張曉麗　周　進　黃志全　王　偉　張瑞旗

(華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院　鄭州　450011)

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黏粒含量對磁縣段膨脹土抗剪強度影響的試驗研究*

張曉麗周進黃志全王偉張瑞旗

(華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院鄭州450011)

利用電動應(yīng)變控制式直剪儀及直剪/殘余剪切試驗儀對南水北調(diào)磁縣段不同黏粒含量的原狀膨脹土進行快剪、飽和快剪、飽和固結(jié)快剪和反復(fù)直剪試驗，研究黏粒含量對其抗剪強度的影響。研究表明：飽和后試樣的抗剪強度明顯降低，固結(jié)后強度提高，且飽和作用對黏粒含量較大的中膨脹土強度的削弱作用更為顯著，固結(jié)作用對黏粒含量較小的弱膨脹土強度的“治愈”作用更顯著； 隨黏粒含量的增大，黏聚力逐漸減小，內(nèi)摩擦角則先減后增，其臨界值在32%左右； 峰值強度后的抗剪強度降低幅度隨黏粒含量的增加而增大； 土體的峰值強度τf隨黏粒含量則先減后增，變化趨勢比較平緩； 殘余強度τr隨黏粒含量增加逐漸減小，成指數(shù)關(guān)系； 殘余強度內(nèi)摩擦角φr與黏粒含量成對數(shù)關(guān)系，黏聚力cr則比較離散。

原狀膨脹土反復(fù)直剪黏粒含量峰值強度殘余強度

0　引　言

膨脹土因具有脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性，較一般的黏性土更為復(fù)雜(劉特洪， 1997； 繆林昌等， 2002； 陳尚法等，2010)。關(guān)于膨脹土的強度指標(biāo)的影響因素以及試驗方法，國內(nèi)外已有大量的研究，并提出了許多重要的結(jié)論。戴福初等(1998)對黏性土的殘余強度的試驗方法和影響因素進行分析表明，殘余強度與有效法向應(yīng)力間成非線性關(guān)系； 與單剪測試結(jié)果相比，多級剪測試結(jié)果明顯偏高?？娏植?2006)通過不同干密度、不同吸力的非飽和膨脹土的三軸試驗，發(fā)現(xiàn)非飽和重塑膨脹土的吸力強度與吸力的雙曲線特性。黃志全等(2008)以南陽膨脹土為例，

表1　試驗土樣的基本物理參數(shù)Table1　Basic physical parameter of tested soils

土樣編號顆粒級配液塑限指標(biāo)壓縮指標(biāo)砂粒粉粒黏粒液限塑限塑性指數(shù)壓縮系數(shù)壓縮模量顆粒大小/mm0.25～0.0750.075～0.005<0.005WL17WPIPa1-2Es1-2/%/%/%/%/%/MPa-1/MPa121.763.215.136.722.514.20.13811.24213.762.320.737.519.418.10.1649.7433.962.633.562.732.130.60.15212.1043.350.845.969.236.133.10.11514.72

通過原位直剪試驗，研究了南陽膨脹土的抗剪強度特性，并提出了膨脹土抗剪強度的修正公式。趙文建等(2009)通過對百色擊實重塑膨脹土抗剪強度研究發(fā)現(xiàn)：隨干密度增大，膨脹土峰值強度增加，殘余強度變化不顯著。徐彬等(2011)通過對膨脹土干濕循環(huán)過程中的抗剪強度研究發(fā)現(xiàn)含水率、密度及裂隙是影響其強度的3個因素。許成順等(2013)通過對黏性土進行環(huán)剪試驗發(fā)現(xiàn)應(yīng)力歷史對黏性土的影響不太明顯，黏土的峰值強度與超固結(jié)比正相關(guān)； 殘余強度隨塑性指數(shù)增大而降低。趙鑫等(2014)通過對南水北調(diào)中線南陽段膨脹土進行大型直剪試驗，結(jié)果表明裂隙的發(fā)育程度、裂隙面的起伏程度、傾角均對膨脹土抗剪強度影響很大。強菲等(2014)在黃土的完全軟化強度與殘余強度的分析中發(fā)現(xiàn)黏粒含量對兩種強度差值的影響隨預(yù)壓固結(jié)應(yīng)力的減小呈乘冪性增大?？辜魪姸戎笜?biāo)對地基處理及邊坡穩(wěn)定分析等至關(guān)重要，然而對膨脹土強度影響較大的黏粒含量方面的研究較少，因此針對不同黏粒含量下的抗剪強度進行研究有實際工程意義。本文以南水北調(diào)河北磁縣段的膨脹土為研究對象，該區(qū)域分布的膨脹土主要是第三系中新統(tǒng)黏土、黏土巖，強度等級以中強為主(何運龍等， 2014)。本文采用電動應(yīng)變控制式直接剪切儀及直剪/殘余剪切試驗儀對不同黏粒含量的膨脹土在不同法向應(yīng)力和不同狀態(tài)下進行抗剪強度試驗，分析研究該區(qū)域膨脹土抗剪強度特性，為該地區(qū)的膨脹土工程中參數(shù)選取提供一定的參考依據(jù)。

1　試驗方案設(shè)計

1.1土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

試驗土樣取自南水北調(diào)中線工程河北磁縣段，所取土樣為邊長20cm的正方體，密封保存。本次試驗選用土樣分別編號為1、2、3、4。其中試樣1、2主要呈黃褐色，夾少量灰綠色，含有少量的鈣質(zhì)結(jié)核和動植物殘渣。試樣3、4原狀土呈灰綠色和黃褐色，以灰綠色為主，裂隙發(fā)育，且裂隙面光滑。試驗土樣的基本物理指標(biāo)(表1)。

試驗結(jié)果表明，土的液、塑限和膨脹率隨黏粒含量的增加而增大，且隨黏粒含量繼續(xù)變大，膨脹率的增大幅度相對變緩。試樣2、4的黏粒含量分別較試樣1、3的黏粒含量大，而其自由膨脹率卻相對偏小。這說明黏粒含量只在一定程度上反映土體的膨脹潛勢。對于土體膨脹性的判別還應(yīng)綜合土體液限、塑性指數(shù)、自由膨脹率以及脹縮率等其他指標(biāo)。由現(xiàn)行的膨脹土判別標(biāo)準(zhǔn)可以判定本文試驗土樣1、2為弱膨脹土， 3、4為中膨脹土。

2　膨脹土抗剪強度試驗

本次試驗采用多樣剪，將4種不同黏粒含量的原狀膨脹土樣，分別進行快剪，飽和快剪，飽和固結(jié)快剪，飽和固結(jié)直剪/殘余剪5種剪切試驗。飽和試樣采用真空抽氣飽和，飽和后固結(jié)12h進行剪切試驗。每組試樣分別在100kPa、200kPa、300kPa及400kPa的法向應(yīng)力下進行剪切試驗。

2.1快剪試驗

試驗采用電動應(yīng)變控制式直接剪切儀，按照土工試驗規(guī)范操作(中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)縮寫組，1999)，以0.8mm·min-1的剪切速率分別進行直接快剪、飽和快剪和飽和固結(jié)快剪試驗。快剪試驗數(shù)據(jù)(圖1，表2)。

圖1　不同狀態(tài)下試樣的抗剪強度Fig. 1　The shear strength of samples under different conditionsa.試樣1； b.試樣2； c.試樣3； d.試樣4

表2　快剪試驗抗剪強度指標(biāo)Table2　Shear strength index of quick shear test

土樣編號快剪飽和快剪飽和固結(jié)快剪黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)174.0018.9041.0012.2065.0024.50271.0018.1040.0012.3067.0024.10358.0214.2031.166.8342.3712.30440.5224.5422.1012.3036.0018.00

由圖1可以知，飽和快剪試驗所得抗剪強度明顯低于快剪試驗結(jié)果。這是因為試樣在飽和過程中，土顆粒間孔隙被水填充，在固體顆粒間起到潤滑作用，同時親水礦物吸水后膨脹變形，原結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致土體的抗剪強度降低。而固結(jié)作用引起的強度提高現(xiàn)象，是因為固結(jié)過程中由于豎向荷載的作用使得土顆粒間的孔隙壓縮、減少，孔隙水(氣)被排除，土體被壓密，土顆?？拷⒅匦路植迹令w粒間的咬合作用更加顯著，從而使得土體有效應(yīng)力增大，抗剪強度得到提高。本文試驗中試樣1、2、3、4飽和后抗剪強度分別降低為快剪強度的59%、61%、53%、50%，飽和固結(jié)后的抗剪強度分別為飽和快剪強度的1.88、1.90、1.52、1.53倍。由表2可知，弱膨脹土試樣1、2的飽和固結(jié)快剪強度φ值較其快剪的大，c值則相對較小。而中膨脹土試樣3、4飽和固結(jié)快剪強度c值、φ值較其快剪均變小。由此分析飽和作用對黏粒含量較大的中膨脹土強度的削弱作用更為顯著； 固結(jié)作用對黏粒含量較小的弱膨脹土強度的“治愈”作用更顯著。因此膨脹土黏粒含量較大時，含水率對土體的強度影響顯著，含水量越大，工程性質(zhì)就越差。

圖2　黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ與黏粒含量的關(guān)系曲線Fig.2　The relation curves of cohesion c，internal friction angle φ with clay content

由圖2 可發(fā)現(xiàn)，無論是直接快剪還是飽和或飽和固結(jié)快剪，土體的黏聚力均隨黏粒含量的增加而降低。而內(nèi)摩擦角隨黏粒含量的增加出現(xiàn)先減小后增大現(xiàn)象，表明黏粒含量對土體摩擦角的影響存在一個臨界值，為32%左右。在之后的殘余強度試驗中，飽和固結(jié)后的試樣在反復(fù)直剪試驗中得到的峰值強度和殘余強度的黏聚力隨黏粒含量的增加出現(xiàn)同樣現(xiàn)象。因此在工程建設(shè)中可通過改良土體的黏粒含量小于32%，以提高土體的抗剪強度。

2.2反復(fù)直剪試驗2.2.1試驗儀器及原理

反復(fù)直剪試驗使用直剪/殘余剪切試驗系統(tǒng)ShearTrac-Ⅱ(Geocomp)，在慢速排水條件下，對試樣進行反復(fù)剪切至剪應(yīng)力達到穩(wěn)定值，測得土體殘余剪切強度。

本文試驗設(shè)定首次剪切速率為0.04mm·min-1，剪切6mm后，以0.4mm·min-1的速率退回原位，然后重復(fù)上述兩步驟，共4個來回，最終剪切位移48mm。試驗取第1次剪切的剪應(yīng)力的峰值作為土體的峰值抗剪強度，取第4次剪切過程中4mm處(總剪切位移40mm處)對應(yīng)的剪應(yīng)力作為殘余強度。

2.2.2試驗結(jié)果對比與分析

由反復(fù)直剪試驗測得試樣的峰值強度與殘余強度指標(biāo)(表3，表4，圖3)。

表3　不同壓力下試樣的抗剪強度Table3　Shear strength of samples under different pressures

P/kPa1234τfτrτfτrτfτrτfτr /kPa/kPa/kPa/kPa/kPa/kPa/kPa/kPa100.0114.773.6109.477.398.755.0111.157.3200.0152.2115.9166.6135.3151.796.6147.080.5300.0191.0172.7181.9155.6181.697.9187.892.3400.0256.9210.5256.2193.5225.1126.3244.1108.3

表4　峰值強度與殘余強度指標(biāo)Table4　Peak strength and residual strength index

試樣編號峰值強度殘余強度cpφpcrφr/kPa/(°)/kPa/(°)162.3524.9636.3323.63261.1724.1348.1918.84361.9622.2641.1212.00462.5523.7443.389.30

圖3　峰值強度τf、殘余強度τr與黏粒含量的關(guān)系曲線Fig. 3　The relation curve of peak strength τf， residual strength τr with clay content

已有研究認(rèn)為當(dāng)邊坡出現(xiàn)滑動時，邊坡的穩(wěn)定性基本上是由巖土體的殘余強度決定的(左巍然， 2007； 譚文輝等， 2007； 李青云等， 2009)。而殘余強度與黏土的應(yīng)力歷史和結(jié)構(gòu)性無關(guān)，只與黏土顆粒的形態(tài)、大小、含量及礦物成分等因素有關(guān)(劉特洪， 1997； 徐彬等， 2011)。

如圖4，以試樣3在400kPa豎向壓力下的剪應(yīng)力-位移曲線為例?？砂l(fā)現(xiàn)第2、3、4次剪切過程抗剪強度依次降低，其他3組試驗結(jié)果也有類似特征。這是因為每次剪切初期需克服剪切帶上顆粒的逆向排列，以及顆粒間黏結(jié)引起的剪阻力。而剪切后期，主要克服剪切面間的摩擦阻力，此時剪切帶附近的土顆粒在轉(zhuǎn)動和撥動的過程中，不斷地發(fā)生破裂及重排列現(xiàn)象，剪切帶逐漸趨于光滑，同時多次剪切后剪切帶的土顆粒粒徑變小。剪切面的吸附電位增加引起水分轉(zhuǎn)移，使得剪切帶含水率增大。剪切帶上的黏粒吸水產(chǎn)生膨脹，使顆粒間距離增大，使得剪切帶處局部孔隙比較大，從而大大減小了土體的抗剪強度，因此每剪切一次土體的抗剪強度便會衰減掉一部分。

由表3可知，試樣1、2、3、4的殘余強度τr分別約為其峰值強度τf的80%、70%、60%、50%，可以發(fā)現(xiàn)強度降低幅度隨黏粒含量的增加而明顯增大。這是因為該區(qū)中強膨脹土中黏土顆粒中多以蒙脫石礦物為主，顆粒多呈細(xì)小鱗片狀或扁平板狀，在剪切過程中此類顆粒沿剪切方向易發(fā)生高度的定向重分布排列，使得抗剪強度大幅度降低。峰值強度τf與黏粒含量成二次多項式關(guān)系，變化趨勢比較平緩； 殘余強度τr隨黏粒含量增加逐漸減小，兩者成指數(shù)關(guān)系(圖3)。

由表3和表4可知，試樣1、2、3、4的殘余強度φr值與峰值強度φf之比φr/φf分別為94.67%、78.10%、53.90%、39.20%，隨著黏粒含量的增大，土體殘余強度φr較峰值強度φf有顯著降低。但cr/cf值則比較離散。綜上可知黏粒含量主要通過影響內(nèi)摩擦角φ值來影響土體的抗剪強度。黏粒含量較大的中等或強膨脹土的強度衰減程度較大，殘余強度較小。而膨脹土邊坡的長期穩(wěn)定性主要取決于土體的殘余強度，因此可以通過摻入生石灰、水泥等來控制膨脹土的膨脹性來提高土體的長期強度(薛新華等， 2013； 汪明武等， 2014)。

圖4　試樣3在400kPa豎向壓力下的應(yīng)力-位移曲線Fig. 4　The curve of shear stress and displacement when samples 3 under 400kPa vertical pressure

由圖3 可以看出，隨豎向壓力的增大，膨脹土峰值強度和殘余強度均有一定的提高。豎向壓力越大，對土體的壓密固結(jié)作用越顯著，土體的延性就得到提升。但隨黏粒含量增大，膨脹土殘余強度增大幅度有所減小。因此，膨脹土工程中，可以考慮適當(dāng)?shù)脑龃筘Q向荷載來提高土體穩(wěn)定性，但對于黏粒含量較大的膨脹土的增強效果不是很明顯。

3　結(jié)　論

(1)土的液、塑限和膨脹率隨黏粒含量的增加而增加，其中塑性指數(shù)與黏粒含量呈對數(shù)關(guān)系； 黏粒含量對膨脹土強度影響十分顯著，隨黏粒含量的增大，3種快剪條件下的黏聚力均逐漸減小，內(nèi)摩擦角則先減后增，其臨界值在32%左右。

(2)飽和后土體的抗剪強度降低，固結(jié)后強度升高，且飽和作用對黏粒含量較大的中膨脹土強度的削弱作用更為顯著； 固結(jié)作用對黏粒含量較小的弱膨脹土強度的“治愈”作用更顯著。 膨脹土黏粒含量較大時，含水率對土體的強度影響顯著，含水量越大，工程性質(zhì)就越差。

(3)峰值強度后的抗剪強度降低幅度隨黏粒含量的增加而明顯增大。因此需通過摻入生石灰、水泥等其他物質(zhì)控制膨脹土的膨脹性來提高土體的長期強度。

(4)殘余強度τr隨黏粒含量增加逐漸減小，呈指數(shù)關(guān)系。同時殘余強度φr與黏粒含量成對數(shù)關(guān)系，cr則比較離散。黏粒含量主要通過影響殘余強度的φr值來影響土體的抗剪強度。

(5)豎向壓力越大，膨脹土峰值強度和殘余強度均有一定的提高，但對于黏粒含量較大的黏土效果不明顯。

以上結(jié)論，是對于特定區(qū)域原狀膨脹土進行研究所得。因原狀樣的不均勻性，以及各試樣間個別物理參數(shù)的差異性，使得試驗所得數(shù)據(jù)有個別奇異點，但其規(guī)律性還是比較明顯的，具有一定的參考價值。對于其他不同區(qū)域，不同類型的膨脹土有待進一步研究。

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EXPERIMENTAL STUDY ON EFFECT OF CLAY CONTENT ON SHEAR STRENGTH OF EXPANSIVE SOIL AT CI COUNTY

ZHANG XiaoliZHOU JinHUANG ZhiquanWANG WeiZHANG Ruiqi

(InstituteofResourcesandEnvironment，NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower，Zhengzhou450011)

In order to study the effect of clay content on the shear strength of expansive soil， this paper conducts quick shear， saturated quick shear， saturated consolidated quick shear and repeated direct shear tests with electric strain controlled direct shear apparatus， residual shear test， and direct shear/residual shear test apparatus on the undisturbed expansive soils at Ci County Hebei of South-to-North Water Diversion. The soils have different clay contents. Studies show that： in the direct shear test， the shear strength of the expansive soil significantly reduces after the soil is saturated， and increases after it is consolidated. The effect of saturation on the strength of the expansive soil of larger clay content is more significant. The “cure” effect of consolidation on the strength of weak expansive soil of lesser clay content is more significant. As the clay content increases， the cohesion gradually decreases， and internal friction angle first decreases and then increases. The critical value is about 32%.In the repeated direct shear test， the shear strength after peak intensity increases as the clay content increases. The change trend is relatively flat. The residual strengthτrdecreases exponentially as the clay content increases. While the internal friction angleφrof the residual strength has a logarithmic relation with clay content. The cohesioncrhas an irregular relation with the clay content．

Natural expansive soils， Repeated direct shear， Clay content， Peak intensity， Residual strength

10.13544/j.cnki.jeg.2016.01.014

2015-06-01;

2015-08-27.

河南省科技創(chuàng)新人才計劃(154100510006)，河南省重點科技攻關(guān)項目(152102210111)，新疆維吾爾自治區(qū)科技援疆(201491105)，華北水利水電大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計劃基金(YK2014-10)資助.

張曉麗(1989-)，女，碩士生，主要從事巖土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面研究. Email: 958282196@qq.com

簡介： 黃志全(1970-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖土力學(xué)、邊坡與滑坡工程方面的研究和教學(xué)工作. Email: huangzhiquan@ncwu.edu.cn

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