王福

（河南白龜山水庫管理局，河南 平頂山 462500）

1 引言

蒙脫石和伊利石等具有較強親水性的礦物存在于膨脹土中，導(dǎo)致膨脹土具有吸水膨脹、失水收縮的特性。這種特性容易受到外界因素的影響，使道路、房屋和其他基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)常常受到非常重大的影響，嚴重的會危及人身安全。在工程應(yīng)用中，常會出現(xiàn)基床翻漿冒泥、路基下沉、邊坡滑坡等重大危害，給公路建設(shè)和人身安全造成極大破壞。

目前試驗室內(nèi)制備重塑土樣的方法主要為擊樣法（壓樣法），但是這種方法制備的土樣在結(jié)構(gòu)性方面失真較嚴重。不同的制樣方式對土體的微觀結(jié)構(gòu)及宏觀力學(xué)特性影響巨大。目前室內(nèi)試驗研究用的非飽和土試樣主要有原狀樣、擊實樣和泥漿樣。其中擊實試樣因制樣方便，可以配制成不同含水率和密度等特定狀態(tài)下的試樣，也是目前在非飽和土的水力-力學(xué)特性試驗研究中用得最多的試樣。

土的抗拉強度在工程設(shè)計中可以發(fā)揮重要的作用。單軸拉伸試驗、三軸拉伸試驗可以直接測定土體的抗拉強度，徑向劈裂試驗、彎曲梁試驗和環(huán)狀試樣法可以間接測定抗拉強度。除此之外，還有很多直接或間接測量抗拉強度的方法。但是徑向劈裂試驗操作簡單方便，因此選用了徑向劈裂試驗進行試驗研究。在巖土工程領(lǐng)域可視化模型試驗研究中，粒子圖像測速技術(shù)得到了有效應(yīng)用。

因此以南陽膨脹土為研究對象，進行基于PIV技術(shù)的劈裂試驗，分析不同制樣方式下非飽和膨脹土的力學(xué)特性變化規(guī)律，從而為解決膨脹土難題提供深層次的處理方案和工程實踐的科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)。

2 膨脹土物理性質(zhì)指標(biāo)

試驗所用的膨脹土取自河南省南陽市宛城區(qū)紅泥灣鎮(zhèn)第一初級中學(xué)附近，取土深度約為6 m。將現(xiàn)場取的擾動膨脹土烘干，并碾碎過篩處理，配置重塑土樣，進行膨脹土的物理性質(zhì)指標(biāo)試驗。該土的物理性能指標(biāo)列于表1。粒徑分布級配曲線試驗可知膨脹土的顆粒粒徑主要集中在0.001～0.1 mm，約占土體總質(zhì)量的90%。根據(jù)顆粒分析試驗和液塑限試驗結(jié)果，該試驗土為低液限黏土（CL）。根據(jù)膨脹性分類標(biāo)準，該試驗土為弱膨脹土。

表1 膨脹土的物性指標(biāo)表

3 試驗設(shè)備

3.1 試驗設(shè)備簡介

試驗所用徑向劈裂試驗設(shè)備，其由三個系統(tǒng)組成：加載測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)和PIV系統(tǒng)。具體圖像設(shè)置和參數(shù)見參考文獻。選擇應(yīng)變控制類型施加載荷，速度為7 mm/min。每秒拍攝七張照片，以記錄整個過程中的變形。試驗拍攝范圍為38.50 cm×38.50 cm，初始試樣尺寸d0為6.18 cm和h0為2 cm。

3.2 試樣制備

首先將烘干膨脹土過篩，然后將其與蒸餾水混合，按照目標(biāo)含水率進行配土，用塑料袋密封配土，然后放入保濕缸進行充分滋潤。用千斤頂靜壓法制備四個初始含水率為20%，初始干密度為1.68 g/cm3的重塑試樣，使其自然風(fēng)干之后，控制目標(biāo)含水率為8%、12%、16%、20%（簡稱制樣方式一），并用游標(biāo)卡尺量測其直徑d，高度h，得到干密度。然后依據(jù)干化試樣的干密度，直接采用靜壓法制備四個相同干密度、含水率的試樣。最后采用靜壓法制備初始干密度為1.68 g/cm3，初始含水率分別為8%、12%、16%，20%的試樣。準備由三種不同制樣方式制成的非飽和膨脹土樣，探究不同制樣方式下非飽和膨脹土抗拉強度的規(guī)律。

4 試驗結(jié)果

如圖1和圖2所示，膨脹土劈裂試驗荷載-位移關(guān)系曲線存在不同的階段：OA段，試樣內(nèi)部微小孔隙被逐漸壓實，荷載-位移關(guān)系曲線斜率逐漸增大；AB 段，試樣內(nèi)部趨于密實，開始彈性變形，曲線斜率近乎不變，在此階段達到荷載峰值；BC段，在達到峰值后，進入失穩(wěn)破壞階段，試樣表面開始出現(xiàn)清晰可見的裂隙，隨著位移的微量增加荷載曲線急劇跌落；CD 段，劈裂裂隙在試樣表面及內(nèi)部發(fā)育。隨之試樣呈現(xiàn)出一定的殘余強度。裂隙伴隨應(yīng)力增加呈現(xiàn)繼續(xù)發(fā)育趨勢直至貫通試樣，最后導(dǎo)致其完全破壞。

圖1 三種制樣方式荷載-位移曲線圖

圖2 不同含水率條件下的三種制樣方式荷載-位移曲線圖

在采用靜壓法直接制成四組相同干密度的試樣結(jié)果中，可以觀察到含水率越大，試樣的峰值荷載越低，位移越大，且含水率為8%的試樣，在達到峰值荷載之后，曲線突變，試樣脆性大，整個破壞過程非常短暫，而隨著含水率增大，曲線趨于光滑，表明含水率對抗拉強度的影響較大。峰值荷載隨含水率的增加而降低。同時，當(dāng)含水率一定時，干密度越大，峰值荷載越大。但是隨著含水率增大，兩條荷載-位移曲線峰值之間差距逐漸縮小，表明隨著含水率的增加，干密度對抗拉強度的影響逐漸變小。

制樣方式對荷載-位移曲線的影響如圖2 所示，在初始干密度和含水率均相同的情況下，制樣方式一的峰值荷載高于制樣方式二，可見影響膨脹土抗拉強度的因素不僅僅是含水率和初始干密度，制樣方式也會對膨脹土的抗拉強度產(chǎn)生比較大的影響，含水率為20%、16%、12%、8%時，制樣方式一對比制樣方式二峰值荷載分別增加了5.42%、66.86%、116.76%、89.97%，說明膨脹土抗拉強度不僅受宏觀條件控制（如：含水率，初始干密度），同時受土體本身的微觀結(jié)構(gòu)控制，膨脹土的荷載-位移關(guān)系曲線呈現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象。干化膨脹土的集聚體體積比靜壓法制樣膨脹土的大，集聚體間孔隙較少，導(dǎo)致干化膨脹土的抗拉強度比靜壓法制樣膨脹土的高。隨著重塑膨脹土初始干密度增大，其內(nèi)部集聚體間孔隙會逐漸減小，而且干化膨脹土在自然風(fēng)干過程后，土顆粒呈現(xiàn)片狀，而采用靜壓法直接制成的土樣中，土顆粒呈現(xiàn)顆粒狀，孔隙數(shù)量相較于干化試樣明顯增多，膨脹土的抗拉強度相對較低。

5 結(jié)論

①試樣破壞的過程分為四個階段：OA 段為應(yīng)力接觸調(diào)整階段（I）；AB 階段為應(yīng)力近似線性增加階段（II）；BC 部分為拉伸破壞階段（III）；CD 部分為殘余階段（IV）。②非飽和膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值隨初始干密度增高而增高。w＜wc 時，峰值荷載隨著含水率的增加而增大。但當(dāng)含水率較高時，峰值荷載隨含水率的增加而減小。③制樣方式對膨脹土土樣的抗拉強度影響較大，制樣方式一的荷載-位移曲線峰值荷載最高，其次是制樣方式二，制樣方式三的峰值荷載最低。

收稿日期：2022-5-15