□何芳嬋□朱關(guān)震

（1.河南省水利科學(xué)研究院；2.河南省水利工程安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

控制吸力的非飽和土抗剪切度試驗(yàn)

□何芳嬋1，2□朱關(guān)震1

（1.河南省水利科學(xué)研究院；2.河南省水利工程安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

以河南南陽(yáng)地區(qū)膨脹土為研究對(duì)象，使用可以控制吸力的非飽和土直剪儀進(jìn)行不同吸力下的非飽和弱膨脹土的直接剪切試驗(yàn)。得出了不同吸力下（吸力范圍為50-400kPa），膨脹土粘聚力和內(nèi)摩擦角的變化趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著吸力的增大，膨脹土的粘聚力和內(nèi)摩擦角均增大。其中，在吸力＜100 kPa時(shí)，粘聚力和內(nèi)摩擦角的增長(zhǎng)趨勢(shì)隨著隨吸力的增大而加快，且該趨勢(shì)接近線性變化。當(dāng)吸力＞100 kPa時(shí)，粘聚力和內(nèi)摩擦角的增長(zhǎng)趨勢(shì)隨著隨吸力的增大而有所減緩。

膨脹土；非飽和抗剪試驗(yàn)；物理力學(xué)指標(biāo)；變化趨勢(shì)

1 引言

膨脹土是粒度高分散，粘粒成分主要由親水礦物（蒙脫石、伊利石、高嶺石等）組成，具有劇烈的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特征的粘性土。中國(guó)鐵路部門(mén)在總結(jié)膨脹土地區(qū)修建鐵路時(shí)，有“逢塹必滑，無(wú)堤不塌”的說(shuō)法。統(tǒng)計(jì)資料表明，中國(guó)有新老滑坡約30萬(wàn)處，其中災(zāi)害性的約有1.50萬(wàn)處，每年滑坡造成的損失高達(dá)100億元以上。

目前在工程界廣泛應(yīng)用的土力學(xué)理論是經(jīng)典飽和土力學(xué)。但這些理論成果、設(shè)計(jì)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)方法僅適用于飽和土，一旦土體變?yōu)榉秋柡?，飽和土力學(xué)中的基本原理和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不再有效?；|(zhì)吸力是指在非飽和土中，氣-水分界面承受著大于孔隙水壓力的孔隙氣壓力，孔隙氣壓力大于孔隙水壓力的這個(gè)壓力差值?；|(zhì)吸力通常是描述非飽和土的力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)。文章通過(guò)使用非飽和土直剪儀，進(jìn)行了不同吸力下的膨脹土直接剪切試驗(yàn)，對(duì)比分析了不同吸力下膨脹土粘聚力和內(nèi)摩擦角的變化趨勢(shì)。

2 實(shí)驗(yàn)方案及試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)采用杠桿式非飽和土直剪切儀完成。非飽和土直剪儀有剪切盒、壓力室、軸壓加載裝置、水平加載裝置、壓力控制表、500KPa陶土板、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。根據(jù)基質(zhì)吸力等于孔隙氣壓力和孔隙水壓力的差值，試驗(yàn)過(guò)程中基質(zhì)吸力通過(guò)孔隙氣壓力來(lái)控制，孔隙水壓力約等于零，按零計(jì)算。試樣的初始狀態(tài)相同，制樣時(shí)的初始含水率為21.50%，控制干密度1.55 g/cm3。試驗(yàn)過(guò)程包括制樣、飽和試樣、安裝試樣、吸力平衡、固結(jié)、剪切，其中制樣和飽和試樣在儀器外完成，安裝試樣、吸力平衡、固結(jié)、剪切在非飽和土直剪儀上完成。由于采用的是單聯(lián)直剪儀，因此吸力平衡、固結(jié)階段耗時(shí)較長(zhǎng)?？刂莆?0 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。受試驗(yàn)設(shè)備限制，最大吸力只能控制為400kPa。

試驗(yàn)所用土料選自河南南陽(yáng)地區(qū)，土粒相對(duì)密度為2.76，液限含水率為52.71%，塑限含水率為23.70%，塑性指數(shù)29，為粘土。自由膨脹率為49%，根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》（GBJ112-87），為弱膨脹土。土顆粒中，不同粒級(jí)土粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。＜0.05×10-1mm粒徑土顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31.50%，＜0.02×10-1mm粒徑土顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.10%。擊實(shí)試驗(yàn)得到了最大干密度為1.54 g/cm3，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率為24.40%，土顆粒風(fēng)干含水率為4.90%。

表1 不同粒級(jí)土粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表

試樣的飽和過(guò)程采用飽和架和抽氣飽和缸完成，抽氣飽和時(shí)間大約24 h。試樣安裝前需要進(jìn)行陶土板飽和，可以將裝有陶土板的剪切盒拆下來(lái)，進(jìn)行抽氣飽和，兩天后再用無(wú)氣水浸泡48 h。為了讓土樣能夠良好地接觸到陶土板，陶土板與試樣之間不能放濾紙。試樣安裝好后，施加軸向壓力和孔隙氣壓力到目標(biāo)值，觀察水管的出水量，以24 h內(nèi)排出水量＜0.03 ml為固結(jié)完成和吸力平衡標(biāo)準(zhǔn)。剪切過(guò)程保持孔隙氣壓力和孔隙水壓力不變，剪切速率為0.05×10-1mm/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

不同吸力下粘聚力和內(nèi)摩擦角試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，根據(jù)表2數(shù)據(jù)，繪制了粘聚力和內(nèi)摩擦角隨吸力變化關(guān)系曲線，見(jiàn)圖1。從圖上可以看出，隨著吸力的增大，粘聚力和內(nèi)摩擦角均增大。在吸力＜100 kPa時(shí)，粘聚力和內(nèi)摩擦角隨吸力變化增大較快，接近線性變化。當(dāng)吸力＞100 kPa時(shí)，粘聚力和內(nèi)摩擦角隨吸力變化增大較慢。

表2 不同吸力下粘聚力和內(nèi)摩擦角試驗(yàn)結(jié)果表

圖1 粘聚力、內(nèi)摩擦角隨吸力變化關(guān)系曲線圖

原因是在吸力＜100 kPa階段，試樣的水分隨吸力的增大而損失地較快，隨著試樣水分的減少，試樣產(chǎn)生了一定的體縮而變得更加密實(shí)，從而使粘聚力和內(nèi)摩擦角增大。而在吸力＞100 kPa的階段，由于前期的水分的大量損失，使得試樣變得更加密實(shí)，在后期增大吸力時(shí)，水分流失的通道減少和減小，導(dǎo)致水分流失的速度相應(yīng)的降低，進(jìn)而減緩了粘聚力和內(nèi)摩擦角隨吸力增大而增大的速率。

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知：對(duì)膨脹土邊坡來(lái)說(shuō)，填土完成之后的緩慢干燥過(guò)程中，會(huì)因土體水分的蒸發(fā)而導(dǎo)致吸力逐漸增加，土體強(qiáng)度隨之增大，有利于邊坡穩(wěn)定。但在干燥過(guò)程中，土體內(nèi)又會(huì)產(chǎn)生裂縫，從而破壞了土體的整體性，為今后降雨入滲導(dǎo)致的邊坡失穩(wěn)提供通道。當(dāng)降雨發(fā)生時(shí)，土體中的水分隨之迅速增加，土體的飽和度大幅增加，基質(zhì)吸力明顯下降，土體的抗剪強(qiáng)度隨之大幅降低。反復(fù)的干濕循環(huán)及膨脹土的濕漲干縮特性更使得會(huì)使土體變得松散，產(chǎn)生大量裂隙，自身強(qiáng)度降低。使得膨脹土地區(qū)的工程災(zāi)害頻發(fā)。

4 結(jié)論

在吸力＜100kPa階段，粘聚力和內(nèi)摩擦角隨吸力變化增大較快，接近線性變化。是因?yàn)樵嚇拥乃蛛S吸力的增大而損失地較快，隨著試樣水分的減少，試樣產(chǎn)生了一定的體縮而變得更加密實(shí)，從而使粘聚力和內(nèi)摩擦角增大。

在吸力＞100kPa的階段，由于前期的水分的大量損失，使得試樣變得更加密實(shí)，在后期增大吸力時(shí)，水分流失的通道減少和減小，導(dǎo)致水分流失的速度相應(yīng)的降低，進(jìn)而減緩了粘聚力和內(nèi)摩擦角隨吸力增大而增大的速率。

對(duì)膨脹土邊坡來(lái)說(shuō)，填土完成之后的緩慢干燥過(guò)程中，會(huì)因土體水分的蒸發(fā)而導(dǎo)致吸力逐漸增加，土體強(qiáng)度隨之增大，有利于邊坡穩(wěn)定。但在干燥過(guò)程中，土體內(nèi)又會(huì)產(chǎn)生裂縫，從而破壞了土體的整體性，為今后降雨入滲導(dǎo)致的邊坡失穩(wěn)提供通道。

［1］趙成剛，蔡國(guó)慶.非飽和土廣義有效應(yīng)力原理［J］.巖土力學(xué)，2009，30（11）：3232-3236.

［2］張俊然，許強(qiáng)，孫德安.吸力歷史對(duì)非飽和土力學(xué)性質(zhì)的影響［J］.巖土力學(xué)，2013，34（10）：2810-2814.

編輯：趙鑫

TU44

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1673-8853（2017）04-0074-02

2017-2-22