

2.1.4 土樣第二次飽和

將第二次烘干后的土樣裝入特制飽和器內(nèi)，再次給土樣抽氣飽和。飽和后測土樣第二次飽和后的含水率、密度，計(jì)算孔隙比、飽和度，做固結(jié)快剪試驗(yàn)確定C、Φ值，土樣固結(jié)時(shí)間為4h。

2.1.5 土樣第三次烘干、飽和

方法同第二次烘干、飽和。重復(fù)2.1.3和2.1.4。試樣飽和后測土樣第三次飽和后的含水率、密度并計(jì)算孔隙比和飽和度指標(biāo)，做固結(jié)快剪試驗(yàn)確定C、Φ值。

以上三次抗剪強(qiáng)度參數(shù)值是土樣經(jīng)每一次飽和過后的固結(jié)快剪試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)值，殘余強(qiáng)度值在最后一次固結(jié)快剪峰值后按《土工試驗(yàn)規(guī)程》要求確定。土樣三次或多次干濕交替過后，把多次經(jīng)飽和過后的固結(jié)快剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，看強(qiáng)度參數(shù)C、Φ值的變化情況，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行列表、比對(duì)。

2.2 殘余抗剪強(qiáng)度值的確定

殘余強(qiáng)度值的確定用兩種試驗(yàn)方法取得，進(jìn)行數(shù)據(jù)的比較，選取殘余值最小的試驗(yàn)方法。

2.2.1 排水反復(fù)直接剪切試驗(yàn)

固結(jié)排水和固結(jié)快剪試驗(yàn)：把經(jīng)過數(shù)次干濕交替過后的土樣切入環(huán)刀內(nèi)，待固結(jié)穩(wěn)定后，再快速施加剪應(yīng)力使試樣剪切破壞，確定固快抗剪強(qiáng)度峰值。反復(fù)直接剪切試驗(yàn)是在慢速條件下，對(duì)試樣反復(fù)進(jìn)行剪切至剪應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定值，以求得土的殘余抗剪強(qiáng)度參數(shù)C、Φ值。

2.2.2 三軸壓縮試驗(yàn)——固結(jié)排水剪（CD）

用三軸壓縮試驗(yàn)方法測定土的抗剪強(qiáng)度。分別在不同恒定周圍壓力下，施加軸向壓力，進(jìn)行剪切直至破壞，然后求得抗剪強(qiáng)度參數(shù)C、Φ值。

試驗(yàn)前，土樣進(jìn)行數(shù)次干濕交替，用真空抽氣飽和法給土樣飽和；給土樣做固結(jié)排水剪（CD）試驗(yàn)，試樣在4種不同周圍壓力作用下排水固結(jié)，然后在允許試樣充分排水的情況下增加軸向壓力直到破壞。

分析：（1）土樣在經(jīng)歷第一次烘干和飽和后，有可能會(huì)出現(xiàn)土樣強(qiáng)度破壞嚴(yán)重的情況，所以根據(jù)實(shí)際情況來確定試驗(yàn)土樣是做三次烘干飽和還是兩次，也可能做了三次之后試樣的強(qiáng)度衰減較慢，而可能要做四次、五次甚至多次烘干飽和過程，視情況而定。（2）如何給土樣飽和是個(gè)問題，土樣烘干過后土樣尺寸（體積）會(huì)發(fā)生變化，給土樣飽和需要在土樣有側(cè)限的條件下飽和。

3 方案二

取50cm×50 cm×50cm立方體土樣在室內(nèi)完成試驗(yàn)。

3.1 干濕交替試驗(yàn)

3.1.1 土樣第一次烘干

將50cm×50cm×50cm土樣放在特制鐵皮盒內(nèi)，在第一次烘干前先測土樣的天然含水率、密度，計(jì)算孔隙比、飽和度，然后將土樣放入三個(gè)不同溫度下烘培至干。方法步驟同2.1.1。

3.1.2 土樣第一次飽和

測第一次飽和后試樣的含水率、密度，計(jì)算孔隙比和飽和度指標(biāo)值，同時(shí)做固結(jié)快剪試驗(yàn)確定C、Φ值。

3.1.3 土樣第二次烘干

方法同3.1.1，根據(jù)土樣干濕交替后的情況，確定做幾次干濕交替，將最后一次飽和后的土樣切入環(huán)刀內(nèi)，測土樣含水率、濕密度，計(jì)算干密度、飽和度和孔隙比等指標(biāo)值；做第二次飽和后試樣的固結(jié)快剪試驗(yàn)確定C、Φ值。

3.1.4 土樣第二次飽和

方法同3.1.2。

3.1.5 土樣第三次烘干、飽和

方法同 3.1.1、3.1.2。

3.2 殘余抗剪強(qiáng)度值的確定

3.2.1 排水反復(fù)直接剪切試驗(yàn)

固結(jié)排水和固結(jié)快剪試驗(yàn)，方法同2.2.1。

3.2.2 三軸壓縮試驗(yàn)——固結(jié)排水剪（CD）

在經(jīng)過數(shù)次干濕交替飽和后的大樣上切取3～4個(gè)三軸試樣，在應(yīng)變控制式三軸儀上，做固結(jié)排水剪（CD）試驗(yàn)，以確定抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C、Φ值，方法同2.2.2。

分析：此方法土樣尺寸相對(duì)過大，在給土樣烘干的過程中，由于土體過大，土樣內(nèi)部不容易烘干，存在內(nèi)部土樣烘干了，而外圍的土樣可能會(huì)出現(xiàn)剝落、松散等現(xiàn)象。

4 方案三

在現(xiàn)場通過數(shù)次淋水試驗(yàn)和太陽暴曬，完成干濕交替作用后，再將土樣運(yùn)回室內(nèi)，繼續(xù)測定殘余強(qiáng)度值。

4.1 干濕交替試驗(yàn)

4.2 殘余抗剪強(qiáng)度值的確定

土樣經(jīng)過多次干濕交替之后，在原位將土樣切入環(huán)刀內(nèi)，或?qū)F(xiàn)場干濕交替后的土樣取回室內(nèi)，在室內(nèi)做反復(fù)直接剪試驗(yàn)、用三軸儀做固結(jié)排水剪、確定抗剪強(qiáng)度參數(shù)C、Φ值。

4.2.1 排水反復(fù)直接剪切試驗(yàn)

固結(jié)排水和固結(jié)快剪試驗(yàn)：將現(xiàn)場每一次飽和過后的土樣取回室內(nèi)，在室內(nèi)做固結(jié)快剪實(shí)驗(yàn)確定抗剪強(qiáng)度參數(shù)C、Φ值。做反復(fù)慢剪試驗(yàn)以確定土樣的殘余抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C、Φ值，方法同2.2.1。

4.2.2 三軸壓縮試驗(yàn)——固結(jié)排水剪（CD）

把現(xiàn)場經(jīng)過每一次（做幾次干濕交替就取回幾次）飽和后的的土樣取回試驗(yàn)室內(nèi)，在土樣上切取3～4個(gè)三軸試樣，做固結(jié)排水剪（CD）試驗(yàn)，以確定C、Φ值。方法同2.2.2。

分析：此方法舍去了在室內(nèi)給土樣干濕交替的繁復(fù)過程和特制飽和容器的制作，可減少在室內(nèi)進(jìn)行干濕交替過程中試驗(yàn)的誤差。土樣在現(xiàn)場完成干濕交替后，取回室內(nèi)用環(huán)刀將土樣直接切取，方便了室內(nèi)做反復(fù)直接剪切試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)前給土樣飽和的制備過程，但是土樣在現(xiàn)場每一次飽和后，要將土樣送回室內(nèi)，增加了土樣在運(yùn)輸過程中對(duì)土樣的擾動(dòng)。

5 結(jié)語

綜上所述，三種試驗(yàn)方案中，第一種雖然復(fù)雜麻煩，但是最具研究價(jià)值，且具推廣性，可節(jié)約大量時(shí)間；第二種試驗(yàn)方案，有利有弊，雖然免去了飽和容器的制作，但是土樣50cm×50cm×50cm體積過大，在烘箱中烘培的時(shí)間不好掌握，而且在給土樣漂淋飽和的時(shí)候，土樣又過于偏小，有可能會(huì)讓土樣遇水崩解，因?yàn)橥翗又車膫?cè)限不夠大，也有可能出現(xiàn)土樣漂淋飽和的時(shí)間周期過長，影響工期；第三種試驗(yàn)方案，是現(xiàn)場與室內(nèi)配合完成，試驗(yàn)結(jié)果較接近真實(shí)，但是土工試驗(yàn)要等到開工階段才能進(jìn)行，影響工期