朱斯伊 王志儉 曹 玲 邵杰鵬

(三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

膨脹土是一種廣泛分布于陸地的特殊土，具有典型的“三性”，即脹縮性，裂隙性和超固結(jié)性[1]，在膨脹土地區(qū)建造工程往往容易引發(fā)地基隆起、塌陷、邊坡滑塌等災(zāi)害，且發(fā)生的滑坡多為淺層緩坡，故而引起工程人的重視．針對(duì)膨脹土的特性，前人開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究，如Mohamed Khemissa等[2]進(jìn)行了嚴(yán)重超固結(jié)膨脹粘土的一系列室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，分析了壓實(shí)和干濕循環(huán)對(duì)膨脹黏土力學(xué)參數(shù)的影響，建立了地下水位變化后土體運(yùn)動(dòng)的預(yù)測(cè)模型．楊和平等[3-6]對(duì)邊坡膨脹土開(kāi)展了一系列研究，發(fā)現(xiàn)不管原狀還是重塑樣經(jīng)干濕循環(huán)后的強(qiáng)度衰減主要是c值大幅降低，其Φ值雖也減小但降幅都不大；用雙直線能較好表征其抗剪強(qiáng)度特征，強(qiáng)度指標(biāo)宜按高、低應(yīng)力段分別獲??；膨脹土的抗剪強(qiáng)度受飽和度影響大，其抗剪指標(biāo)隨飽和度和含水量的變化而變化．邊加敏[7]研究了弱膨脹土的干濕循環(huán)直剪強(qiáng)度特征，提出應(yīng)采用低應(yīng)力下的強(qiáng)度參數(shù)作為膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析的參數(shù)．

近年來(lái)，也有少部分學(xué)者考慮到不同氣候地區(qū)的溫度差異，對(duì)膨脹土進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)研究，如Jun Luo等[8]對(duì)不飽和中膨脹粘土和粉質(zhì)粘土進(jìn)行了凍結(jié)溫度試驗(yàn)和分步凍結(jié)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)膨脹粘土的凍結(jié)點(diǎn)隨初始含水量變化很大，孔隙水的狀態(tài)和變化是決定非飽和膨脹粘土凍脹特性的關(guān)鍵因素．許雷[9-12]等對(duì)南陽(yáng)膨脹土進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)含水率對(duì)膨脹土力學(xué)性質(zhì)影響最明顯,含水率和凍結(jié)溫度間的交互作用對(duì)強(qiáng)度影響較為顯著；凍結(jié)溫度對(duì)膨脹土體積變化影響最大，膨脹土的體積變化表現(xiàn)為“凍縮融脹”特性．王鳳華等[13]發(fā)現(xiàn)經(jīng)離子土壤固化劑加固后的膨脹土在凍融過(guò)程中土體溫度變化較為緩慢，不同位置處的土壤含水率變化較小，孔隙率較小，整體穩(wěn)定性較高．

以上學(xué)者通過(guò)不同方向?qū)ε蛎浲吝M(jìn)行研究，為后人探索膨脹土性質(zhì)提供了數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)．但迄今為止，對(duì)膨脹土經(jīng)歷凍融循環(huán)后的物理特性的研究還很少．本文以荊門(mén)膨脹土為研究對(duì)象，從不同含水率的角度出發(fā)，研究常規(guī)直剪條件下，不同含水率、不同凍融循環(huán)次數(shù)的重塑膨脹土經(jīng)歷凍融循環(huán)下的強(qiáng)度指標(biāo)變化，為偶發(fā)霜凍地區(qū)的膨脹土工程提供理論依據(jù)．

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自荊門(mén)某高速公路邊坡，其外觀為黃灰色，團(tuán)塊狀、顆粒細(xì)膩、具滑感、遇水軟化崩解，自由膨脹率為60.67%，塑性指數(shù)20.99，屬于中等膨脹土，其基本物理特性見(jiàn)表1，粒徑累計(jì)曲線如圖1所示．

表1 膨脹土基本物理特性

圖1 膨脹土粒徑累計(jì)曲線

1.2 試樣制備

現(xiàn)場(chǎng)取回的膨脹土經(jīng)晾曬，碾散后過(guò)2 mm篩，測(cè)定其風(fēng)干含水率，配置15%、19%、23%(±0.05%)含水率土樣，燜料一晝夜，用壓樣法制作環(huán)刀試樣，試樣尺寸為Φ61.8 mm×20 mm，每組制作3個(gè)平行試樣，共制作了54個(gè)試樣．為了保證膨脹土的膨脹潛勢(shì)相同，試樣的干密度統(tǒng)一控制為1.4 g/cm3(±0.02 g/cm3)，并將制作好的試樣用保鮮膜包裹防止水分散失，養(yǎng)護(hù)1 d后進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)．

1.3 凍融循環(huán)試驗(yàn)

凍融試驗(yàn)設(shè)定為冷凍室內(nèi)零下18℃下凍結(jié)12 h，然后取出在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)(平均溫度25℃)融化12 h，以此為一個(gè)凍融循環(huán)周期．記錄凍融循環(huán)次數(shù)，分別對(duì)不同含水率下的膨脹土進(jìn)行0、1、2、4、8、12次凍融循環(huán)試驗(yàn)．

1.4 直剪試驗(yàn)

用四聯(lián)直剪儀對(duì)經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)的試樣進(jìn)行非飽和固結(jié)快剪試驗(yàn)，固結(jié)荷載分別為100、200、300、400 kPa，設(shè)定剪切速率為0.8 mm/min，為防止水分蒸發(fā)，采用濕棉花覆蓋壓力板周圍．由于試樣在剪切過(guò)程中其強(qiáng)度一直在上升，沒(méi)有出現(xiàn)峰值，屬于典型的應(yīng)變硬化型曲線，故剪切至6 mm時(shí)停止試驗(yàn)，并以6 mm時(shí)剪切強(qiáng)度作為破壞強(qiáng)度．

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)膨脹土直剪強(qiáng)度影響

不同凍融循環(huán)次數(shù)后膨脹土的照片如圖2所示．由圖可見(jiàn)，相較于干濕循環(huán)，凍融循環(huán)造成的裂隙較輕微．

圖2 不同凍融循環(huán)次數(shù)后的試樣照片

2.2 凍融循環(huán)下膨脹土剪應(yīng)力-剪位移曲線及擬合

由圖3可以看出，膨脹土在試驗(yàn)中不出現(xiàn)峰值，呈現(xiàn)應(yīng)變硬化性狀[14]．但是大部分強(qiáng)度的增長(zhǎng)發(fā)生在剪切位移2 mm之前(可以達(dá)到65%～85%的剪切強(qiáng)度)．當(dāng)剪切位移為0～1 mm時(shí)，剪切強(qiáng)度基本呈線性增長(zhǎng)，說(shuō)明此時(shí)膨脹土處于彈性階段，由土體整體結(jié)構(gòu)提供抗剪強(qiáng)度．在剪切位移持續(xù)發(fā)生的情況下，在1～2 mm之間，增長(zhǎng)曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，說(shuō)明土體開(kāi)始接近極限強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，增長(zhǎng)速度明顯變緩，土體進(jìn)入塑性變形階段．在剪切位移達(dá)到2 mm之后，土體實(shí)際上已經(jīng)發(fā)生了部分剪切破壞，但是強(qiáng)度一直在上升，這是由于膨脹土本身的高粘聚性，呈現(xiàn)出很強(qiáng)的延展特性，其中垂直壓力越高表現(xiàn)的越明顯．隨著垂直荷載的增加，膨脹土的剪切面由疏松的斷裂形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣饣纳舷洛e(cuò)位形態(tài)，剪切面油膩泛有光亮，似搓痕，剪切后試樣如圖4所示(從左到右試樣的固結(jié)壓力分別為100、200、300、400 kPa)．

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下剪應(yīng)力-位移曲線

圖4 剪切后試樣

剪應(yīng)力-剪位移曲線不斷上升可能有以下3個(gè)方面的原因：1)膨脹土沒(méi)有達(dá)到先期固結(jié)壓力，處于欠固結(jié)狀態(tài)，所以出現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象[14]．2)膨脹土在剪切過(guò)程中水分逐漸散失，導(dǎo)致土體固結(jié)程度加大，進(jìn)而出現(xiàn)剪切強(qiáng)度不斷上升．3)由于荊門(mén)膨脹土有成團(tuán)的特性，不易斷裂，試樣在剪切過(guò)程中，剪切面上的土體一直相互嵌擠，在剪切面面積不斷減小的過(guò)程中，膨脹土被不斷壓密，導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度不斷上升．

將剪應(yīng)力-剪位移曲線通過(guò)origin軟件進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)膨脹土在不同階段的剪應(yīng)力-剪位移曲線非常接近于指數(shù)函數(shù)曲線，其增長(zhǎng)曲線的擬合公式為：

(1)

其中，τ為剪切強(qiáng)度(kPa)；Δl為剪切位移(mm)；τ0為理想峰值抗剪強(qiáng)度(kPa)；A為放大系數(shù)；n為衰變常數(shù)．

由origin的擬合結(jié)果，得到0.966

根據(jù)圖3中origin擬合的結(jié)果分析可知，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，A呈現(xiàn)出先升后降的規(guī)律；隨著垂直壓力的增加，A呈線性增加，符合抗剪強(qiáng)度曲線(如圖5所示)的線性規(guī)律．衰變常數(shù)n的值較小，在0.5～2的范圍內(nèi)波動(dòng)，其值在凍融循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中并無(wú)明顯規(guī)律，但是在不同垂直壓力P的作用下，衰變常數(shù)n隨垂直壓力P的增加呈曲線變化，接近于二次多項(xiàng)式曲線．

由于剪切位移為0時(shí)，剪切強(qiáng)度τ=τ0-A=0，即τ0=A，故將曲線修正為

(2)

又因?yàn)?/p>

(3)

故該曲線的準(zhǔn)線為τ=τ0，即當(dāng)剪切位移Δl持續(xù)增加的情況下，抗剪強(qiáng)度最終收斂于τ0，但是土工試驗(yàn)規(guī)程中規(guī)定，對(duì)于剪應(yīng)力-剪位移曲線無(wú)明顯峰值的剪切試驗(yàn)，剪切至位移Δl=6 mm時(shí)即停止了試驗(yàn)，此時(shí)的剪切強(qiáng)度

(4)

說(shuō)明剪切位移在6 mm時(shí)已經(jīng)非常接近真實(shí)值，故本試驗(yàn)采用剪切位移6 mm時(shí)的剪切強(qiáng)度作為抗剪強(qiáng)度是合理的．

2.3 凍融循環(huán)試驗(yàn)下膨脹土抗剪強(qiáng)度變化

不同凍融循環(huán)次數(shù)下，3種不同含水率的膨脹土的抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系如圖5所示，抗剪強(qiáng)度與垂直壓力呈較好的線性關(guān)系．

圖5 抗剪強(qiáng)度曲線

經(jīng)歷凍融循環(huán)后，各級(jí)垂直壓力下的膨脹土的抗剪強(qiáng)度的變化如圖6所示．由圖可見(jiàn)，在凍融循環(huán)的作用下，膨脹土的抗剪強(qiáng)度整體上呈衰減趨勢(shì)，而且含水率越低，衰減幅度越大．高含水率(19%、23%含水率)的土樣在凍融循環(huán)過(guò)程中，抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)了先增大后減小的趨勢(shì)．含水率低的膨脹土在經(jīng)歷2次凍融循環(huán)后，強(qiáng)度幾乎不變；而含水率較高的膨脹土，需要經(jīng)歷8次凍融循環(huán)后方可基本達(dá)到穩(wěn)定，這說(shuō)明，不同含水率下，膨脹土經(jīng)歷凍融循環(huán)造成的破壞是不一致的．在低含水率時(shí)，垂直壓力對(duì)膨脹土強(qiáng)度衰減的抑制作用明顯，垂直壓力越大，經(jīng)歷凍融循環(huán)之后膨脹土抗剪強(qiáng)度衰減速度越快．但是隨著含水率的上升，垂直壓力對(duì)抗剪強(qiáng)度的衰減速率影響并不十分顯著，當(dāng)接近最佳含水率時(shí)(即含水率為23%時(shí))，不同垂直壓力下的衰減曲線幾乎平行，說(shuō)明含水率較大時(shí)，膨脹土抗剪強(qiáng)度的衰減速度由凍融循環(huán)起主導(dǎo)作用．

圖6 膨脹土抗剪強(qiáng)度變化

2.4 凍融循環(huán)試驗(yàn)下膨脹土c、φ值的變化

由圖7可以看出，含水率為15%的膨脹土粘聚力明顯大于含水率為19%和23%的膨脹土．

圖7 不同含水率膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，含水率為15%的膨脹土的粘聚力和內(nèi)摩擦角均呈下降趨勢(shì)，而含水率為19%與23%的膨脹土的粘聚力呈先增大后減小的趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角則呈整體下降趨勢(shì)．其中含水率為15%的試樣粘聚力逐漸降低，內(nèi)摩擦角也整體呈下降趨勢(shì)，而且第1次和第2次下降幅度較大，分別下降了2.5°和4.27°，在兩次凍融循環(huán)過(guò)后，膨脹土的內(nèi)摩擦角幾乎不變．而含水率為19%的試樣，在第1次凍融循環(huán)后，其粘聚力增長(zhǎng)了5.42 kPa，而后開(kāi)始下降，經(jīng)過(guò)12次凍融循環(huán)后，粘聚力共下降了11.25 kPa；其內(nèi)摩擦角則呈下降趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)12次凍融循環(huán)后內(nèi)摩擦角共下降了5.33°．含水率為23%的試樣在凍融循環(huán)過(guò)程中，粘聚力由30.39 kPa下降至10.80 kPa，而內(nèi)摩擦角由4.76°下降至2.26°；雖然相比之下，23%含水率下的膨脹土內(nèi)摩擦角降幅較小，但這是由于此時(shí)含水率接近最佳含水率(22.8%)，膨脹土受水潤(rùn)滑作用大，膨脹土本身的內(nèi)摩擦角小所致．

部分試樣的有效粘聚力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，不同于許雷等[10-12]作出的粘聚力逐漸下降的結(jié)論，而內(nèi)摩擦角則呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)．這是由于本實(shí)驗(yàn)采用封閉式系統(tǒng)，防止水分散發(fā)，而許雷等采用開(kāi)放系統(tǒng)，水分散失嚴(yán)重的緣故．在第1次凍融循環(huán)過(guò)程中，粘聚力出現(xiàn)增大的現(xiàn)象，其主要原因是水分的遷移帶動(dòng)部分土粒，使土粒更加均勻，釋放了由于壓樣過(guò)程中的不均勻壓力，所以第1次凍融循環(huán)后膨脹土的粘聚力上升．根據(jù)溫度梯度理論，土樣與外界溫度梯度越大，水分遷移的速率越快[15]．由于室內(nèi)融化溫度為25℃，而冷凍溫度達(dá)到了-18℃，在溫度梯度達(dá)到43℃的情況下，膨脹土特性變化明顯．而從第2次凍融循環(huán)開(kāi)始，膨脹土的粘聚力開(kāi)始衰減，說(shuō)明凍融循環(huán)破壞了土粒結(jié)構(gòu)，土粒的黏聚性下降，整體性逐漸下降．凍融循環(huán)2次以后，膨脹土的粘聚力與內(nèi)摩擦角均不斷下降．這表明，凍融循環(huán)在整體上會(huì)降低土體的抗剪強(qiáng)度，其中對(duì)土體粘聚力的削減程度較大，而內(nèi)摩擦角的降低幅度較?。?/p>

3 結(jié)果與建議

1)膨脹土在剪切試驗(yàn)過(guò)程中不出現(xiàn)峰值，呈現(xiàn)應(yīng)變硬化性狀[14]，提出膨脹土應(yīng)變硬化型曲線可以用指數(shù)函數(shù)擬合，相關(guān)性良好，并且提出修正后的剪應(yīng)力-剪位移曲線公式，提出對(duì)于應(yīng)變硬化型曲線，取6 mm時(shí)的剪切強(qiáng)度作為抗剪強(qiáng)度是合理的．

2)在凍融循環(huán)的作用下，膨脹土的抗剪強(qiáng)度整體上呈衰減趨勢(shì)，而且含水率越低，衰減幅度越大．在低含水率時(shí)，垂直壓力對(duì)膨脹土強(qiáng)度衰減的抑制作用明顯，但是含水率較大時(shí)，膨脹土抗剪強(qiáng)度的衰減速度由凍融循環(huán)起主導(dǎo)作用．

3)在凍融循環(huán)的作用下，當(dāng)膨脹土的含水率較低時(shí)，其粘聚力和內(nèi)摩擦角均呈逐漸減小的趨勢(shì)；當(dāng)含水率較高時(shí)，膨脹土的有效粘聚力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而內(nèi)摩擦角則呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)．

4)建議開(kāi)展微細(xì)觀試驗(yàn)，從微細(xì)觀角度進(jìn)行對(duì)比分析，揭示其抗剪指標(biāo)變化的內(nèi)在規(guī)律．