李云鵬，林一芃，張晶旭

河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局國土資源勘查中心(河北省礦山和地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援中心)，河北 石家莊 050081

0 引言

膨脹土是實際工程中的一種特殊土體，因富含蒙脫石、伊利石、高嶺石等親水性黏土礦物，具有吸水膨脹、失水收縮的膨脹特性，除此之外膨脹土還具有裂隙性、超固結(jié)性等特性。膨脹土的諸多特殊性質(zhì)導(dǎo)致的土體強度衰減問題，引起學(xué)者的廣泛關(guān)注。例如：張曉麗[1]、戴福初等[2]對不同黏粒含量膨脹土進行快剪、反復(fù)直剪試驗，對比不同條件下的快剪試驗數(shù)據(jù)，提出了飽和、固結(jié)環(huán)節(jié)在不同黏粒含量膨脹土中發(fā)揮的作用，梳理出黏粒含量與峰值、殘余強度及其強度指標的關(guān)系。趙鑫等[3]對南陽強膨脹土進行大剪試驗，研究結(jié)果表明裂隙面的發(fā)育程度、傾角、起伏度對膨脹土抗剪強度都有影響。黃志全等[4]通過直剪試驗、三軸試驗對裂隙面強度進行研究，指出了裂隙面傾角和填充黏土厚度均對抗剪強度指標起到負面影響，且傾角的影響更為突出。胡旭輝等[5]通過開展干濕循環(huán)條件下的直剪試驗，研究發(fā)現(xiàn)強度衰減主要集中在前3次的干濕循環(huán)過程，之后逐漸趨于穩(wěn)定，且黏聚力呈現(xiàn)的衰減規(guī)律比內(nèi)摩擦角更明顯，研究結(jié)果針對實際工況中強度參數(shù)的選取給出了合理建議。楊和平等[6]在干濕循環(huán)效應(yīng)對膨脹土的強度影響進行過類似的研究，結(jié)果證實無論是原狀樣還是重塑樣，干濕循環(huán)后的強度衰減主要為黏聚力值的明顯降低。蔣曉慶等[7]通過殘余強度試驗儀對膨脹土進行反復(fù)剪切試驗，證明了弱膨脹土殘余強度受到初始含水率和豎向應(yīng)力的影響，并對不同豎向應(yīng)力作用下含水率與強度的關(guān)系進行線性擬合，所得結(jié)果對于邊坡穩(wěn)定性分析及滑坡防治具有一定的參考價值。

關(guān)于膨脹土抗剪強度的影響因素，以往學(xué)者在裂隙、干濕循環(huán)、豎向應(yīng)力、黏粒含量、含水率等方面的研究取得了豐碩的成果，得出了很多重要的結(jié)論。文章擬聚焦于含水率的變化對膨脹土強度的影響，在前人已有結(jié)論的基礎(chǔ)上對含水率的影響效果進一步探究，以期更好的描述膨脹土抗剪強度與含水率之間的關(guān)系。作者以南水北調(diào)中線工程邯鄲段強膨脹土為研究對象，通過反復(fù)剪切試驗，對不同初始含水率重塑膨脹土的峰值強度和殘余強度變化情況進行研究，分析含水率的變化對于膨脹土強度的影響特征，期望為該地區(qū)工程建設(shè)中強度參數(shù)的選取提供一定的參考依據(jù)。

1 膨脹土反復(fù)直剪試驗

1.1 試驗土樣

本次試驗用土取自南水北調(diào)中線工程邯鄲段，取土深度1.6～1.8 m。土樣基本物理性質(zhì)指標嚴格依據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T50123—2019)進行測試，測得各項指標見表1，由表1可知土樣天然含水率為26%，干密度為1.51 g/cm3，滲透系數(shù)為4.62×10-8，滲透性差，起隔水作用，自由膨脹率為90%，根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB50112—2013)將該土樣膨脹性等級定為強膨脹土。圖2為膨脹土的粒徑級配曲線，由圖2可知土樣的黏粒含量為33.7%，粉粒含量為59.7%，砂粒含量為5.1%，黏粒含量較高，顆粒分布均勻，級配較差。

圖1 強膨脹土粒徑級配曲線Fig.1 Particle size distribution curve of strong expansive soil

圖2 剪切前后樣品圖Fig.2 Sample images before and after cutting

表1 強膨脹土土樣基本屬性Table 1 Basic properties of strong expansive soil samples

1.2 試驗方案

本次試驗采用ZJ型四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀(四聯(lián)剪)，剪切盒內(nèi)可制備尺寸為直徑61.8 mm，高度為20 mm的重塑土試樣。上下剪切盒在工作時水平進行剪切，儀器可同時剪切4個不同豎向應(yīng)力的試樣，自動采集剪切位移數(shù)據(jù)，同時根據(jù)鋼環(huán)變形情況，通過鋼環(huán)系數(shù)求得對應(yīng)的剪應(yīng)力。

試驗制備重塑土樣，依據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)進行樣品制備與方案設(shè)計，根據(jù)土體的粒徑分布情況，選取小于2 mm的土顆粒進行試驗，將樣品烘干、碾碎后，過篩得到試驗用土，控制試樣密度為1.7 g/cm3，制備15%、20%、25%、飽和(BH)4組含水率條件的環(huán)刀樣，每組需制備4個試樣，控制豎向應(yīng)力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。將試樣壓入剪切盒，設(shè)置剪切速率為0.02 mm/min，反推速率為0.6 mm/min，每次剪切位移控制在6 mm以內(nèi)，在反復(fù)剪切試驗過程中，一般剪切4～5次就會出現(xiàn)相鄰兩次剪應(yīng)力—位移曲線相近的情況，本試驗以第一次剪切強度為峰值強度，第5次剪切強度為殘余強度，經(jīng)過5次反復(fù)剪切后總剪切位移可達到30 mm左右，剪切前后的土樣照片見圖2。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 剪應(yīng)力—剪切位移關(guān)系

繪制剪應(yīng)力—剪切位移關(guān)系曲線如圖3所示，初始含水率相同時，試樣的峰值強度隨豎向應(yīng)力的增大而增大，以含水率20%為例，每級豎向應(yīng)力的峰值強度相比于前一級壓力的峰值強度上升幅度分別為12.3%、14.6%、29%。這點與蔣曉慶等[7]利用全自動殘余強度儀對弱膨脹土強度隨豎向應(yīng)力的變化規(guī)律所得結(jié)論是一致的，由于豎向應(yīng)力的增加可以促進土粒的相互咬合，對土體的壓密作用顯著，增加剪切面的摩擦力，從而提高了強度。含水率達到飽和后，峰值強度較不飽和土樣顯著降低，不同豎向應(yīng)力的剪切峰值也相差不大，說明飽和含水率膨脹土受豎向應(yīng)力影響不再明顯。

圖3 剪應(yīng)力—剪切位移曲線Fig.3 Shear stress-shear displacement curve

第1次剪切時15%含水率不同豎向應(yīng)力下的應(yīng)力—位移曲線均出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，豎向應(yīng)力越低時，軟化現(xiàn)象越明顯。隨著含水率的增長，豎向應(yīng)力相同時試樣的峰值強度逐漸降低，剪切強度趨于穩(wěn)定不再發(fā)生軟化，達到“穩(wěn)態(tài)強度”，對此繆林昌等[8]分析其原因為膨脹土含水率上升，土體的結(jié)構(gòu)力降低，土體在外力作用下出現(xiàn)破壞后，相應(yīng)的強度下降趨勢沒有結(jié)構(gòu)力大時明顯，因此看不到明顯的軟化。豎向應(yīng)力為200 kPa時，含水率上升時的峰值強度相比于前一含水率的峰值強度下降幅度分別為14.9%、43.5%、65.7%。曲線變化特征說明初始含水率對于強膨脹土的峰值強度影響顯著，含水率越大，峰值強度越低。對于峰值強度隨著含水率的上升而降低，應(yīng)變軟化向弱硬化現(xiàn)象的發(fā)展，可以解釋為含水率較低時土體結(jié)構(gòu)較為完整，剪應(yīng)力小于剪切強度時土體結(jié)構(gòu)承擔了一部分剪應(yīng)力，當剪應(yīng)力超過其抗剪強度，土體結(jié)構(gòu)遭到破壞導(dǎo)致峰值后出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象。但隨著含水率增加，結(jié)構(gòu)性遭到破壞致使峰值后段不再出現(xiàn)應(yīng)變軟化。

第5次剪切時，殘余強度較峰值強度均有明顯的降低。以含水率15%為例，100～400 kPa豎向應(yīng)力的殘余強度較峰值強度下降幅度分別為41%、27.1%、7.6%、12.4%。以豎向應(yīng)力300 kPa為例，15%含水率到飽和含水率的殘余強度較峰值強度下降幅度分別為7.6%、9.1%、14%、44.2%。殘余強度與豎向應(yīng)力和含水率的對應(yīng)關(guān)系與峰值強度曲線特征類似，對此不再贅述分析。不同的是，對比峰值強度曲線，圖3(a)、3(b)應(yīng)力—位移曲線顯示反復(fù)剪切過程中應(yīng)變軟化現(xiàn)象消失，出現(xiàn)了明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，張曉麗、戴福初等在膨脹土剪切強度試驗研究中也得出了相似特征的曲線，Bishop[9]曾在環(huán)剪試驗中提出剪應(yīng)力隨剪切位移持續(xù)增大是由于擠壓和機械摩擦造成，作者分析認為Bishop的觀點同樣可以解釋本試驗中曲線的變化特征，而圖4(c)、4(d)未現(xiàn)應(yīng)變硬化可以理解為含水率的提高促進滑動、減少摩擦，下文中峰殘內(nèi)摩擦角隨含水率的變化特征可以驗證分析。

圖4 不同含水率的強度包線Fig.4 Strength envelopes with different moisture contents

2.2 含水量對膨脹土抗剪強度的影響

繪制不同含水率的峰值強度及殘余強度包線如圖4所示，根據(jù)摩爾庫倫準則，得到不同含水率的峰殘抗剪強度指標c、φ值如表2和圖5所示。試驗結(jié)果表明，含水率對峰殘強度指標均有較大影響，指標與含水率的關(guān)系整體上呈負相關(guān)。對于非飽和膨脹土，峰值黏聚力水敏性較內(nèi)摩擦角更強，含水率至25%時，黏聚力僅為37.1 kPa，下降幅度達76.9%，峰值內(nèi)摩擦角下降幅度為22.5%。在塑限含水率(22.2%)之前，峰值黏聚力隨含水率增大下降緩慢，大于塑限含水率時，隨含水率的增大快速下降；在試樣飽和前，內(nèi)摩擦角隨含水率下降緩慢，試樣含水率飽和時，內(nèi)摩擦角明顯降低。

圖5 抗剪強度指標分布Fig.5 Distribution of shear strength indicators

表2 抗剪強度參數(shù)Table 2 Shear strength parameters

總體上，在含水率較低時(15%)的峰值與殘余黏聚力差值較大，為105.2 kPa，下降幅度達到65.4%，隨含水率的增大，其差值越來越小，至含水率飽和時，差值為-0.5 kPa；含水率15%、20%時的殘余內(nèi)摩擦角大于峰值內(nèi)摩擦角，可以驗證圖4(a)、4(b)應(yīng)力—位移曲線逐漸顯示出的應(yīng)變硬化現(xiàn)象。峰殘內(nèi)摩擦角在含水率達到飽和時快速減小，此時的膨脹土強度主要由內(nèi)聚力提供。

2.3 豎向應(yīng)力對剪切面摩擦系數(shù)的影響

摩擦系數(shù)f是指兩表面間的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值，它可以表征物體表面的粗糙度，在直剪試驗中用剪應(yīng)力與豎向壓力之比表示。邯鄲膨脹土直剪試驗結(jié)果表明(圖6、圖7)，無論是峰值強度還是殘余強度，摩擦系數(shù)f均隨豎向壓力的增大而逐漸減小，當豎向應(yīng)力增大到300 kPa，峰殘強度的摩擦系數(shù)基本穩(wěn)定，不再發(fā)生變化。豎向壓力越小剪切面越粗糙，隨豎向壓力增大，顆粒趨向于使剪切面更光滑的狀態(tài)定向排列。整體上，摩擦系數(shù)隨含水率的增大呈減小趨勢，且豎向應(yīng)力對摩擦系數(shù)的影響隨含水率的增大而逐漸減小，當含水率達到飽和時，豎向壓力對摩擦系數(shù)的影響已經(jīng)很小，此時各豎向壓力下的摩擦系數(shù)f均小于0.5。

圖6 摩擦系數(shù)隨垂向壓力變化曲線Fig.6 Curve of friction coefficient with vertical pressure variation

圖7 摩擦系數(shù)隨含水率變化曲線Fig.7 Curve of friction coefficient changing with water content

3 結(jié)論

通過反復(fù)直剪試驗對南水北調(diào)中線工程邯鄲渠坡膨脹土抗剪強度及其影響因素進行了研究，得到以下結(jié)論和認識：

(1)豎向應(yīng)力和初始含水率對于強膨脹土的峰值強度和殘余強度都有影響，豎向應(yīng)力與強度值呈正相關(guān)，初始含水率與強度值呈負相關(guān)。豎向應(yīng)力增加可以促進土顆粒的咬合作用進而使強度增強，初始含水率增長可以破壞土中的膠結(jié)物質(zhì)，促進相對滑動進而使強度減弱。對此，膨脹土工程中可以使用較大的豎向應(yīng)力來提高土體穩(wěn)定性，且應(yīng)當充分考慮含水率的升高對膨脹土強度的顯著影響。

(2)強膨脹土的峰值抗剪強度指標和殘余抗剪強度指標均隨含水率整體呈降低的趨勢，含水率變化主要通過影響?zhàn)ぞ哿碛绊懛秋柡团蛎浲恋目辜魪姸?，膨脹土飽和時黏聚力和內(nèi)摩擦角對膨脹土的抗剪強度影響都很顯著。對于研究區(qū)強膨脹土而言，可能存在一個使強度指標加速變化的含水率臨界值(20%到25%之間)，當含水率超過臨界值后，強度指標變化非常明顯，對于研究區(qū)膨脹土隨臨界含水率發(fā)生強度驟降的情況應(yīng)當提起足夠的重視。

以上研究結(jié)果是對于特定地區(qū)的重塑強膨脹土進行試驗所得，試驗中使用的ZJ型四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀，儀器操作簡單便捷，但儀器的數(shù)據(jù)采集功能存在一定的缺陷，試驗結(jié)束后不能獲取中間過程(第2、3、4次)的剪切原始數(shù)據(jù)，在進行數(shù)據(jù)分析時不能更完善的說明五次剪切過程的變化規(guī)律。且因人為制得重塑樣品的差異性，使得實驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)了個別奇異點，但整體的規(guī)律較為明顯，對于膨脹土強度特性研究以及工程中強度參數(shù)選取具有一定的參考價值。