李方成

（中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，武漢430071）

裂隙對(duì)膨脹土剪切強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究

李方成

（中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，武漢430071）

裂隙對(duì)膨脹土邊坡及地基的穩(wěn)定性往往具有控制作用。本文以廣西省百色市膨脹土為研究對(duì)象，制備不同裂隙面厚度及傾角（與剪切面夾角）的重塑試樣并開展環(huán)剪試驗(yàn)，對(duì)比分析不同條件下的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著裂隙面厚度及傾角的降低，試樣的峰值及殘余抗剪強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)。對(duì)比兩種因素試驗(yàn)結(jié)果，裂隙面傾角對(duì)膨脹土體的抗剪強(qiáng)度影響更為突出。

裂隙；膨脹土；抗剪強(qiáng)度；厚度；角度

1 引言

類似于巖體，膨脹土體的強(qiáng)度也分為3部分；土塊強(qiáng)度、裂隙（結(jié)構(gòu)面）強(qiáng)度以及土體強(qiáng)度[1]。裂隙面的分布范圍、間距、傾斜度、排列方向、形狀和裂隙面的粗糙程度、起伏程度、裂隙間完整土塊的性質(zhì)等因素都對(duì)土體強(qiáng)度產(chǎn)生影響，由于裂隙分布的不均勻性，使膨脹土土體的抗剪強(qiáng)度具有強(qiáng)烈的向異性[2]。對(duì)于膨脹土邊坡，裂隙面的性質(zhì)往往控制著邊坡的穩(wěn)定性。在工程實(shí)踐中，當(dāng)采用土體的抗剪峰值強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)往往偏于保守，而膨脹土邊坡的破壞總是由土體的峰值強(qiáng)度向殘余強(qiáng)度衰減的過程。因此，土體的殘余強(qiáng)度對(duì)邊坡的穩(wěn)定性具有重要影響。

以廣西省百色市某變電站處地基膨脹土為研究對(duì)象，通過對(duì)其進(jìn)行環(huán)剪試驗(yàn)，分析裂隙面間距、傾斜度等對(duì)膨脹土體抗剪強(qiáng)度的影響，為膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析提供參考建議。

2 環(huán)剪試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土為廣西省百色市中膨脹土，呈黃褐色夾灰綠色，結(jié)構(gòu)致密，其中，灰綠色黏土多以薄層狀分層面聚集，厚度多在1～5mm，通過XRD試驗(yàn)測(cè)得黏土礦物含量為40%～50%，比重為2.68，天然狀態(tài)下含水率為23.2%～28.4%，液限為58.6%，塑限為26.7%。試驗(yàn)前將土樣烘干碾碎，并過2mm篩備用。

2.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)采用德國(guó)ARS型全自動(dòng)閉合回路控制環(huán)剪儀，剪切盒內(nèi)環(huán)直徑為100mm，外環(huán)直徑為150mm，有效高度為30 mm，其剪切面積為98.17cm2。剪切速率由高精度電機(jī)控制，其剪切速率和軸向壓力可線性或跳躍增加，剪切縫的大小在剪切開始前需人為調(diào)節(jié)。試驗(yàn)機(jī)提供最大軸向壓力10kN，最大剪切應(yīng)力1000kPa，最大剪切速率為32mm/min，最大軸向位移25mm。

本次研究通過控制裂隙的厚度d和裂隙與剪切面的角度θ制備不同的環(huán)剪試樣（見表1），在法向壓力為100kPa、200kPa、 300kPa、400kPa下進(jìn)行環(huán)剪試驗(yàn)，利用原生裂隙面充填物質(zhì)進(jìn)行填充。

表1 試驗(yàn)試樣

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 裂隙面厚度對(duì)抗剪強(qiáng)度影響分析

在萬達(dá)茂施工時(shí)一次因交通意外下頜骨受傷，住院期間，各部門人員每天把現(xiàn)場(chǎng)的情況匯報(bào)過來，其間說不清的地方，急得他瞪著雙眼“嗚嗚”直叫，要來紙筆進(jìn)行交流。手術(shù)第二天，便偷偷溜出病房，回到了施工現(xiàn)場(chǎng)，協(xié)調(diào)施工。至于期間被醫(yī)生護(hù)士批評(píng)了多少次，誰也記不清了。

圖1為裂隙面角度為30°時(shí)不同裂隙厚度下試樣的抗剪強(qiáng)度曲線，試樣的峰值強(qiáng)度及殘余強(qiáng)度均隨裂隙厚度的增加呈減小的趨勢(shì)，但殘余強(qiáng)度降低程度相對(duì)較小。當(dāng)厚度為1mm時(shí)，試樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為31.7kPa、9.4°，當(dāng)厚度增加至3mm時(shí)，試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別降低8.5%和3.3%，隨著厚度增加至5mm時(shí)，試樣粘聚力降低至25.3 kPa，降幅達(dá)20.2%。這是由于裂隙中的灰綠色填充物質(zhì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)往往低于兩側(cè)膨脹土強(qiáng)度[3]，因此裂隙中填充物質(zhì)的厚度的增加降低了整體強(qiáng)度。而對(duì)于最終的殘余強(qiáng)度，厚度變化對(duì)其并沒有明顯影響。

圖1 不同裂隙厚度下抗剪強(qiáng)度曲線

表2 不同厚度試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

3.2 裂隙面角度對(duì)抗剪強(qiáng)度影響分析

已有統(tǒng)計(jì)表明：膨脹土裂隙面傾角主要以緩傾角（＜30°）和中傾角（30～60°）為主[4]。因此，本次試驗(yàn)選取裂隙面傾角為30°和60°。圖2為裂隙厚度為1mm時(shí)，不同裂隙傾角試樣的抗剪強(qiáng)度曲線，如圖所示，隨著裂隙面傾角的增加，試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)總體上呈增加的趨勢(shì)，且當(dāng)裂隙面傾角由30°增加到60°時(shí)，試樣的峰值粘聚力和內(nèi)摩擦角分別增加了10.4%和16%，相較于裂隙面厚度對(duì)殘余強(qiáng)度的影響，裂隙面角度對(duì)殘余強(qiáng)度的影響較大，殘余粘聚力和殘余內(nèi)摩擦角分別增加了23%和14%。

圖2 不同裂隙傾角下抗剪強(qiáng)度曲線

4 結(jié)論

本次研究通過對(duì)比不同裂隙面厚度及裂隙面傾角試樣的環(huán)剪試驗(yàn)結(jié)果，得出了如下結(jié)論：

1）隨著裂隙面厚度的增加，由于裂隙面中填充物質(zhì)的潤(rùn)滑作用，試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)呈降低趨勢(shì)，但殘余強(qiáng)度參數(shù)下降不明顯；

2）在中傾角范圍內(nèi)，試樣的峰值及殘余抗剪強(qiáng)度參數(shù)均隨著傾角的增加而增大；

3）綜合兩種因素的試驗(yàn)結(jié)果，裂隙面的傾角對(duì)膨脹土體的抗剪強(qiáng)度影響更為突出。

【1】劉特洪.工程建設(shè)中的膨脹土問題[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

【2】胡波，龔壁衛(wèi)，程展林.南陽膨脹土裂隙面強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2012,33（10）：2942-2946.

【3】黃志全，張瑞旗，張曉麗等.膨脹土裂隙面抗剪強(qiáng)度及影響因素試驗(yàn)研究[J].2015，45（9）:99-103.

【4】鄒維列，張俊峰，王協(xié)群.脫濕路徑下重塑膨脹土的體變修正與土水特征［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34(12):2213-2219.

圖4 全長(zhǎng)不密實(shí)錨桿波形示意圖

3.4 長(zhǎng)度不足錨桿

如果錨桿長(zhǎng)度不足，錨桿底部反射信號(hào)表現(xiàn)為正相位，尤其在出現(xiàn)多個(gè)相位相同的反射波信號(hào)時(shí)，頻譜表現(xiàn)為等間隔多峰形態(tài)。此時(shí)錨桿長(zhǎng)度會(huì)明顯小于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，并且錨固砂漿注滿度也不符合設(shè)計(jì)要求，見圖5。

圖5 長(zhǎng)度不足錨桿波形示意圖

4 總結(jié)與討論

1）錨桿反射波信號(hào)可能產(chǎn)生于錨桿中部或錨桿底端，用錨桿底端的反射信號(hào)來確定錨桿長(zhǎng)度，用錨桿中部反射信號(hào)來計(jì)算錨桿錨固的缺陷位置，因此判斷反射波信號(hào)的位置及特性對(duì)于檢測(cè)錨桿長(zhǎng)度及密實(shí)度是非常重要的。

2）通過聲波法隧道錨桿錨固密實(shí)性的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在錨固狀態(tài)的錨桿體系（錨桿與粘結(jié)劑復(fù)合體）的應(yīng)力波縱波速度還與黏結(jié)劑性質(zhì)、孔徑及注漿密實(shí)度有關(guān)，一般低于自由裸露的錨桿桿體速度。自由裸露狀態(tài)的錨桿應(yīng)力波縱波速度與錨桿材質(zhì)、直徑及應(yīng)力波頻率有關(guān)，一般為5000～5300m/s。一般注漿比較密實(shí)的錨桿應(yīng)力波速度范圍為4500～4900m/s，大多為4700m/s左右；密實(shí)度極差的錨桿速度與自由裸露錨桿相近，約在5000m/s左右[2]。

3）外露過長(zhǎng)錨桿與孔口不密實(shí)類似，計(jì)算長(zhǎng)度等于外露長(zhǎng)度。將極大干擾有效信號(hào)，導(dǎo)致分析困難，甚至無法檢測(cè)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】DL/T 5424—2009水電水利工程錨桿無損檢測(cè)規(guī)程[S].

【2】JGJ/T 182—2009錨桿錨固質(zhì)量無損檢測(cè)技術(shù)規(guī)程[S].

【收稿日期】2016-08-08

Experimental Study on the Influence of Cracks on Shear Strength of Swelling Soil

LI Fang-cheng
(Central Southern China Electric Power Design Institute Co.Ltd.of China Power Engineering Consulting Group,Wuhan430071,China)

Cracks has a good control to the stability of the slopes and foundation of the swelling soil.Taking the swelling soil in Baise,Guangxi as the study object,we prepared remoulded specimens with different thickness and angle and made ring-shear tests.The results under different conditions showed that,with the thickness and angle going down,both the peak and residual shear strength reduced.From the two experimental results,we can see the angle of the cracks has more distinct influence on the shear strength of the swelling soil.

crack;swelling soil;shear strength;thickness;angle

TU443

A

1007-9467（2016）08-0066-02

2016-08-06

李方成（1985～），男，湖北仙桃人，工程師，從事巖土工程與勘察研究。