平頂山膨脹土水分影響的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究

翟聚云, 郝 曉, 衛(wèi)國(guó)祥, 馬明江, 言志信, 原 瑞， 王靜雯

(河南城建學(xué)院, 河南 平頂山 467000)

平頂山膨脹土水分影響的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究

翟聚云, 郝 曉, 衛(wèi)國(guó)祥, 馬明江, 言志信, 原 瑞， 王靜雯

(河南城建學(xué)院, 河南 平頂山 467000)

以河南平頂山膨脹土為研究對(duì)象，試驗(yàn)研究膨脹土不同壓力、不同含水量的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，相同干密度和含水量情況下，隨著壓力的增加，抗剪強(qiáng)度逐漸增加。相同含水量情況下，抗剪強(qiáng)度隨密度變化不明顯。相同干密度情況下，內(nèi)摩擦角隨含水量增加呈線性減小，含水量增加到一定程度，內(nèi)摩擦角減小到0，繼續(xù)增加含水量，內(nèi)摩擦角保持為0。含水量較小時(shí)，粘聚力隨著含水量增加而增加，當(dāng)增加到一定程度時(shí)，隨含水量升高而逐漸減小，相同壓力下的抗剪強(qiáng)度顯著降低。

路基; 膨脹土； 含水量； 抗剪強(qiáng)度

0 引言

膨脹土具有較強(qiáng)的水敏感性，遇水會(huì)有強(qiáng)度與變形的顯著變化[1]，膨脹土工程問(wèn)題是巖土工程領(lǐng)域中的世界級(jí)技術(shù)難題[2]。淺層膨脹土受大氣環(huán)境與降雨的影響，含水量變化較大[3]，造成膨脹土路基邊坡滑坡等災(zāi)害，如2002年江蘇鎮(zhèn)江南徐大道，大暴雨過(guò)后，形成了500 m的膨脹土滑坡，對(duì)膨脹土強(qiáng)度及邊坡穩(wěn)定研究具有重要意義[4-6]。

研究者對(duì)河南平頂山膨脹土性質(zhì)進(jìn)行了研究，黃光壽[7](1992)對(duì)平頂山膨脹土工程地質(zhì)特征進(jìn)行研究；劉興[8](2014)對(duì)南水北調(diào)平頂山膨脹土段的土性改良研究；翟聚云等[9,10](2009、2012)，對(duì)平頂山膨脹土的變形性能及水分遷移特征進(jìn)行試驗(yàn)研究。在研究者對(duì)平頂山膨脹土探討中，鮮有對(duì)膨脹土強(qiáng)度的報(bào)道，本文以河南平頂山膨脹土為研究對(duì)象，土樣取自平頂山市建設(shè)路與東風(fēng)路交叉口處，通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)，得膨脹土的塑限22.85%，17 mm液限45.72%，10 mm液限38.2%，自由膨脹率55%。

對(duì)代表性膨脹土，風(fēng)干過(guò)2 mm篩，試驗(yàn)室溫21 ℃，制成干密度分別為1.5 g/cm3及1.6 g/cm3，多個(gè)含水量的重塑膨脹土樣，分別在50、100、200、300及400 kPa壓力下進(jìn)行直剪試驗(yàn)，得到不同條件下的抗剪強(qiáng)度，以下通過(guò)抗剪強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度參數(shù)分別討論。

1 不同含水量下的抗剪強(qiáng)度

含水量較大時(shí)，抗剪強(qiáng)度曲線的內(nèi)摩擦角接近0°，對(duì)含水量30%、31%、33%的曲線進(jìn)行分析，見(jiàn)圖1所示。

圖1 33%、31%、30%時(shí)抗剪強(qiáng)度～壓力曲線

由圖1可以看出，含水量水平較高情況下，隨著含水量的升高，相同壓力下的抗剪強(qiáng)度顯著降低，含水量增加到一定程度，內(nèi)摩擦角減小到0，且粘聚力隨著含水量增加而顯著減小。

對(duì)含水量相對(duì)較小的26%、24%、20%抗剪強(qiáng)度曲線進(jìn)行分析，見(jiàn)圖2所示。

圖2 26%、24%、20%時(shí)抗剪強(qiáng)度～壓力曲線

由圖2可以看出，含水量相對(duì)較小情況下，抗剪強(qiáng)度曲線的內(nèi)摩擦角隨含水量增加而減小，相同含水量情況下，抗剪強(qiáng)度隨密度變化不明顯。

2 不同壓力下的抗剪強(qiáng)度

將干密度1.5 g/cm3和1.6 g/cm3情況下，不同含水量、不同壓力下的抗剪強(qiáng)度作一對(duì)比得到圖3、圖4。

圖3 干密度1.5 g/cm3的抗剪強(qiáng)度～含水量曲線

圖4 干密度1.6 g/cm3的抗剪強(qiáng)度～含水量曲線

由以上圖可以看出，相同干密度和含水量情況下，隨著壓力的增加，抗剪強(qiáng)度逐漸增加。

3 不同含水量下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)

為了揭示抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律，分別從抗剪強(qiáng)度方程，內(nèi)摩擦角，凝聚力來(lái)討論抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

3.1 抗剪強(qiáng)度方程

將多個(gè)含水量的抗剪強(qiáng)度曲線擬合方程進(jìn)行對(duì)比，干密度1.5 g/cm3時(shí)膨脹土的抗剪強(qiáng)度特征見(jiàn)表1。

表1 干密度1.5g/cm3時(shí)膨脹土的抗剪強(qiáng)度特征含水量/%抗剪強(qiáng)度方程/kPa19.11τf=0.466σ+4420.00τf=0.3985σ+45.97321.12τf=0.325σ+5824.00τf=0.2303σ+61.16225.00τf=0.176σ+5026.00τf=0.1645σ+43.23830.00τf=0.0662σ+45.11431.00τf=33.5133.00τf=24.16

干密度1.6 g/cm3時(shí)膨脹土的抗剪強(qiáng)度特征見(jiàn)表2。

表2 干密度1.6g/cm3時(shí)膨脹土的抗剪強(qiáng)度特征含水量/%抗剪強(qiáng)度方程/kPa19.11τf=0.532σ+3620.00τf=0.4316σ+3721.12τf=0.287σ+6824.00τf=0.2184σ+67.18925.00τf=0.141σ+5826.00τf=0.1126σ+55.69430.00τf=0.062σ+43.20131.00τf=34.233.00τf=24.16

3.2 內(nèi)摩擦角與含水量的關(guān)系

將干密度1.5 g/cm3，不同含水量的內(nèi)摩擦角在圖5中表示。

圖5 干密度1.5 g/cm3時(shí)膨脹土內(nèi)摩擦角與含水量關(guān)系曲線

可以看出，內(nèi)摩擦角與含水量關(guān)系成較好的直線關(guān)系：

φ=-1.924 9ω+59.804;R2=0.977 4

式中：φ為內(nèi)摩擦角，(°);ω為含水量，%。

干密度1.6 g/cm3含水量19%～31%與內(nèi)摩擦角圖象見(jiàn)圖6。

圖6 干密度1.6 g/cm3時(shí)膨脹土內(nèi)摩擦角與含水量關(guān)系曲線

由以上分析可以看出，隨著含水量的增加，內(nèi)摩擦角近似直線下降。原因是隨著含水量增加，圍繞土體顆粒周圍水分增加，減小了摩擦力所致。當(dāng)增加到一定程度，含水量為31%時(shí)，土體顆粒接觸面全部被水充滿，內(nèi)摩擦角降低為0，含水量繼續(xù)增加，內(nèi)摩擦角保持為0。

3.3 粘聚力與含水量的關(guān)系

干密度1.5 g/cm3和1.6 g/cm3的粘聚力與含水量的關(guān)系曲線如圖7和圖8。

圖7 干密度1.5 g/cm3時(shí)膨脹土粘聚力與含水量關(guān)系曲線

圖8 干密度1.6 g/cm3時(shí)膨脹土粘聚力與含水量關(guān)系曲線

可以看出，當(dāng)含水量較小時(shí)，粘聚力隨著含水量增加而增加，原因是隨著含水量增加，土顆粒接觸面積增加，之間的粘結(jié)力隨著增加。當(dāng)增加到一定程度時(shí)，隨含水量增加土顆粒之間的孔隙減小，土體顆粒之間基質(zhì)吸力減小，表現(xiàn)為凝聚力減小。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)平頂山膨脹土抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)研究，得到平頂山膨脹土強(qiáng)度隨含水量、干密度、壓力的變化規(guī)律，為當(dāng)?shù)靥厥馔恋氖┕ぴO(shè)計(jì)提供必要的參考。

[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.

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[3] 沈珠江.非飽和土力學(xué)實(shí)用化之路探索[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(2)：256-259.

[4] 詹良通.非飽和膨脹土邊坡中土水相互作用機(jī)理[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2006,40(3)：496-497.

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[8] 劉興，孔令一.南水北調(diào)中線工程水泥改性的試驗(yàn)研究[J].云南水力發(fā)電，2014， 30(1):25-27.

[9] 翟聚云,衛(wèi)國(guó)祥.干密度對(duì)非飽和膨脹土水分遷移參數(shù)的影響[J].巖土力學(xué),2009,30(11):3338-3341.

[10] 翟聚云,金光磊,周順,等.平頂山膨脹土工程性質(zhì)試驗(yàn)研究[J].鐵道建筑,2012(10)：112-114.

2016-08-29

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(152102310091)資助

翟聚云(1968-)，女,碩士，教授，主要從事特殊土力學(xué)性質(zhì)研究。

1008-844X(2017)01-0010-03

U 412.22+1

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