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        非飽和南陽(yáng)膨脹土的剪切強(qiáng)度及其預(yù)測(cè)

        2017-04-10 02:54:29孫紅云孫德安
        關(guān)鍵詞:非飽和南陽(yáng)抗剪

        孫紅云,孫德安

        (上海大學(xué)土木工程系,上海 200444)

        非飽和南陽(yáng)膨脹土的剪切強(qiáng)度及其預(yù)測(cè)

        孫紅云,孫德安

        (上海大學(xué)土木工程系,上海 200444)

        膨脹土是一種隨含水率變化而具有吸水膨脹、失水收縮特性的特殊土,與普通黏土相比,含水率對(duì)其強(qiáng)度特性影響更為顯著.為了探討含水率對(duì)膨脹土強(qiáng)度的影響,對(duì)壓實(shí)南陽(yáng)膨脹土進(jìn)行了一系列直剪試驗(yàn),得到了在相同干密度及不同含水率條件下的抗剪強(qiáng)度.試驗(yàn)結(jié)果表明,南陽(yáng)膨脹土的抗剪強(qiáng)度和黏聚力均隨含水率的增大而減小,內(nèi)摩擦角受含水率的變化影響不大.此外,把宏觀飽和度引入Bishop非飽和土強(qiáng)度公式中,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果與修正強(qiáng)度公式的計(jì)算值進(jìn)行比較,結(jié)果表明修正后的Bishop非飽和土強(qiáng)度公式可以較為精確地預(yù)測(cè)出非飽和膨脹土的強(qiáng)度.

        膨脹土;非飽和土;抗剪強(qiáng)度

        膨脹土是一種吸水膨脹、失水收縮的特殊土,其礦物成分有蒙脫石和伊利石等親水性黏粒礦物,具有強(qiáng)吸水性、多裂隙性、強(qiáng)超固結(jié)性、快速崩解及反復(fù)脹縮性等特性[1].近幾十年來(lái),因膨脹土的各類工程病害導(dǎo)致嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失的工程實(shí)例很多,膨脹土的工程性能問(wèn)題已成為國(guó)內(nèi)外巖土工程問(wèn)題中亟待解決的技術(shù)難題.

        土的重要力學(xué)性質(zhì)之一是土的強(qiáng)度,而與一般黏土相比膨脹土的強(qiáng)度變化更為復(fù)雜,這是因?yàn)樽鳛槎嗔严督Y(jié)構(gòu)的土體,在多數(shù)情況下膨脹土的裂隙分布是隨機(jī)的;同時(shí)膨脹土中的親水性黏粒礦物遇水發(fā)生軟化,從而導(dǎo)致土體強(qiáng)度大幅度衰減,所以膨脹土的強(qiáng)度易隨各種外界條件而發(fā)生變化[2].膨脹土的強(qiáng)度表征了膨脹土體抵抗剪切破壞能力,故研究膨脹土抗剪強(qiáng)度與含水率的關(guān)系是非常有必要的.

        目前,國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者對(duì)膨脹土的強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究.楊慶等[2]通過(guò)直剪試驗(yàn)得到黏聚力的對(duì)數(shù)和內(nèi)摩擦角均隨含水率的增大線性減小的結(jié)論,并指出非飽和膨脹土的吸附強(qiáng)度與膨脹力之間存在較好的線性關(guān)系;詹良通等[3]利用非飽和土直剪儀對(duì)非飽和原狀樣和壓實(shí)樣進(jìn)行吸力控制的直剪試驗(yàn),得到膨脹土原狀樣和壓實(shí)樣的剪脹勢(shì)隨著吸力增加而增大、吸力對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響高于壓實(shí)高嶺土的結(jié)論;劉斯宏等[4]對(duì)不同豎向荷載作用下的南陽(yáng)膨脹土浸水膨脹變形和膨脹后的試樣進(jìn)行了強(qiáng)度試驗(yàn),得到了南陽(yáng)膨脹土浸水膨脹率與浸水膨脹過(guò)程中所受的豎向荷載的關(guān)系,以及膨脹完成后試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(c,φ值)與豎向荷載的變化規(guī)律;張?zhí)矸宓萚5]對(duì)干密度相同而含水率不同的壓實(shí)桂林紅黏土試樣進(jìn)行了一系列固結(jié)快剪試驗(yàn),得到了黏聚力和內(nèi)摩擦角與初始含水率的關(guān)系,并將試驗(yàn)結(jié)果與Bishop和Fredlund非飽和土強(qiáng)度公式的計(jì)算值進(jìn)行比較,指出目前非飽和土強(qiáng)度公式無(wú)法預(yù)測(cè)非飽和桂林紅黏土的強(qiáng)度;Al-Mhaidib等[6]對(duì)膨脹頁(yè)巖試樣進(jìn)行了不同初始含水率和圍壓條件下的膨脹試驗(yàn),結(jié)果表明膨脹量對(duì)膨脹土的抗剪強(qiáng)度有著顯著的影響;Fredlund等[7]提出了一種可以預(yù)測(cè)非飽和土剪切強(qiáng)度的模型,該模型利用土水特征曲線和飽和土的抗剪強(qiáng)度參數(shù),即可對(duì)非飽和土的剪切強(qiáng)度進(jìn)行較好的預(yù)測(cè).

        本工作對(duì)非飽和南陽(yáng)膨脹土進(jìn)行了直剪試驗(yàn),探討了不同含水率對(duì)非飽和膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響,并從非飽和土力學(xué)的角度,在引入宏觀飽和度的概念后,利用修正后的Bishop有效應(yīng)力公式對(duì)非飽和南陽(yáng)膨脹土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測(cè).

        1 土樣及試驗(yàn)方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)所用土樣為南陽(yáng)膨脹土,取自南水北調(diào)工程中線南陽(yáng)段南陽(yáng)市臥龍區(qū)臥姜溝鄉(xiāng),取土深度為4 m,其基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示.按照《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[8]的分類,該土為低膨脹性膨脹土.

        表1 南陽(yáng)膨脹土基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of Nanyang expansive soil

        1.2 試驗(yàn)儀器

        試驗(yàn)儀器采用美國(guó)Humboldt公司生產(chǎn)的HM-2560A.3F型直剪儀,該直剪儀為氣動(dòng)直剪儀,是利用氣壓源對(duì)土樣施加豎向荷載.與傳統(tǒng)直剪儀相比,該直剪儀自動(dòng)化程度高,量測(cè)更加精確.

        1.3 試驗(yàn)方法

        試樣的制備采用常規(guī)的環(huán)刀法,試樣的目標(biāo)干密度均為1.5 g/cm3,4組非飽和試樣的初始含水率分別為13%,16%,19%和22%,而一組飽和試樣的初始含水率約為30%,通過(guò)抽氣飽和得到.試樣的直徑和高度分別為49.6和15 mm.對(duì)非飽和試樣采用固結(jié)快剪,這是因?yàn)樵诩羟羞^(guò)程中吸力基本保持恒定,而對(duì)飽和或接近飽和試樣均采用固結(jié)慢剪,這樣不至于產(chǎn)生正孔隙水壓.具體試驗(yàn)方案如表2所示,試驗(yàn)操作按相關(guān)規(guī)范[9]進(jìn)行.為了避免飽和試樣在固結(jié)和剪切過(guò)程中非飽和化,在進(jìn)行直剪試驗(yàn)時(shí)剪切盒內(nèi)注滿水.具體試驗(yàn)步驟如下:

        (1)根據(jù)試驗(yàn)設(shè)定的含水率配制土樣;

        (2)取設(shè)定含水率土樣質(zhì)量,進(jìn)行壓實(shí)制樣;

        (3)將試樣放入直剪儀的剪切盒內(nèi),施加所需豎向壓力,每組4個(gè)試樣分別施加100,200, 300,400 kPa的豎向壓力;

        (4)待固結(jié)穩(wěn)定即每小時(shí)試樣豎向變形不超過(guò)0.01 mm時(shí),對(duì)每個(gè)試樣以速率0.8 mm/min進(jìn)行快剪,對(duì)飽和試樣以速率0.02 mm/min進(jìn)行慢剪,直至剪切位移達(dá)到6 mm.

        表2 試驗(yàn)方案Table 2 Plan of tests

        一組4個(gè)試樣固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)束后,可得到對(duì)應(yīng)于4個(gè)不同豎向壓力的抗剪強(qiáng)度值,從而整理得到一組土樣的強(qiáng)度指標(biāo),即黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ.

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        初始含水率分別為13%,16%,19%,22%和30%的試樣在不同豎向荷載作用下的直剪試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.從圖中可以看出,對(duì)于同一含水率的土樣,豎向壓力越大,對(duì)土的約束就越大,試樣的強(qiáng)度也越大.此外,除了含水率為13%、垂直壓力為100和200 kPa的兩個(gè)非飽和膨脹土試樣具有明顯的峰值強(qiáng)度(類似于超固結(jié)土的剪切特性,呈明顯的應(yīng)變軟化特性)之外,其他試樣的峰值強(qiáng)度不明顯,剪切強(qiáng)度趨于穩(wěn)定,剪切應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線為硬化型.

        圖2為不同含水率試樣的抗剪強(qiáng)度.對(duì)含水率為13%,16%,19%和22%的4組非飽和樣進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn),對(duì)初始含水率為30%的1組飽和樣進(jìn)行固結(jié)慢剪試驗(yàn).試樣的初始狀態(tài)及強(qiáng)度參數(shù)如表3所示.表3中的e0為4個(gè)試樣初始孔隙比的平均值,Sr為試樣固結(jié)完成后飽和度的平均值.

        圖1不同豎向壓力作用下的直剪試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Direct shear test results at diferent vertical pressures

        圖2不同含水率的非飽和南陽(yáng)膨脹土試樣的抗剪強(qiáng)度Fig.2 Shear strength of unsaturated Nanyang expansive soil with diferent water contents

        表3直剪試驗(yàn)試樣的初始及強(qiáng)度參數(shù)Table 3 Initial and strength parameters of samples from direct shear tests

        從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,膨脹土的抗剪強(qiáng)度隨含水率的增大而減小;黏聚力受含水率影響較大,隨著含水率的增大呈下降趨勢(shì),從150.5 kPa下降到13.3 kPa;內(nèi)摩擦角在23.1°~26.0°之間變化,受含水率影響較小,這是因?yàn)榉秋柡屯猎嚇又写嬖谪?fù)孔隙水壓,隨著含水率增大吸力減小,試樣的表觀黏聚力隨之下降,從而抗剪強(qiáng)度隨含水率的增大而減小.

        3 非飽和膨脹土抗剪強(qiáng)度的預(yù)測(cè)

        目前,在巖土學(xué)術(shù)和工程界廣泛使用的非飽和土的強(qiáng)度公式主要有兩類:Bishop公式和Fredlund公式.Bishop公式的實(shí)質(zhì)是飽和土的Mohr-Coulomb強(qiáng)度公式,是將飽和土的有效應(yīng)力替換為非飽和土的有效應(yīng)力得到的;而Fredlund公式用獨(dú)立的應(yīng)力狀態(tài)變量來(lái)表達(dá)非飽和土的抗剪強(qiáng)度,是以Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則為基礎(chǔ),用非飽和土獨(dú)特的應(yīng)力狀態(tài)變量來(lái)描述非飽和土強(qiáng)度[2].

        本工作采用的預(yù)測(cè)方法是基于Bishop公式的非飽和土有效應(yīng)力公式:

        式中,c′為有效黏聚力,σ為法向應(yīng)力,φ′為內(nèi)摩擦角,ua為孔隙氣壓力,uw為孔隙水壓力, (ua?uw)為基質(zhì)吸力,χ為有效應(yīng)力系數(shù).

        本試驗(yàn)測(cè)得的南陽(yáng)膨脹土的土水特征曲線(見(jiàn)圖3)與孫德安等[10]采用濾紙法測(cè)得的結(jié)果相同.利用該曲線,可以根據(jù)不同含水率得到所對(duì)應(yīng)的吸力值s,這里確定有效應(yīng)力的關(guān)鍵在于參數(shù)χ的確定.本工作中χ可直接用飽和度代替[11],即χ=Sr.

        圖3 南陽(yáng)膨脹土的土水特征曲線Fig.3 Soil-water characteristic curves of Nanyang expansive soil

        對(duì)壓實(shí)樣的微觀孔隙進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),土體的孔隙可分為兩種:一種是存在于土顆粒組成的團(tuán)粒之間的大孔隙,這些大孔隙之間的連通性很好,對(duì)土體的滲透固結(jié)、壓縮都有重要的影響;另一種孔隙為團(tuán)粒內(nèi)孔隙,其特點(diǎn)是分散性較大,但是孔隙孔徑很小,各孔隙之間的連通性較差.試樣中的水分首先進(jìn)入團(tuán)粒內(nèi)的小孔隙,小孔隙飽和后再填充團(tuán)粒間的大孔隙.團(tuán)粒內(nèi)小孔隙處于飽和狀態(tài),或認(rèn)為對(duì)抗剪強(qiáng)度不產(chǎn)生影響,只有大孔隙中的水對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生作用.因此,土體的宏觀飽和度SrM(即團(tuán)粒間的孔隙水量扣除團(tuán)粒內(nèi)的孔隙水量)對(duì)非飽和引起的強(qiáng)度有貢獻(xiàn).

        綜上所述,式(1)可修正為利用式(2)即可對(duì)南陽(yáng)膨脹土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算.式(2)中的總應(yīng)力σ是給定的,孔隙氣壓力ua為0,c′和φ′可以通過(guò)飽和土的強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)得.根據(jù)試樣的含水率,從圖3的土水特征曲線可估算出吸力值(s=ua?uw),估算時(shí)用內(nèi)插方法來(lái)考量孔隙比的影響.宏觀飽和度SrM為試樣固結(jié)后的飽和度Sr減去微觀飽和度Srm.

        對(duì)南陽(yáng)膨脹土的干密度為1.5 g/cm3壓實(shí)樣進(jìn)行了壓汞試驗(yàn).試驗(yàn)所用壓汞儀的型號(hào)為Micromeritics AutoPoreⅣ,低壓范圍為4~207 kPa,高壓范圍為207~413 700 kPa.圖4為南陽(yáng)膨脹土的壓汞試驗(yàn)結(jié)果.根據(jù)圖4(a),團(tuán)粒內(nèi)的孔隙(微觀孔隙)的最大直徑在200 nm左右;而從圖4(b)可得,孔徑4~200 nm的微觀孔隙占總孔隙的21.2%,即微觀飽和度Srm約為21.2%.由此,可以得到宏觀飽和度SrM=Sr?Srm.

        圖4 南陽(yáng)膨脹土的壓汞試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Results of mercury intrusion test on Nanyang expansive soil

        將計(jì)算所得的抗剪強(qiáng)度與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比.利用式(1),并假定有效應(yīng)力系數(shù)χ等于飽和度,即χ=Sr,可得到如圖5(a)所示的抗剪強(qiáng)度預(yù)測(cè)結(jié)果.比較預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)的抗剪強(qiáng)度可知,式(1)的預(yù)測(cè)結(jié)果明顯高于實(shí)測(cè)值.圖5(b)為利用宏觀飽和度的預(yù)測(cè)公式(式(2))得到的結(jié)果與實(shí)測(cè)值比較,二者比較接近,尤其是在較低含水率的情況下,可以較好地預(yù)測(cè)非飽和膨脹土的抗剪強(qiáng)度.因此,利用修正后的非飽和土強(qiáng)度公式(式(2))可更好地預(yù)測(cè)南陽(yáng)膨脹土的抗剪強(qiáng)度.

        圖5 膨脹土的抗剪強(qiáng)度預(yù)測(cè)Fig.5 Prediction of shear strength for expansive soil

        4 結(jié)論

        (1)南陽(yáng)膨脹土的抗剪強(qiáng)度隨含水率的增大而減小,黏聚力也隨著含水率的增大而減小,而內(nèi)摩擦角受含水率影響較小,變化不大.

        (2)利用Bishop非飽和土強(qiáng)度公式對(duì)南陽(yáng)膨脹土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí),用宏觀飽和度代替有效應(yīng)力系數(shù)的強(qiáng)度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較接近,而用普通飽和度代替有效應(yīng)力系數(shù)的非飽和土強(qiáng)度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相差較大.

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        [4]劉斯宏,汪易森,朱克生,等.有荷條件下南陽(yáng)膨脹土強(qiáng)度試驗(yàn)及其應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào),2010,41(3): 361-367.

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        Shear strength of unsaturated Nanyang expansive soil and its prediction

        SUN Hongyun,SUN Dean
        (Department of Civil Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

        Expansive soil is a problematic soil with swelling and shrinkage.Compared with ordinary clay,the strength is clearly afected by water content.To investigate the efect of water content on the strength of expansive soil,a series of direct shear tests on Nanyang expansive soil with diferent water contents were carried out.Relationship between shear strength and water content at the same dry density was obtained.Test results show that the shear strength and cohesion decrease with increasing water content,and the internal friction angle changes little.In addition,by introducing macro saturation into the Bishop’s equation for unsaturated soil,the results show that the modifed strength equation can well predict strength of unsaturated expansive soil.

        expansive soil;unsaturated soil;shear strength

        TU 443

        A

        1007-2861(2017)01-0121-07

        10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.018

        2015-02-03

        國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11672172)

        孫德安(1962—),男,教授,博士生導(dǎo)師,博士,研究方向?yàn)榉秋柡屯亮W(xué).E-mail:sundean@shu.edu.cn

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