呂正勛 朱關(guān)震

（1.河南省水利工程安全技術(shù)重點實驗室，河南 鄭州 450002；2.河南省水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450002）

膨脹土主要成分是黏土礦物質(zhì)和高黏性土，其中高黏性土對環(huán)境的濕熱變化比較敏感。膨脹土顆粒呈高分散狀態(tài)，其礦物質(zhì)構(gòu)成成分主要有：高嶺石、蒙脫石以及伊利石等，在各種工程中膨脹土是一種比較麻煩的土，其主要特性是遇水膨脹，失水收縮，所以一般在膨脹土邊坡上雨季容易發(fā)生滑坡，導(dǎo)致各種不利現(xiàn)象，影響人們正常生活。因此，研究膨脹土在不同吸力狀態(tài)下的力學(xué)特征對人們生活有重要的指導(dǎo)意義［1-3］。

1 試驗簡介

1.1 試驗儀器

本次試驗采用GDS非飽和土三軸儀，試樣尺寸為：255mm×500mm。

1.2 試驗材料

本次試驗采取的膨脹土的自由膨脹率為：11.5%～78.5%，無荷膨脹率為0.6%～9.26%；膨脹土的含水量和干密度之間的關(guān)系如圖1所示；其塑限和液限分別為19%、39%；膨脹力為0.04～50.12kPa，天然飽和度為：64%～100%；天然直減殘余強度為20.38kPa，限縮率：1.2%～7.7%。

圖1 膨脹土擊實曲線圖

2 試驗方案

本次試驗嚴格按照《土工試驗方法標準》（GB／T50123.1999）進行試驗。

2.1 常規(guī)三軸試驗

試驗原理是首先對非飽和三軸試樣進行各向等壓固結(jié)排水，試驗固結(jié)完成以后保持圍壓應(yīng)力不變的情況下采用應(yīng)變控制方式施加應(yīng)力進行剪切試驗，直到試驗破壞為止，剪切速度一般為0.6mm/min。首先在三軸壓力室內(nèi)進行應(yīng)力狀態(tài)分析實驗，安裝好試驗后，分別為吸力50kPa、100kPa、150kPa下進行剪切試驗，實驗過程中測量試樣的體積變化。先進行吸力平衡，然后進行剪切。三軸試驗采用圓柱形試樣，試驗的過程中保持圍壓應(yīng)力不變的情況下，不斷降低軸向應(yīng)力直至達到破壞值，然后分析其應(yīng)力間的關(guān)系［4-6］。

3 試驗數(shù)據(jù)處理分析

3.1 膨脹土試驗中應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

一般情況下，在分析膨脹土力學(xué)特征的過程中首先要分析其應(yīng)力-應(yīng)變特性，主要是因為膨脹土的應(yīng)力應(yīng)變特性能夠很好地反映出其力學(xué)特性。如圖2為膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，此圖的繪制主要是利用計算機制圖軟件和數(shù)據(jù)采集進行繪制，在各種不同圍壓力情況下膨脹土的應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖2中不難看出，膨脹土在沒有被破壞之前，其應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系為正相關(guān)關(guān)系，隨著應(yīng)力的不斷提高，膨脹土偏應(yīng)力速度增加逐漸緩慢，一直到偏應(yīng)力達到峰值為止。膨脹土在50kPa吸力狀態(tài)下應(yīng)力峰值點對應(yīng)力的剪切應(yīng)變在7%～10%范圍內(nèi)，應(yīng)力在100kPa、150kPa吸力狀態(tài)下應(yīng)力隨著應(yīng)變力的增加而增加，達到峰值后，峰值點對應(yīng)力峰值逐漸增大，達到峰值時相對應(yīng)的剪應(yīng)變越大。

圖2 應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

3.2 內(nèi)摩擦角、黏聚力分析

在進行分析膨脹土力學(xué)特性的過程中一般利用c表示其黏聚力，利用α表示內(nèi)摩擦角，計算方法可以利用應(yīng)力摩爾圓法和應(yīng)力路徑法進行計算。其中應(yīng)力摩爾圓法的計算原理主要是根據(jù)摩爾圓包線處理方式進行計算，在此過程中繪制抗剪強度曲線。而應(yīng)力路徑法的計算首先要畫出應(yīng)力路徑的坐標，并分析出膨脹土受荷時主應(yīng)力大小，然后分析應(yīng)力路徑曲線，經(jīng)過以上各個部分的分析與總結(jié)，進而分析試樣土在極限狀態(tài)時不同原頂點的連線。然后在此分析的基礎(chǔ)上，得出以下計算公式：

根據(jù)α和c的計算公式能夠計算出在不同吸力狀態(tài)下膨脹土的內(nèi)摩擦角和黏聚力，然后結(jié)合計算機計算軟件，對本次試驗的實驗結(jié)果實施進一步的分析和總結(jié)，我們發(fā)現(xiàn)利用應(yīng)力摩爾法得到膨脹土的c=5.20kPa，α=27.74°。而采用應(yīng)力路徑法得到的c、α值分別為6.59kPa、28°，經(jīng)過以上分析發(fā)現(xiàn)這兩種方法計算出的c、α值基本吻合［7-9］。

4 結(jié)論

本次試驗我們利用三軸壓縮試驗對不同吸力下膨脹土力學(xué)特征記性分析，通過一系列的分析與總結(jié)發(fā)現(xiàn)膨脹土力學(xué)特征主要受兩個方面的因素的影響：內(nèi)因和外因，其中內(nèi)因主要是膨脹土的形狀、孔隙結(jié)構(gòu)、顆粒形狀等，而外因主要指膨脹土的彈性和應(yīng)力因素。通過讀一以上的分析可以得出如下結(jié)論：

4.1 膨脹土應(yīng)力特性

膨脹土在低圍壓狀態(tài)下和正常圍壓狀態(tài)下的剪切特性為：低圍壓狀態(tài)下膨脹土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和普通圍壓裝下走向基本一致，就是說在試樣沒有發(fā)生破損之前，應(yīng)力和應(yīng)變之間是正相關(guān)的關(guān)系，而且在小應(yīng)變的狀態(tài)下，應(yīng)力增加速度比較快，而當應(yīng)力達到峰值以后，試樣被破壞，土樣在低圍壓時應(yīng)力峰值點，對應(yīng)的剪應(yīng)力變小。

4.2 膨脹土抗剪能力

一般采用應(yīng)力摩爾圓法和應(yīng)力路徑法計算c、α值，這兩個值之間有很好的吻合性。通過計算我們發(fā)現(xiàn)不同圍壓下膨脹土的抗剪強度也不同，低圍壓狀態(tài)下膨脹土的內(nèi)摩擦角比較大，影響的其抗剪能力也越強。所以在實際工程建設(shè)中應(yīng)該重視不同應(yīng)力水平下膨脹土的設(shè)計參數(shù)的選取。

通過以上我們對膨脹土在低圍壓狀態(tài)下特性進行的分析與總結(jié)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力路徑、模型特性、土樣結(jié)構(gòu)、性狀等均對其力學(xué)特性有一定的關(guān)系，其中應(yīng)力對膨脹土抗剪強度有很大的關(guān)系，土樣顆粒性狀和膨脹土剪脹性、彈性等均有低圍壓狀態(tài)下膨脹土力學(xué)特性有一定的關(guān)聯(lián)性，在工程分析的過程中要多考慮膨脹土的這些因素，適當?shù)倪x擇特性相對較好的膨脹土進行工程建設(shè)，最大限度地提高土樣的抗剪強度、承壓能力等力學(xué)特性。

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