膨脹土動力變形性能的影響因素試驗研究

李培榮??

摘要：為了研究膨脹土的動力變形性能，通過試驗研究了初始主應力方向角、圍壓、含水率和干密度等因素對膨脹土應力應變曲線和動態剪切模量的影響。對試驗數據進行擬合分析得出：可以用鄧肯張模型對不同條件下膨脹土動態剪切應力隨應變的變化進行描述，試驗數據和結論可為進一步研究膨脹土的力學性能提供理論參考。

關鍵詞：膨脹土；動力變形性能；動態剪切模量；動態剪切應力

中圖分類號：U416.11文獻標志碼：B

Abstract： In order to study the dynamic deformation properties of expansive soil， the effect of initial principal stress direction angle， confining pressure， water content and dry density on stressstrain curves and dynamic shear modulus of expansive soil was reviewed. Fitting analysis of the experimental data shows that the dynamic changes in shear stress with strain under different conditions can be depicted by the DuncanChang model of expansive soil. The experimental data and conclusion provide theoretical basis for further study of the mechanical properties of expansive soil.

Key words： expansive soil； dynamic deformation property； dynamic shear modulus； dynamic shear stress

0引言

常溫下膨脹土表現為吸水時容易發生膨脹，失水時容易發生收縮，正因為膨脹土具有體積不穩定性，因此它是典型的災害性土之一[13]。中國膨脹土地區分布廣泛，由于膨脹土性質的不穩定性而造成的公路、鐵路路基滑坡等工程

災害數不勝數[45]。同時由于地震等自然災害頻發，對應的土體在受力時也承受著動態荷載的作用，而非一直承受靜態荷載。目前，國內外學者對于靜態荷載作用下膨脹土的力學性質進行了大量的研究。趙乃峰[6]等以南寧地區的膨脹土為例，研究了含水率和固結壓力對膨脹土長期壓縮特性的影響。李志清[7]等利用普通固結儀，研究了浸水、浸鹽和浸酸后膨脹土的膨脹變形。詹良通[8]等利用靜態三軸試驗，研究了吸力對非飽和膨脹土的變形和強度的影響。楊慶[9]等通過膨脹力試驗和抗剪強度試驗，研究了剪位移和含水量對膨脹土抗剪強度的影響。李兆宇[10]等通過三軸試驗，研究了不同圍壓和溫度下凍結膨脹土的應力應變關系。但是對于動態荷載作用下膨脹土的動力變形特性，至今研究較少[1114]。基于此，本文通過試驗，研究了初始主應力方向角、含水率、圍壓和干密度等因素對膨脹土動力變形性能的影響，為進一步研究膨脹土的力學性能提供了理論參考。

1試驗方法

1.1膨脹土來源

本文試驗所用膨脹土選自廣西六欽高速公路路塹邊坡，土體呈灰白色，通過土工試驗測得其物理力學性質和粒度成分分別見表1、2。

1.2試樣制備

根據《土工試驗規程》（SI.237—1999）的相關要求，先將土樣進行風干處理，然后對其進行碾壓并過1 mm的篩，最后取代表性土樣測定其風干之后的含水率。制備時采用手動擊實和干土成樣，控制試樣直徑為61.8 mm，高度為150 mm。

1.3試驗儀器

試驗所用儀器為經改造的三軸試驗機，主要由主機、壓力系統、動力控制系統和測量系統4部分組成。通過在試樣頂部施加不同的軸向力和扭矩，實現不同的初始應力狀態。

2動荷載作用下膨脹土的應力應變關系

2.1初始主應力方向角對應力應變的影響

保持膨脹土的含水率為22%，干密度ρ為1.55 g·cm-3，測定在不同圍壓p（50 kPa、100 kPa、150 kPa）時膨脹土的應力應變隨初始主應力方向角的變化，研究初始主應力方向角對應力應變曲線的影響，結果如圖1所示。

從圖1可以看出，不同初始主應力方向角和圍壓下，膨脹土的應力應變曲線呈3個階段的變化趨勢：準彈性變化階段、塑性屈服階段和塑性破壞階段。當圍壓相同時，隨著初始主應力方向角的增大，膨脹土的動態剪切應力逐漸減小，塑性破壞時的破壞應力也逐漸減小，表明初始主應力方向角越大，膨脹土抵抗變形的能力越低。這是因為，當初始主應力方向角為0° 時，試樣承受軸向壓力，土體被逐漸壓密，土體顆粒間緊密接觸，因此動態剪切應力較大；而隨著初始主應力方向角的增大，試樣的受力狀態逐漸由壓縮變為拉伸，土體顆粒之間的連接作用被破壞；當初始主應力方向角為90° 時，試樣所受的壓應力最小，而拉應力最大，此時動態剪切應力最小。

當初始主應力方向角一定時，隨著圍壓的增大，產生相同應變，膨脹土的動態剪切應力也逐漸增大。分析其原因為：隨著圍壓的增大，土體試樣逐漸被壓密，土體顆粒之間的間距減小，膨脹土的密實度增大，粘聚力和內摩擦角逐漸增大，因此動態剪應力逐漸增大；另外，圍壓會使土體的內部結構發生改變，改變了土體顆粒之間的排列順序，抑制荷載下土體發生的軟化變形，且圍壓越大，抑制作用越明顯。

2.2含水率和干密度對應力應變的影響

測定不同含水率（19%、22%和25%）、干密度（1.46 g·cm-3、1.55 g·cm-3、1.63 g·cm-3）和圍壓（50 kPa、100 kPa、150 kPa）組合下膨脹土的應力應變變化曲線，研究含水率和干密度對膨脹土應力應變的影響，試驗結果見圖2。

從圖2可以看出，當外界條件相同時，隨著含水率的增大，膨脹土產生相同應變時對應的動態剪切應力逐漸降低，且隨著含水率的增大，降低的趨勢逐漸減小。例如從圖2中的（c）可以看出，當ρ=1.46 g·cm-3，p=150 kPa，動態剪應變為4%，含水率由19%增大至22%、25%時，動態剪應變由86.1 kPa減小至465 kPa、405 kPa，降低幅度分別為465%和12.9%。這是因為，膨脹土吸水后，土體顆粒在其周圍形成一層結合水膜，且含水量越大，結合水膜厚度越大，對土體顆粒之間的潤滑作用越顯著，土體顆粒之間的摩擦力越小，因此動態剪切應力越小。

從圖2中的（b）、（e）和（h）可以看出，當其他外界條件一定時，隨著土樣干密度的增大，產生相同剪切應變時，需要的動態剪切應力越大，例如當圍壓為100 kPa，含水率為22%，干密度由1.46 k·cm-3增大至155、163 kg·cm-3，產生4%的剪切應變時，對應的動態剪切應力分別為43.5、521、55.6 kPa。這是因為，隨著干密度的增大，土體顆粒之間的接觸點逐漸增多，膨脹土密實度逐漸提高，土體抵抗剪切變形的能力也逐漸提高，因此動態剪切應力逐漸增大。

3動荷載作用下膨脹土的剪切模量

3.1初始主應力方向角對動態剪切模量的影響

保持膨脹土的含水率為22%，干密度為1.55 g·cm-3，測定不同圍壓時膨脹土的動態剪切模量隨初始主應力方向角的變化，研究初始主應力方向角對動態剪切模量的影響，結果如圖3所示。

從圖3可以看出，當圍壓一定時，隨著初始主應力方向角的增大，產生相同剪切應變時需要的動態剪切模量逐漸減小。這是因為膨脹土具有各向異性，試樣壓實僅是沿著豎直方向分層壓實的，當初始主應力方向角為0° 時，最大主應力為豎直方向，此時膨脹土豎向強度最大、水平強度最小；隨著初始主應力方向角的增大，豎向強度減小而水平強度增大。因此試樣破壞時動態剪切應力逐漸減小，動態剪切模量隨之減小。

3.2含水率和干密度對動態剪切模量的影響

測定不同含水率、干密度和圍壓組合下膨脹土的動態剪切模量，研究含水率和干密度對膨脹土動態剪切模量的影響，試驗結果見圖4。

從圖4可以看出，其他條件保持不變時，隨著含水率的增大，膨脹土產生相同剪切應變時對應的動態剪切模量逐漸降低，且當含水率大于22%時，隨著含水率的增大，動態剪切模量的變化趨勢放緩。分析其原因為：膨脹土中含有無數的親水性粘土顆粒，隨著含水率的增大，土體顆粒表面吸附的水膜厚度增大，土體顆粒之間的距離減小，土體顆粒之間的粘結強度隨之降低。另外，水膜的出現降低了土體顆粒之間的相互摩擦力，因此含水率越大，動態剪切模量越小。當含水率超過22%后，含水率超過了膨脹土的塑限，相同條件下土體顆粒的吸水能力減弱，水膜厚度的增長幅度減小，因此動態剪切模量隨含水率增大而減小的趨勢放緩。

從圖4中的（c）、（f）和（i）可以看出，當其他試驗條件相同時，隨著干密度的增大，土體產生相同剪切應變時所需的動態剪切模量逐漸增大，尤其是當干密度超過1.55 g·cm-3時，增大試樣干密度能顯著提高膨脹土的動態剪切模量。這是因為，隨著干密度的增大，土體顆粒之間接觸的緊密程度逐漸增強，土體顆粒之間的咬合力和粘聚力逐漸增大，因此膨脹土剪切破壞時需要更多的能量來克服咬合力和粘聚力所做的功，動態剪切模量隨之增大。

4不同試驗條件下膨脹土的應力應變關系探討[KH*2]

選取圍壓為50 kPa，初始主應力方向角分別為0° 、45° 和90° 時的應力τ和應變ε，對ε和ε/τ的關系進行分析，結果如圖5所示。結果表明，兩者之間具有很好的線性相關性，可利用鄧肯張模型式（1）對其進行分析，并求解膨脹土的初始動態剪切模量G0和最大動態剪應力τmax，并將擬合結果列于表3、4。

從表3可以看出，隨著初始主應力方向角的增大，膨脹土的初始動態剪切模量和最大動態剪切應力值都逐漸減小，表明初始主應力方向角為0° 時膨脹土產生的塑性效應更加明顯。當初始主應力方向角一定時，隨著圍壓的增大，膨脹土的初始動態剪切模量和最大動態剪切應力值都逐漸增大，膨脹土的塑性效應逐漸增強。

從表4可以看出，隨著含水率的增大，膨脹土的初始動態剪切模量和最大動態剪切應力逐漸減小，且隨著圍壓和干密度的增大，兩者隨含水率的變化幅度增強，表明含水率對初始動態剪切模量和最大動態剪切應力的影響程度會隨著干密度和圍壓的不同而不同。在相同條件下，干密度和圍壓越大，初始動態剪切模量和最大動態剪切應力越大，且含水率越大，兩者隨干密度和圍壓的變化幅度越小，進一步表明含水率、圍壓和干密度對膨脹土初始動態剪切模量和最大動態剪切應力的影響相互關聯。

5結語

（1） 不同條件下，膨脹土的應力隨應變的增大呈準彈性變化階段、塑性屈服階段和塑性破壞階段3個變化階段；隨著初始主應力方向角的增大，膨脹土的動態剪切應力和動態剪切模量逐漸減小；相同條件下，圍壓越大，產生相同應變時動態剪切應力和動態剪切模量值越大。

（2） 相同條件下，隨著含水率的增大，膨脹土的動態剪切應力逐漸降低，且降低趨勢隨含水率的增大逐漸減小；當外界條件一定時，隨著土樣干密度的增大，產生相同剪切應變時，需要的動態剪切應力值越大。

（3） 保持其他條件一定時，隨著含水率的增大，膨脹土的動態剪切模量逐漸降低，當含水率大于22%時，動態剪切模量隨含水率變化的趨勢放緩；隨著干密度的增大，膨脹土的動態剪切模量逐漸增大，尤其是當干密度超過1.55 g·cm-3時，增大試樣干密度能顯著提高膨脹土的動態剪切模量。

（4）膨脹土的ε和ε/τ之間能很好地利用鄧肯張模型進行線性擬合；初始主應力方向角越大，G0和τmax越小；隨著含水率的增大，G0和τmax逐漸減小；干密度和圍壓越大，G0和τmax越大；含水率、圍壓和干密度對G0和τmax的影響程度相互關聯。

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[責任編輯：杜衛華]