不同吸力下膨脹土力學特性研究

呂正勛 朱關震

（1.河南省水利工程安全技術重點實驗室，河南 鄭州 450002；2.河南省水利科學研究院，河南 鄭州 450002）

膨脹土主要成分是黏土礦物質和高黏性土，其中高黏性土對環境的濕熱變化比較敏感。膨脹土顆粒呈高分散狀態，其礦物質構成成分主要有：高嶺石、蒙脫石以及伊利石等，在各種工程中膨脹土是一種比較麻煩的土，其主要特性是遇水膨脹，失水收縮，所以一般在膨脹土邊坡上雨季容易發生滑坡，導致各種不利現象，影響人們正常生活。因此，研究膨脹土在不同吸力狀態下的力學特征對人們生活有重要的指導意義［1-3］。

1 試驗簡介

1.1 試驗儀器

本次試驗采用GDS非飽和土三軸儀，試樣尺寸為：255mm×500mm。

1.2 試驗材料

本次試驗采取的膨脹土的自由膨脹率為：11.5%～78.5%，無荷膨脹率為0.6%～9.26%；膨脹土的含水量和干密度之間的關系如圖1所示；其塑限和液限分別為19%、39%；膨脹力為0.04～50.12kPa，天然飽和度為：64%～100%；天然直減殘余強度為20.38kPa，限縮率：1.2%～7.7%。

圖1 膨脹土擊實曲線圖

2 試驗方案

本次試驗嚴格按照《土工試驗方法標準》（GB／T50123.1999）進行試驗。

2.1 常規三軸試驗

試驗原理是首先對非飽和三軸試樣進行各向等壓固結排水，試驗固結完成以后保持圍壓應力不變的情況下采用應變控制方式施加應力進行剪切試驗，直到試驗破壞為止，剪切速度一般為0.6mm/min。首先在三軸壓力室內進行應力狀態分析實驗，安裝好試驗后，分別為吸力50kPa、100kPa、150kPa下進行剪切試驗，實驗過程中測量試樣的體積變化。先進行吸力平衡，然后進行剪切。三軸試驗采用圓柱形試樣，試驗的過程中保持圍壓應力不變的情況下，不斷降低軸向應力直至達到破壞值，然后分析其應力間的關系［4-6］。

3 試驗數據處理分析

3.1 膨脹土試驗中應力-應變曲線分析

一般情況下，在分析膨脹土力學特征的過程中首先要分析其應力-應變特性，主要是因為膨脹土的應力應變特性能夠很好地反映出其力學特性。如圖2為膨脹土應力-應變曲線圖，此圖的繪制主要是利用計算機制圖軟件和數據采集進行繪制，在各種不同圍壓力情況下膨脹土的應力應變曲線。從圖2中不難看出，膨脹土在沒有被破壞之前，其應力與應變之間的關系為正相關關系，隨著應力的不斷提高，膨脹土偏應力速度增加逐漸緩慢，一直到偏應力達到峰值為止。膨脹土在50kPa吸力狀態下應力峰值點對應力的剪切應變在7%～10%范圍內，應力在100kPa、150kPa吸力狀態下應力隨著應變力的增加而增加，達到峰值后，峰值點對應力峰值逐漸增大，達到峰值時相對應的剪應變越大。

圖2 應力應變曲線分析

3.2 內摩擦角、黏聚力分析

在進行分析膨脹土力學特性的過程中一般利用c表示其黏聚力，利用α表示內摩擦角，計算方法可以利用應力摩爾圓法和應力路徑法進行計算。其中應力摩爾圓法的計算原理主要是根據摩爾圓包線處理方式進行計算，在此過程中繪制抗剪強度曲線。而應力路徑法的計算首先要畫出應力路徑的坐標，并分析出膨脹土受荷時主應力大小，然后分析應力路徑曲線，經過以上各個部分的分析與總結，進而分析試樣土在極限狀態時不同原頂點的連線。然后在此分析的基礎上，得出以下計算公式：

根據α和c的計算公式能夠計算出在不同吸力狀態下膨脹土的內摩擦角和黏聚力，然后結合計算機計算軟件，對本次試驗的實驗結果實施進一步的分析和總結，我們發現利用應力摩爾法得到膨脹土的c=5.20kPa，α=27.74°。而采用應力路徑法得到的c、α值分別為6.59kPa、28°，經過以上分析發現這兩種方法計算出的c、α值基本吻合［7-9］。

4 結論

本次試驗我們利用三軸壓縮試驗對不同吸力下膨脹土力學特征記性分析，通過一系列的分析與總結發現膨脹土力學特征主要受兩個方面的因素的影響：內因和外因，其中內因主要是膨脹土的形狀、孔隙結構、顆粒形狀等，而外因主要指膨脹土的彈性和應力因素。通過讀一以上的分析可以得出如下結論：

4.1 膨脹土應力特性

膨脹土在低圍壓狀態下和正常圍壓狀態下的剪切特性為：低圍壓狀態下膨脹土的應力-應變曲線和普通圍壓裝下走向基本一致，就是說在試樣沒有發生破損之前，應力和應變之間是正相關的關系，而且在小應變的狀態下，應力增加速度比較快，而當應力達到峰值以后，試樣被破壞，土樣在低圍壓時應力峰值點，對應的剪應力變小。

4.2 膨脹土抗剪能力

一般采用應力摩爾圓法和應力路徑法計算c、α值，這兩個值之間有很好的吻合性。通過計算我們發現不同圍壓下膨脹土的抗剪強度也不同，低圍壓狀態下膨脹土的內摩擦角比較大，影響的其抗剪能力也越強。所以在實際工程建設中應該重視不同應力水平下膨脹土的設計參數的選取。

通過以上我們對膨脹土在低圍壓狀態下特性進行的分析與總結，發現應力路徑、模型特性、土樣結構、性狀等均對其力學特性有一定的關系，其中應力對膨脹土抗剪強度有很大的關系，土樣顆粒性狀和膨脹土剪脹性、彈性等均有低圍壓狀態下膨脹土力學特性有一定的關聯性，在工程分析的過程中要多考慮膨脹土的這些因素，適當的選擇特性相對較好的膨脹土進行工程建設，最大限度地提高土樣的抗剪強度、承壓能力等力學特性。

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