張國華

(蒙冀鐵路有限責(zé)任公司,呼和浩特 010000)

引言

膨脹土是一種典型的特殊土體，由于其含有豐富的蒙脫石或伊利石礦物而具有顯著的吸水膨脹和失水收縮工程特性[1]。在膨脹土地區(qū)修建公路、鐵路等工程中，膨脹土由于具有較高的水敏感性會使土體產(chǎn)生大量裂隙，從而降低土體強(qiáng)度，并且還顯著增加土體的滲透性，進(jìn)一步威脅膨脹土路基或邊坡的穩(wěn)定性[2]。若發(fā)生相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害，會造成較大經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí){人民群眾的生命安全。因此，研究膨脹土強(qiáng)度特性具有重要的工程意義。

目前，有關(guān)于膨脹土強(qiáng)度的研究主要集中于壓剪狀態(tài)下膨脹土的抗剪強(qiáng)度特性。徐彬等[3]采用直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)測試了不同裂隙發(fā)展?fàn)顟B(tài)下膨脹土的強(qiáng)度，結(jié)果顯示含水量、密度和裂隙是影響膨脹土的3個主要因素；程展林等[4]基于大量的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果，重點(diǎn)分析了裂隙發(fā)展對強(qiáng)度的影響；張俊然等[5]采用吸力控制式三軸試驗(yàn)設(shè)備，研究了不同吸力條件下弱膨脹土的強(qiáng)度規(guī)律，并采用修正后的Bishop非飽和強(qiáng)度公式對強(qiáng)度進(jìn)行了模擬；董文萍等[6]研究了液限影響膨脹土強(qiáng)度規(guī)律和內(nèi)在機(jī)制；趙鑫等[7]基于南水北調(diào)工程中強(qiáng)膨脹土大型剪切試驗(yàn)，分析了裂隙面的相關(guān)特征對膨脹土抗剪強(qiáng)度影響規(guī)律。已有研究普遍表明，含水率、干密度以及裂隙發(fā)育程度對膨脹土壓剪狀態(tài)下的剪切強(qiáng)度影響顯著。

對于膨脹土壓剪狀態(tài)下的剪切強(qiáng)度，目前研究已證實(shí)了摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則能很好地進(jìn)行預(yù)測[8]。然而，在土體邊坡處于失穩(wěn)狀態(tài)時，坡頂后緣往往并不處于受壓-剪切狀態(tài)，而是處于受拉-剪切破壞模式，土體的抗拉強(qiáng)度和拉伸-剪切破壞強(qiáng)度對于邊坡穩(wěn)定性分析也具有不可忽視的意義[9-12]。因此，膨脹土的抗拉強(qiáng)度及拉剪-破壞強(qiáng)度規(guī)律也應(yīng)該是評估其邊坡穩(wěn)定性的主要指標(biāo)。同時，一些學(xué)者建立了采用壓剪狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度和單軸抗拉強(qiáng)度來推導(dǎo)土體的考慮拉剪破壞效應(yīng)的聯(lián)合強(qiáng)度公式[13-14]。

雖然已有關(guān)于土體抗拉強(qiáng)度的研究成果，但大多研究集中在黏性土方面，對于膨脹土抗拉強(qiáng)度的研究并不多見。如張?jiān)频萚15]進(jìn)行了擊實(shí)黏土的直接拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，擊實(shí)黏土試樣在較高干密度和較低含水率情況下具有較好的抗拉強(qiáng)度；TANG[16]也開展了黏性土的抗拉強(qiáng)度研究工作；朱崇輝等[17]測試黏性土在非飽和狀態(tài)下的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，并進(jìn)一步分析了二者之間的關(guān)系；張輝等[18]也針對礫質(zhì)土的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行裂縫研究；胡海軍等[19]研究了黃土的抗拉強(qiáng)度，并分析了制樣方法對抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律；呂海波等[20]通過自行研制的土工拉伸儀器，開展了紅黏土和膨脹土的抗拉強(qiáng)度研究，主要分析了干密度、含水率和干濕循環(huán)次數(shù)對抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律；冉龍州等[21]針對膨脹土開展干燥過程中不同含水量情況下的抗拉強(qiáng)度研究，結(jié)果顯示，隨著含水率增加，抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)指數(shù)型增加；黃珂等[22]也開展了軸向壓裂試驗(yàn)來研究了壓實(shí)膨脹土的抗拉強(qiáng)度。

根據(jù)以上分析可知，膨脹土的強(qiáng)度特性分析主要集中于壓剪狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度，缺少綜合抗拉和抗剪特性的強(qiáng)度研究。以壓實(shí)膨脹土為研究對象，通過拉伸試驗(yàn)研究干密度和含水率對壓實(shí)膨脹土抗拉強(qiáng)度的影響，并測試不同干密度情況下壓實(shí)膨脹土的抗剪強(qiáng)度；綜合抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，分析壓實(shí)膨脹土考慮拉-剪破壞效應(yīng)的聯(lián)合強(qiáng)度特性，提出了拉-剪聯(lián)合強(qiáng)度公式。該研究對于分析膨脹土路基和膨脹土邊坡的穩(wěn)定性具有重要工程指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)介紹

該研究主要分析壓實(shí)膨脹土的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，通過綜合分析研究壓實(shí)膨脹土的強(qiáng)度特性?？估瓘?qiáng)度主要采用自行改裝的抗拉強(qiáng)度設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，而抗剪強(qiáng)度采用常規(guī)直剪設(shè)備進(jìn)行測試。下面將主要介紹試驗(yàn)土體、抗拉試驗(yàn)及直剪試驗(yàn)的基本情況。

1.1 試驗(yàn)土體

試驗(yàn)所用膨脹土比重為2.76，液限含水率為65.96%，塑限含水率為31.43%，塑性指數(shù)為34.53，自由膨脹率為68.9%。試樣中小于2 μm的黏粒含量占試樣總質(zhì)量的64.78%。根據(jù)GB50112—2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[23]規(guī)定，該膨脹土具有中等膨脹潛勢。

1.2 抗拉試驗(yàn)

抗拉試驗(yàn)設(shè)備主要由直剪設(shè)備改裝而來，具體原理如圖1所示。直剪設(shè)備保留了提供拉伸拉力的裝置，直剪試樣盒被重新加工的“啞鈴形”拉伸試樣盒替換。在試樣盒和拉伸桿直剪試驗(yàn)增加了拉伸傳感器測量拉力。在試驗(yàn)前，該拉伸傳感器已通過砝碼質(zhì)量法進(jìn)行了校正，該傳感器量程范圍為0～500 kN，精度為±0.03%。試驗(yàn)過程中的試樣軸向變形可以通過加載時間乘以加載速率來確定。拉伸試驗(yàn)試樣如圖2所示。

圖1 拉伸設(shè)備原理示意

圖2 拉伸試驗(yàn)試樣(單位:mm)

抗拉試驗(yàn)主要考慮了干密度和含水率對壓實(shí)膨脹土的抗拉強(qiáng)度影響。在含水率ω=15%和24%的情況下，測試了4種不同干密度(ρd=1.4，1.5，1.6，1.7 g/cm3)的抗拉強(qiáng)度；此外，還研究了在干密度ρd=1.5 g/cm3情況下，不同含水率(ω=9.08%，12.36%，16.36%，18.2%，20.35%和25.725%)對抗拉強(qiáng)度的影響。拉伸試驗(yàn)的試樣形狀大小為非標(biāo)試樣，具體制樣過程如下：首先根據(jù)含水率把膨脹土和水進(jìn)行混合，并攪拌均勻；然后采用密封袋封裝并靜置24 h左右以保證水分遷移均勻。采用千斤頂按照干密度進(jìn)行壓制試樣，同時利用烘干法再次測試含水率。

1.3 直剪強(qiáng)度試驗(yàn)

直剪強(qiáng)度試驗(yàn)主要采用常規(guī)直剪試驗(yàn)進(jìn)行，具體方法參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[24]。直剪試驗(yàn)主要測試了含水率為ω=15%情況下，不同干密度(ρd=1.4，1.5，1.6，1.7 g/cm3)的抗剪強(qiáng)度。直剪試樣尺寸為環(huán)刀樣，直徑為61.8 mm，高度為20 mm。制樣制備過程與拉伸試驗(yàn)的制備過程一致。試樣制備完成后，安裝如直接剪切裝置的試樣盒中，并施加豎向正應(yīng)力(共4種正應(yīng)力50，100，200，400 kPa)，待壓縮過程完成后，開始進(jìn)行剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，記錄剪切應(yīng)力和剪切位移。根據(jù)剪切位移和剪切應(yīng)力曲線，取峰值應(yīng)力(曲線具有峰值應(yīng)力)或剪切位移4 mm對應(yīng)的剪切應(yīng)力作為剪切強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗拉強(qiáng)度

根據(jù)抗拉試驗(yàn)結(jié)果，圖3給出兩種含水率情況下壓實(shí)膨脹土的抗拉強(qiáng)度隨干密度的變化曲線。明顯看出，隨著干密度增加，抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)顯著增加。以含水率為15%的工況為例，在ρd=1.4 g/cm3情況下，抗拉強(qiáng)度為28.4 kPa，隨著干密度增加至1.7 g/cm3，抗拉強(qiáng)度增加到75.9 kPa，其增幅為167.3%。而對于含水率為24%的工況，在干密度從1.4 g/cm3增加到1.7 g/cm3的情況下，抗拉強(qiáng)度則增加了195.5%。黃珂等[22]研究了南京高淳區(qū)壓實(shí)膨脹土的抗拉強(qiáng)度隨著壓實(shí)度的變化，得出了抗拉強(qiáng)度隨著壓實(shí)度增大而增大；張?jiān)频萚15]針對江蘇張家港擊實(shí)黏土開展抗拉試驗(yàn)，也得出了其抗拉強(qiáng)度隨干密度增加而增加；呂海波等[20]通過試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，廣西武鳴紅黏土和百色膨脹土的抗拉強(qiáng)度也隨著干密度的增加而提高。可見，本文的壓實(shí)膨脹土與大部分黏性土類似，其抗拉強(qiáng)度隨著干密度增加而增加。

圖3 壓實(shí)膨脹土抗拉強(qiáng)度隨干密度變化曲線

從微細(xì)觀角度，黏土的抗拉強(qiáng)度主要受土顆粒及土顆粒形成的聚集體內(nèi)部之間相互作用力來控制，其中就包括顆粒和聚集體之間的結(jié)構(gòu)咬合力、結(jié)合水聯(lián)結(jié)力、范德華力和毛細(xì)作用力等[15]。對于壓實(shí)膨脹土而言，干密度的增加減小了土顆?；蚓奂w之間的間距，使土顆?；蚓奂w接觸更為緊密，具有更大的相互作用面積，其結(jié)構(gòu)咬合力必然得到相應(yīng)增加。此外，顆粒間間距的減小也增加結(jié)合水聯(lián)結(jié)力和范德華力[20]。因此，隨著干密度增加，壓實(shí)膨脹土的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯增加趨勢。

呂海波等[20]和張?jiān)频萚15]提出采用線性公式來描述膨脹土和黏土的抗拉強(qiáng)度隨干密度變化關(guān)系。圖3也給出了采用線性關(guān)系來描述的抗拉強(qiáng)度和干密度之間的關(guān)系，表達(dá)式如下。

對于ω=15%

σt=165.62×ρd-206.82

(1)

對于ω=24%

σt=265.83×ρd-326.37

(2)

式(1)、式(2)中，σt為抗拉強(qiáng)度，kPa；ρd為干密度，g/cm3。由于式(1)、式(2)為擬合關(guān)系式，在使用時務(wù)必要使用相應(yīng)的單位。

圖3給出了式(1)、式(2)擬合的結(jié)果，其相關(guān)系數(shù)R2分別為0.968 1和0.985 1，說明采用線性關(guān)系式描述抗拉強(qiáng)度和干密度之間的關(guān)系是合理的。

根據(jù)膨脹土拉伸試驗(yàn)結(jié)果，圖4整理了ρd=1.5 g/cm3干密度在不同含水率情況下壓實(shí)膨脹土的抗拉強(qiáng)度。圖4中顯示抗拉強(qiáng)度隨含水率的增加而增加，增加的幅度隨著含水率的增加逐漸增強(qiáng)。如在低含水率范圍，含水率從9.1%增至12.14%，抗拉強(qiáng)度從20.09 kPa增至26.58 kPa，增長梯度為213.49 kPa；而在較高含水率范圍，含水率從20.35%變化至25.73%，其對應(yīng)的抗拉強(qiáng)度從59.23 kPa增至78.34 kPa，增長梯度為355.2 kPa。該試驗(yàn)結(jié)果與呂海波等[20]在研究脹縮性土的抗拉強(qiáng)度時得到的結(jié)果一致，研究發(fā)現(xiàn)紅黏土和膨脹土的抗拉強(qiáng)度在含水率小于最優(yōu)含水率的范圍內(nèi)隨含水率的增加而增加，在含水率超過最優(yōu)含水率后，抗拉強(qiáng)度隨著含水率增大而減小。在該實(shí)驗(yàn)中，膨脹土的塑限含水率為31.43%。一般來講，土的最優(yōu)含水率接近塑限含水率(ωp=31.43%)GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。本次試驗(yàn)使用的含水率均小于塑限含水率，因此，試驗(yàn)結(jié)果顯示壓實(shí)膨脹土的抗拉強(qiáng)度隨著含水率增加而提高。

圖4 壓實(shí)膨脹土抗拉強(qiáng)度隨含水率的變化

為進(jìn)一步說明抗拉強(qiáng)度隨含水率的變化關(guān)系，一些學(xué)者給出了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。張?jiān)频萚15]認(rèn)為擊實(shí)黏土的抗拉強(qiáng)度與含水率呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，給出了一個線性公式進(jìn)行模擬；而呂海波等[20]則采用指數(shù)函數(shù)來描述紅黏土和膨脹土的抗拉強(qiáng)度和含水率的關(guān)系。這里同時采用線性函數(shù)和指數(shù)函數(shù)對本試驗(yàn)的壓實(shí)膨脹土抗拉強(qiáng)度和含水率關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖4所示。線性函數(shù)擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.966 4，指數(shù)函數(shù)擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)為0.984。從相關(guān)系數(shù)來看，兩種函數(shù)關(guān)系式的擬合效果均較好，但指數(shù)函數(shù)具備更好的擬合效果，更能反映該壓實(shí)膨脹土抗拉強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律。

為更深入了解膨脹土的含水率增長對抗拉強(qiáng)度影響的微觀機(jī)制，圖5給出了含水率增長過程中壓實(shí)膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)。根據(jù)前人研究基礎(chǔ)[25-26]，膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)為片狀黏土礦物首先疊在一起，形成了土體聚集體，在聚集體內(nèi)部充填了結(jié)合水；眾多的土體聚集體又組成了整個土體，聚集體之間的控制填充一般為自由水，主要包括毛細(xì)水和重力水，這種微細(xì)觀結(jié)構(gòu)和水的綜合作用表現(xiàn)出土體的宏觀物理力學(xué)性質(zhì)。對于該試驗(yàn)的壓實(shí)膨脹土體，由于試驗(yàn)所用的含水率均低于塑限，因此，土體中的水主要屬于結(jié)合水，賦存于土體聚集體內(nèi)部，片狀礦物之間。在低含水率情況下，片狀礦物之間存在很強(qiáng)的物理化學(xué)吸附力，使聚集體體積很小，宏觀表現(xiàn)土體較為疏松，如圖5(a)所示，可以在土樣中看到很多孔隙，因此抗拉強(qiáng)度較低。而隨著含水量增加，聚集體內(nèi)部吸水性強(qiáng)，體積膨脹，土體相對變得較為密實(shí)，如圖5(b)所示，因此宏觀顯示出抗拉強(qiáng)度較大。故隨著含水率的增加，抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)增加趨勢。

圖5 壓實(shí)膨脹土顆粒結(jié)構(gòu)隨含水率增加的變化情況

2.2 聯(lián)合強(qiáng)度公式

土體強(qiáng)度特性是關(guān)系土層穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。目前，膨脹土強(qiáng)度研究主要集中在含水率、干密度和裂隙等因素對抗剪強(qiáng)度的影響，研究土體強(qiáng)度特性也很少考慮抗拉強(qiáng)度的影響。然而，在分析土體邊坡穩(wěn)定性時，抗拉強(qiáng)度也是一個非常重要的方面，特別在考慮拉伸-剪切破壞的案例中[8]。因此，這里綜合分析抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度來研究壓實(shí)膨脹土考慮拉剪破壞效應(yīng)的聯(lián)合強(qiáng)度特性。

在本文直剪試驗(yàn)中，主要測試不同干密度情況下壓實(shí)膨脹土的抗剪強(qiáng)度，并結(jié)合其抗拉強(qiáng)度，研究壓實(shí)膨脹土的強(qiáng)度特性，如圖6所示。圖6中顯示干密度對壓實(shí)膨脹土的抗剪強(qiáng)度影響與前人研究結(jié)果一致，即抗剪強(qiáng)度隨著干密度增加而提高[3]。由圖6可以看出，如不考慮試樣的抗拉強(qiáng)度，同一干密度試樣的剪切強(qiáng)度隨著正應(yīng)力增加呈線性增加，符合摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。然而，若將采用該線性強(qiáng)度線分析該試樣的抗拉強(qiáng)度時，所得強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所測得強(qiáng)度，這一現(xiàn)象與李夢姿[27]和孔小昂[11]研究分析一致。因此，摩爾庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則在分析壓實(shí)膨脹土的拉伸-剪切破壞時遇到了困難。

為更好地描述壓實(shí)膨脹土的強(qiáng)度特性，提出一個考慮拉伸-剪切效應(yīng)的聯(lián)合強(qiáng)度公式，具體如下

τ=k(σ-σt)n

(3)

式中，σ為有效正應(yīng)力，kPa；τ為剪切強(qiáng)度，kPa；σt為抗拉強(qiáng)度，kPa；k和n為擬合參數(shù)。采用式(3)對不同干密度情況下壓實(shí)膨脹土強(qiáng)度進(jìn)行擬合，所取參數(shù)如表1所示。圖6給出了式(3)擬合結(jié)果，曲線為強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果。從圖6可以看出，提出的強(qiáng)度公式能有效描述壓實(shí)膨脹土拉剪狀態(tài)和壓剪狀態(tài)下的強(qiáng)度特性。這里值得說明的是，該強(qiáng)度公式與摩爾庫倫強(qiáng)度公式不同，其描述的強(qiáng)度線不再是一條直線，而是曲線，其曲線彎曲程度由參數(shù)n來控制。參數(shù)k也不再與摩爾庫倫強(qiáng)度公式中的摩擦系數(shù)對應(yīng)，而是由材料內(nèi)部的顆粒間摩擦特性控制。

表1 壓實(shí)膨脹土強(qiáng)度公式參數(shù)

注：試樣含水率為15%，曲線為強(qiáng)度公式計(jì)算結(jié)果，鏤空標(biāo)記為試驗(yàn)測試點(diǎn)

對于一些土體，若其抗拉強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度在圖6中能形成線性規(guī)律，則式(3)可以轉(zhuǎn)化為摩爾庫倫強(qiáng)度公式。此時n=1且k=tanφ′，φ′為土體內(nèi)摩擦角。

3 結(jié)論

通過測試壓實(shí)膨脹土的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，研究了干密度和含水率對壓實(shí)膨脹土的抗拉強(qiáng)度影響規(guī)律，以及干密度對壓實(shí)膨脹土的抗剪強(qiáng)度影響特性；綜合分析抗拉強(qiáng)度和壓剪抗剪強(qiáng)度特性，研究了考慮拉伸-剪切破壞效應(yīng)的壓實(shí)膨脹土的強(qiáng)度特性。具體結(jié)論如下。

(1)干密度對壓實(shí)膨脹土的抗拉強(qiáng)度存在明顯影響，表現(xiàn)為隨著干密度增加而提高，主要原因?yàn)橥令w?；蚓奂w之間的間距減小增加了其相互之間的結(jié)構(gòu)咬合力和物理吸附力，可用線性關(guān)系式來描述抗拉強(qiáng)度隨干密度的變化規(guī)律。

(2)由于膨脹土黏土礦物吸水膨脹，增加了顆粒及聚集體之間的接觸面積，導(dǎo)致在塑限含水率范圍內(nèi)膨脹土的抗拉強(qiáng)度隨著含水率增加而增大；指數(shù)函數(shù)和線性函數(shù)都能有效描述抗拉強(qiáng)度與含水率之間的關(guān)系，但指數(shù)函數(shù)具有更好的描述效果。

(3)壓實(shí)膨脹土的抗剪強(qiáng)度隨著干密度增加而增加。綜合分析抗拉強(qiáng)度和壓剪抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，可知壓實(shí)膨脹土的抗剪強(qiáng)度隨著正應(yīng)力增大呈曲線增長規(guī)律，線性的摩爾庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則難以有效描述，因此提出了考慮拉-剪破壞效應(yīng)的聯(lián)合強(qiáng)度公式。公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測試值對比顯示，該強(qiáng)度公式能有效反映壓實(shí)膨脹土在拉伸-剪切和受壓-剪切狀態(tài)的強(qiáng)度特性。