制樣方法對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響研究

畢大君，孫輝

（1.安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測(cè)站，安徽 合肥 230001；2.大連市勘察測(cè)繪研究院有限公司，遼寧 大連 116000）

0 前 言

膨脹土是以蒙脫石或蒙脫石一伊利石為主要礦物成分的高塑性黏土，黏粒含量高，自由膨脹率大于等于40%；主要由蒙脫石、伊利石類強(qiáng)親水礦物組成；同時(shí)具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特征的粘性土[1-2],土體含水量增加，其體積發(fā)生膨脹并產(chǎn)生膨脹力，土體失水時(shí)，其體積收縮并形成收縮裂縫；土體脹縮變形可隨環(huán)境濕熱變化往復(fù)發(fā)生，導(dǎo)致其強(qiáng)度衰減；屬于液限高于40%的高液限黏土。由于其顯著的脹縮性，常常給膨脹土地區(qū)的工程建設(shè)造成嚴(yán)重的破壞，給人民的財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。因此,全面認(rèn)識(shí)膨脹土與含水量的關(guān)系對(duì)于保證路基的填筑質(zhì)量具有重要意義。為此，國(guó)內(nèi)外許多科研工作者基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則對(duì)膨脹土的強(qiáng)度特性進(jìn)行研究，取得了許多重要成果[3-4]。本文也正是在前人的基礎(chǔ)上，通過(guò)選取合肥地區(qū)典型膨脹土進(jìn)行抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，定量研究不同的土樣制備方法在以含水量為過(guò)度量，對(duì)膨脹土的抗剪強(qiáng)度的影響。確定膨脹土抗剪強(qiáng)度較好的實(shí)驗(yàn)時(shí)土樣制備方法。

本次試驗(yàn)我們對(duì)土的基本性質(zhì)做了試驗(yàn)，了解到土的基本物理性質(zhì)，如表1是合肥市某地區(qū)膨脹土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)。

合肥市某地區(qū)膨脹土的基本物理性質(zhì)指標(biāo) 表1

試驗(yàn)中，我們測(cè)定兩種制樣方法（風(fēng)干法和靜壓法）制得的土樣在不同含水率下抗剪強(qiáng)度的對(duì)比關(guān)系。為了在縮限和飽和含水率之間，含水率控制在ω1=16%，ω2=18%，ω3=20%，ω4=22%和ω5=24%。

風(fēng)干法就是對(duì)原狀土先飽和再自然風(fēng)干。首先將取回的原狀土(制成環(huán)刀樣)分為五組，一組5個(gè)土樣,各土樣之間的密度差保證在0.03g/cm3之內(nèi)。將其中1組土樣進(jìn)行飽和后，將其放在避光的位置自然風(fēng)干，根據(jù)計(jì)算在預(yù)定的一段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)含水率的變化，如達(dá)到我們所需的含水率就將其進(jìn)行直剪試驗(yàn)。以同樣的方法，分別對(duì)后面的四組土樣進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)，我們測(cè)定了抗剪土樣后的含水率，與預(yù)期要得到的含水率誤差在1%內(nèi)。

靜壓法：將取來(lái)的重塑土進(jìn)行烘干后使其含水率ω0=0.0%，將其碾碎過(guò)2mm篩，經(jīng)公式

式中：ω—天然含水率；ρ—天然密度。

已知每個(gè)環(huán)刀的體積V0=60.0 cm3，由公式

得到每個(gè)環(huán)刀樣干土的質(zhì)量為87.6g。再由公式

得到該含水率下一個(gè)土樣所需的水。經(jīng)過(guò)以上的公式得出制備一個(gè)土樣所需的各種參量后，根據(jù)以上的參數(shù)及所需的土樣數(shù)進(jìn)行調(diào)土，為了讓水分更均勻，用保鮮袋將其密封好，放到密封箱中進(jìn)行密封24h。24h小時(shí)后，用固結(jié)儀來(lái)靜壓土樣。以此方法來(lái)做其他各組含水率的試驗(yàn)。

1 直接剪切試驗(yàn)

由莫爾庫(kù)侖定律可知，土的抗剪強(qiáng)度主要表現(xiàn)在黏聚力和內(nèi)摩擦角上的，即

快剪試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)在試樣上施加垂直壓力后，拔去固定銷釘，立即以0.8mm的剪切速度進(jìn)行剪切，使試樣3min至5min內(nèi)剪破。試樣每產(chǎn)生剪切位移0.2mm～0.4mm時(shí)，測(cè)記測(cè)力計(jì)和位移讀數(shù)，直至測(cè)力計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)峰值，或繼續(xù)剪切至剪切位移為4mm時(shí)停機(jī)，記下破壞值，當(dāng)剪切過(guò)程中測(cè)力計(jì)讀數(shù)無(wú)峰值時(shí)，應(yīng)剪切至剪切位移為6mm時(shí)停機(jī)，該試驗(yàn)所得的強(qiáng)度稱為快剪試驗(yàn)強(qiáng)度，相應(yīng)的指標(biāo)稱為快剪強(qiáng)度指標(biāo)，以cQ,φQ 表示[5]。

2 試驗(yàn)與成果分析

2.1 風(fēng)干法抗剪實(shí)驗(yàn)

當(dāng)進(jìn)行抗剪試驗(yàn)時(shí)，土樣面積不斷減小引起的剪應(yīng)力與正應(yīng)力不均勻現(xiàn)象,對(duì)試驗(yàn)參數(shù)會(huì)有一定的影響，但對(duì)于圓樣，只要位移不超過(guò)試樣直徑的7.725%，近似計(jì)算的剪切應(yīng)力誤差不會(huì)超過(guò)10%；位移超過(guò)半徑7.725%后，在不考慮正應(yīng)力偏轉(zhuǎn)條件下，直剪試驗(yàn)剪應(yīng)力誤差遠(yuǎn)大于獲得的強(qiáng)度參數(shù)(凝聚力分量與摩擦分量)誤差,近似計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮試樣面積對(duì)剪應(yīng)力-位移變化規(guī)律的影響,但基本可忽略對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響[6]。因此，以上得到的參數(shù)可以不用處理。

從以上圖形中和表2可知，當(dāng)含水率變小時(shí)，峰值強(qiáng)度指標(biāo)都在不斷的變大，并且峰值強(qiáng)度隨著含水率的變小出現(xiàn)有峰值驟降的過(guò)程，說(shuō)明含水率對(duì)峰值強(qiáng)度影響很大，而且是線性影響的，這與基質(zhì)吸力與含量水成反比的規(guī)律一致。

2.2 靜壓法直剪試驗(yàn)

從表3中可知，靜壓法抗剪強(qiáng)度也是隨含水率的變小而增大的。在黏聚力上體現(xiàn)很明顯。

風(fēng)干法峰值強(qiáng)度指標(biāo) 表2

靜壓法抗剪峰值強(qiáng)度指標(biāo) 表3

3 結(jié) 論

綜合上述可得：不同的制備土樣方法對(duì)土的抗剪強(qiáng)度是有影響的。從表2、表3可知從含水率上考慮，當(dāng)含水率比較大時(shí)，風(fēng)干法土的抗剪強(qiáng)度比靜壓法土的抗剪強(qiáng)度要小，主要是靜壓法制備的土樣顆粒很細(xì)，而我們知道土中存在著毛細(xì)管水，土顆粒愈細(xì)，毛細(xì)管水上升愈高，即毛細(xì)現(xiàn)象愈強(qiáng)。土中的孔隙水僅存在于土粒接觸點(diǎn)周圍，彼此是不連續(xù)的。這時(shí)，由于孔隙中的氣與大氣聯(lián)通存在毛細(xì)現(xiàn)象，因此，孔隙水的壓力將小于大氣壓力。于是，將引起迫使相鄰?fù)亮Ｏ嗷D緊的壓力，這個(gè)壓力稱為毛管水壓力。毛管水壓力的存在，增加了粒間錯(cuò)動(dòng)的摩擦阻力。當(dāng)含水率比較小時(shí)，風(fēng)干法土的抗剪強(qiáng)度比靜壓法土的抗剪強(qiáng)度要大很多，特別是表現(xiàn)在土的黏聚力上，而內(nèi)摩擦角沒(méi)有太大影響。這可以這樣解釋:起始含水率較低的非飽和膨脹土抽氣飽和時(shí)膨脹性強(qiáng)，所產(chǎn)生的膨脹力大，由于環(huán)刀的限制，試樣不能自由膨脹，這相當(dāng)于給試樣施加了一個(gè)與膨脹力大小相等的約束力,而外力約束能明顯提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度[7]；對(duì)于靜壓法，主要是已經(jīng)破壞了土的結(jié)構(gòu)性。

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