李云鵬，林一芃，張晶旭

河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局國土資源勘查中心(河北省礦山和地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援中心)，河北 石家莊 050081

0 引言

膨脹土是實(shí)際工程中的一種特殊土體，因富含蒙脫石、伊利石、高嶺石等親水性黏土礦物，具有吸水膨脹、失水收縮的膨脹特性，除此之外膨脹土還具有裂隙性、超固結(jié)性等特性。膨脹土的諸多特殊性質(zhì)導(dǎo)致的土體強(qiáng)度衰減問題，引起學(xué)者的廣泛關(guān)注。例如：張曉麗[1]、戴福初等[2]對不同黏粒含量膨脹土進(jìn)行快剪、反復(fù)直剪試驗(yàn)，對比不同條件下的快剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了飽和、固結(jié)環(huán)節(jié)在不同黏粒含量膨脹土中發(fā)揮的作用，梳理出黏粒含量與峰值、殘余強(qiáng)度及其強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系。趙鑫等[3]對南陽強(qiáng)膨脹土進(jìn)行大剪試驗(yàn)，研究結(jié)果表明裂隙面的發(fā)育程度、傾角、起伏度對膨脹土抗剪強(qiáng)度都有影響。黃志全等[4]通過直剪試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)對裂隙面強(qiáng)度進(jìn)行研究，指出了裂隙面傾角和填充黏土厚度均對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)起到負(fù)面影響，且傾角的影響更為突出。胡旭輝等[5]通過開展干濕循環(huán)條件下的直剪試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)強(qiáng)度衰減主要集中在前3次的干濕循環(huán)過程，之后逐漸趨于穩(wěn)定，且黏聚力呈現(xiàn)的衰減規(guī)律比內(nèi)摩擦角更明顯，研究結(jié)果針對實(shí)際工況中強(qiáng)度參數(shù)的選取給出了合理建議。楊和平等[6]在干濕循環(huán)效應(yīng)對膨脹土的強(qiáng)度影響進(jìn)行過類似的研究，結(jié)果證實(shí)無論是原狀樣還是重塑樣，干濕循環(huán)后的強(qiáng)度衰減主要為黏聚力值的明顯降低。蔣曉慶等[7]通過殘余強(qiáng)度試驗(yàn)儀對膨脹土進(jìn)行反復(fù)剪切試驗(yàn)，證明了弱膨脹土殘余強(qiáng)度受到初始含水率和豎向應(yīng)力的影響，并對不同豎向應(yīng)力作用下含水率與強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，所得結(jié)果對于邊坡穩(wěn)定性分析及滑坡防治具有一定的參考價值。

關(guān)于膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響因素，以往學(xué)者在裂隙、干濕循環(huán)、豎向應(yīng)力、黏粒含量、含水率等方面的研究取得了豐碩的成果，得出了很多重要的結(jié)論。文章擬聚焦于含水率的變化對膨脹土強(qiáng)度的影響，在前人已有結(jié)論的基礎(chǔ)上對含水率的影響效果進(jìn)一步探究，以期更好的描述膨脹土抗剪強(qiáng)度與含水率之間的關(guān)系。作者以南水北調(diào)中線工程邯鄲段強(qiáng)膨脹土為研究對象，通過反復(fù)剪切試驗(yàn)，對不同初始含水率重塑膨脹土的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度變化情況進(jìn)行研究，分析含水率的變化對于膨脹土強(qiáng)度的影響特征，期望為該地區(qū)工程建設(shè)中強(qiáng)度參數(shù)的選取提供一定的參考依據(jù)。

1 膨脹土反復(fù)直剪試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)土樣

本次試驗(yàn)用土取自南水北調(diào)中線工程邯鄲段，取土深度1.6～1.8 m。土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)嚴(yán)格依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—2019)進(jìn)行測試，測得各項(xiàng)指標(biāo)見表1，由表1可知土樣天然含水率為26%，干密度為1.51 g/cm3，滲透系數(shù)為4.62×10-8，滲透性差，起隔水作用，自由膨脹率為90%，根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB50112—2013)將該土樣膨脹性等級定為強(qiáng)膨脹土。圖2為膨脹土的粒徑級配曲線，由圖2可知土樣的黏粒含量為33.7%，粉粒含量為59.7%，砂粒含量為5.1%，黏粒含量較高，顆粒分布均勻，級配較差。

圖1 強(qiáng)膨脹土粒徑級配曲線Fig.1 Particle size distribution curve of strong expansive soil

圖2 剪切前后樣品圖Fig.2 Sample images before and after cutting

表1 強(qiáng)膨脹土土樣基本屬性Table 1 Basic properties of strong expansive soil samples

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)采用ZJ型四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀(四聯(lián)剪)，剪切盒內(nèi)可制備尺寸為直徑61.8 mm，高度為20 mm的重塑土試樣。上下剪切盒在工作時水平進(jìn)行剪切，儀器可同時剪切4個不同豎向應(yīng)力的試樣，自動采集剪切位移數(shù)據(jù)，同時根據(jù)鋼環(huán)變形情況，通過鋼環(huán)系數(shù)求得對應(yīng)的剪應(yīng)力。

試驗(yàn)制備重塑土樣，依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)進(jìn)行樣品制備與方案設(shè)計(jì)，根據(jù)土體的粒徑分布情況，選取小于2 mm的土顆粒進(jìn)行試驗(yàn)，將樣品烘干、碾碎后，過篩得到試驗(yàn)用土，控制試樣密度為1.7 g/cm3，制備15%、20%、25%、飽和(BH)4組含水率條件的環(huán)刀樣，每組需制備4個試樣，控制豎向應(yīng)力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。將試樣壓入剪切盒，設(shè)置剪切速率為0.02 mm/min，反推速率為0.6 mm/min，每次剪切位移控制在6 mm以內(nèi)，在反復(fù)剪切試驗(yàn)過程中，一般剪切4～5次就會出現(xiàn)相鄰兩次剪應(yīng)力—位移曲線相近的情況，本試驗(yàn)以第一次剪切強(qiáng)度為峰值強(qiáng)度，第5次剪切強(qiáng)度為殘余強(qiáng)度，經(jīng)過5次反復(fù)剪切后總剪切位移可達(dá)到30 mm左右，剪切前后的土樣照片見圖2。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 剪應(yīng)力—剪切位移關(guān)系

繪制剪應(yīng)力—剪切位移關(guān)系曲線如圖3所示，初始含水率相同時，試樣的峰值強(qiáng)度隨豎向應(yīng)力的增大而增大，以含水率20%為例，每級豎向應(yīng)力的峰值強(qiáng)度相比于前一級壓力的峰值強(qiáng)度上升幅度分別為12.3%、14.6%、29%。這點(diǎn)與蔣曉慶等[7]利用全自動殘余強(qiáng)度儀對弱膨脹土強(qiáng)度隨豎向應(yīng)力的變化規(guī)律所得結(jié)論是一致的，由于豎向應(yīng)力的增加可以促進(jìn)土粒的相互咬合，對土體的壓密作用顯著，增加剪切面的摩擦力，從而提高了強(qiáng)度。含水率達(dá)到飽和后，峰值強(qiáng)度較不飽和土樣顯著降低，不同豎向應(yīng)力的剪切峰值也相差不大，說明飽和含水率膨脹土受豎向應(yīng)力影響不再明顯。

圖3 剪應(yīng)力—剪切位移曲線Fig.3 Shear stress-shear displacement curve

第1次剪切時15%含水率不同豎向應(yīng)力下的應(yīng)力—位移曲線均出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，豎向應(yīng)力越低時，軟化現(xiàn)象越明顯。隨著含水率的增長，豎向應(yīng)力相同時試樣的峰值強(qiáng)度逐漸降低，剪切強(qiáng)度趨于穩(wěn)定不再發(fā)生軟化，達(dá)到“穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度”，對此繆林昌等[8]分析其原因?yàn)榕蛎浲梁噬仙馏w的結(jié)構(gòu)力降低，土體在外力作用下出現(xiàn)破壞后，相應(yīng)的強(qiáng)度下降趨勢沒有結(jié)構(gòu)力大時明顯，因此看不到明顯的軟化。豎向應(yīng)力為200 kPa時，含水率上升時的峰值強(qiáng)度相比于前一含水率的峰值強(qiáng)度下降幅度分別為14.9%、43.5%、65.7%。曲線變化特征說明初始含水率對于強(qiáng)膨脹土的峰值強(qiáng)度影響顯著，含水率越大，峰值強(qiáng)度越低。對于峰值強(qiáng)度隨著含水率的上升而降低，應(yīng)變軟化向弱硬化現(xiàn)象的發(fā)展，可以解釋為含水率較低時土體結(jié)構(gòu)較為完整，剪應(yīng)力小于剪切強(qiáng)度時土體結(jié)構(gòu)承擔(dān)了一部分剪應(yīng)力，當(dāng)剪應(yīng)力超過其抗剪強(qiáng)度，土體結(jié)構(gòu)遭到破壞導(dǎo)致峰值后出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象。但隨著含水率增加，結(jié)構(gòu)性遭到破壞致使峰值后段不再出現(xiàn)應(yīng)變軟化。

第5次剪切時，殘余強(qiáng)度較峰值強(qiáng)度均有明顯的降低。以含水率15%為例，100～400 kPa豎向應(yīng)力的殘余強(qiáng)度較峰值強(qiáng)度下降幅度分別為41%、27.1%、7.6%、12.4%。以豎向應(yīng)力300 kPa為例，15%含水率到飽和含水率的殘余強(qiáng)度較峰值強(qiáng)度下降幅度分別為7.6%、9.1%、14%、44.2%。殘余強(qiáng)度與豎向應(yīng)力和含水率的對應(yīng)關(guān)系與峰值強(qiáng)度曲線特征類似，對此不再贅述分析。不同的是，對比峰值強(qiáng)度曲線，圖3(a)、3(b)應(yīng)力—位移曲線顯示反復(fù)剪切過程中應(yīng)變軟化現(xiàn)象消失，出現(xiàn)了明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，張曉麗、戴福初等在膨脹土剪切強(qiáng)度試驗(yàn)研究中也得出了相似特征的曲線，Bishop[9]曾在環(huán)剪試驗(yàn)中提出剪應(yīng)力隨剪切位移持續(xù)增大是由于擠壓和機(jī)械摩擦造成，作者分析認(rèn)為Bishop的觀點(diǎn)同樣可以解釋本試驗(yàn)中曲線的變化特征，而圖4(c)、4(d)未現(xiàn)應(yīng)變硬化可以理解為含水率的提高促進(jìn)滑動、減少摩擦，下文中峰殘內(nèi)摩擦角隨含水率的變化特征可以驗(yàn)證分析。

圖4 不同含水率的強(qiáng)度包線Fig.4 Strength envelopes with different moisture contents

2.2 含水量對膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響

繪制不同含水率的峰值強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度包線如圖4所示，根據(jù)摩爾庫倫準(zhǔn)則，得到不同含水率的峰殘抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值如表2和圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，含水率對峰殘強(qiáng)度指標(biāo)均有較大影響，指標(biāo)與含水率的關(guān)系整體上呈負(fù)相關(guān)。對于非飽和膨脹土，峰值黏聚力水敏性較內(nèi)摩擦角更強(qiáng)，含水率至25%時，黏聚力僅為37.1 kPa，下降幅度達(dá)76.9%，峰值內(nèi)摩擦角下降幅度為22.5%。在塑限含水率(22.2%)之前，峰值黏聚力隨含水率增大下降緩慢，大于塑限含水率時，隨含水率的增大快速下降；在試樣飽和前，內(nèi)摩擦角隨含水率下降緩慢，試樣含水率飽和時，內(nèi)摩擦角明顯降低。

圖5 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分布Fig.5 Distribution of shear strength indicators

表2 抗剪強(qiáng)度參數(shù)Table 2 Shear strength parameters

總體上，在含水率較低時(15%)的峰值與殘余黏聚力差值較大，為105.2 kPa，下降幅度達(dá)到65.4%，隨含水率的增大，其差值越來越小，至含水率飽和時，差值為-0.5 kPa；含水率15%、20%時的殘余內(nèi)摩擦角大于峰值內(nèi)摩擦角，可以驗(yàn)證圖4(a)、4(b)應(yīng)力—位移曲線逐漸顯示出的應(yīng)變硬化現(xiàn)象。峰殘內(nèi)摩擦角在含水率達(dá)到飽和時快速減小，此時的膨脹土強(qiáng)度主要由內(nèi)聚力提供。

2.3 豎向應(yīng)力對剪切面摩擦系數(shù)的影響

摩擦系數(shù)f是指兩表面間的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值，它可以表征物體表面的粗糙度，在直剪試驗(yàn)中用剪應(yīng)力與豎向壓力之比表示。邯鄲膨脹土直剪試驗(yàn)結(jié)果表明(圖6、圖7)，無論是峰值強(qiáng)度還是殘余強(qiáng)度，摩擦系數(shù)f均隨豎向壓力的增大而逐漸減小，當(dāng)豎向應(yīng)力增大到300 kPa，峰殘強(qiáng)度的摩擦系數(shù)基本穩(wěn)定，不再發(fā)生變化。豎向壓力越小剪切面越粗糙，隨豎向壓力增大，顆粒趨向于使剪切面更光滑的狀態(tài)定向排列。整體上，摩擦系數(shù)隨含水率的增大呈減小趨勢，且豎向應(yīng)力對摩擦系數(shù)的影響隨含水率的增大而逐漸減小，當(dāng)含水率達(dá)到飽和時，豎向壓力對摩擦系數(shù)的影響已經(jīng)很小，此時各豎向壓力下的摩擦系數(shù)f均小于0.5。

圖6 摩擦系數(shù)隨垂向壓力變化曲線Fig.6 Curve of friction coefficient with vertical pressure variation

圖7 摩擦系數(shù)隨含水率變化曲線Fig.7 Curve of friction coefficient changing with water content

3 結(jié)論

通過反復(fù)直剪試驗(yàn)對南水北調(diào)中線工程邯鄲渠坡膨脹土抗剪強(qiáng)度及其影響因素進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論和認(rèn)識：

(1)豎向應(yīng)力和初始含水率對于強(qiáng)膨脹土的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度都有影響，豎向應(yīng)力與強(qiáng)度值呈正相關(guān)，初始含水率與強(qiáng)度值呈負(fù)相關(guān)。豎向應(yīng)力增加可以促進(jìn)土顆粒的咬合作用進(jìn)而使強(qiáng)度增強(qiáng)，初始含水率增長可以破壞土中的膠結(jié)物質(zhì)，促進(jìn)相對滑動進(jìn)而使強(qiáng)度減弱。對此，膨脹土工程中可以使用較大的豎向應(yīng)力來提高土體穩(wěn)定性，且應(yīng)當(dāng)充分考慮含水率的升高對膨脹土強(qiáng)度的顯著影響。

(2)強(qiáng)膨脹土的峰值抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和殘余抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均隨含水率整體呈降低的趨勢，含水率變化主要通過影響?zhàn)ぞ哿碛绊懛秋柡团蛎浲恋目辜魪?qiáng)度，膨脹土飽和時黏聚力和內(nèi)摩擦角對膨脹土的抗剪強(qiáng)度影響都很顯著。對于研究區(qū)強(qiáng)膨脹土而言，可能存在一個使強(qiáng)度指標(biāo)加速變化的含水率臨界值(20%到25%之間)，當(dāng)含水率超過臨界值后，強(qiáng)度指標(biāo)變化非常明顯，對于研究區(qū)膨脹土隨臨界含水率發(fā)生強(qiáng)度驟降的情況應(yīng)當(dāng)提起足夠的重視。

以上研究結(jié)果是對于特定地區(qū)的重塑強(qiáng)膨脹土進(jìn)行試驗(yàn)所得，試驗(yàn)中使用的ZJ型四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀，儀器操作簡單便捷，但儀器的數(shù)據(jù)采集功能存在一定的缺陷，試驗(yàn)結(jié)束后不能獲取中間過程(第2、3、4次)的剪切原始數(shù)據(jù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時不能更完善的說明五次剪切過程的變化規(guī)律。且因人為制得重塑樣品的差異性，使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了個別奇異點(diǎn)，但整體的規(guī)律較為明顯，對于膨脹土強(qiáng)度特性研究以及工程中強(qiáng)度參數(shù)選取具有一定的參考價值。