弱膨脹性填土殘余強度試驗研究

錢財富宋新江吳杰

（1.安徽省（水利部淮河水利委員會）水利科學研究院蚌埠2330002.安徽省建筑工程質量監督檢測站蚌埠233000）

弱膨脹性填土殘余強度試驗研究

錢財富1，2宋新江1，2吳杰1，2

（1.安徽省（水利部淮河水利委員會）水利科學研究院蚌埠2330002.安徽省建筑工程質量監督檢測站蚌埠233000）

實際工程中，受地區膨脹土分布條件和出于經濟上的考慮，常采用弱膨脹土直接用于堤壩填筑，填筑堤壩的邊坡穩定性復核計算中宜選擇膨脹土體的殘余強度指標。本研究通過排水反復直接剪切試驗方法，結合某工程用弱膨脹性土填筑土壩滑坡所取試樣進行殘余強度指標測試。

弱膨脹土 液塑限試驗 塑性指數 殘余抗剪強度

1引言

膨脹土在我國的分布范圍很廣，廣西、云南、河南、湖北、四川、陜西、河北、安徽、江蘇等地均有不同的分布范圍。膨脹土粘土礦物成分主要有兩類，一類以蒙脫石為主，另一類以伊利石土和高嶺土為主，均具有強親水性。根據土的自由膨脹率可劃分為弱、中、強膨脹潛勢，膨脹土具有吸水膨脹失水收縮特性，導致工程災害頻發，如建筑物地基隆起、路基開裂、溝渠邊坡失穩等。在排水條件下，土的殘余強度是膨脹性巖土的重要參數，它在土體工程特性評價、邊坡穩定性分析與設計及老滑坡體的穩定性評價等方面具有極其重要的意義。

許多學者多年來已對膨脹土開展了大量的試驗研究，趙文建等通過對不同初始含水率、不同干密度下百色重塑膨脹土直剪試驗，研究了百色擊實重塑膨脹土在不同垂直壓力下的峰值強度和殘余強度，分析了其抗剪強度的作用機制?？娏植葘δ详栔信蛎浶酝猎诓煌顟B下的強度特性進行了試驗研究，并提出了計算吸力強度的雙曲模型。詹良通與吳宏偉用可控制吸力的非飽和土三軸儀對湖北棗陽中膨脹性土的變形、強度特性進行了試驗研究。程展林等探討了裂隙對膨脹土強度的影響，提出對于膨脹土的強度應以土塊強度和裂隙面強度兩套指標進行描述，而土塊強度又應區分為有脹縮裂隙和無脹縮裂隙兩類，并進一步提出了不同強度的測試方法。雖然在膨脹土的強度特性方面取得很多研究成果，但主要集中在膨脹土的初始含水率、壓實度等對其抗剪強度的影響等方面，而關于膨脹土的殘余強度試驗研究應用到堤壩填筑中較少。實際工程中，受地區膨脹土分布條件和出于經濟上的考慮，常采用弱膨脹土直接用于堤壩填筑，填筑堤壩的邊坡穩定性復核計算中宜選擇膨脹土體的殘余強度指標?；诖?，本研究通過排水反復直接剪切試驗方法，結合某工程用弱膨脹性土填筑土壩滑坡所取試樣進行殘余強度指標測試。

2試驗方案

2.1 試樣及物理性指標

試驗用土樣為某水庫大壩填土滑坡后原狀樣，鉆孔取樣按I級標準取不擾動土樣，取出土樣用盒蓋蓋嚴并封口，裝入木箱，運送至實驗室，放置于陰涼處，木箱內試樣直立存放，確保試驗用土的各項主要物理、力學性質與現場土狀態一致。經室內試驗土樣部分物理性質見表1。

從表1可知，液塑限試驗結果表明土樣接近高液限粘土；自由膨脹率大于40%，且小于65%屬弱膨脹潛勢。

2.2 試樣制備及試驗方法

排水反復剪試驗采用四聯應變控制式直剪儀，共做排水反復剪試驗9組。試驗所取土樣為滑坡后壩體填土，經觀察未發現存在軟弱面和夾層現象。制備試樣時，先在環刀內涂抹一薄層凡士林，辨明土樣上下位置，整平土樣兩端，將土樣切割成稍大于環刀直徑的和高度的土柱，將環刀垂直向下壓，邊壓邊削，至土樣伸出環刀為止，削去兩端余土并修平。擦凈環刀外壁，稱量環刀和土總質量，使用抽氣法飽和試樣。每組制備4個試樣。

試驗方法采用《土工試驗規程》（SL237-1999）中的排水反復直剪試驗，剪切速率為0.02mm/min。每次剪切時，試驗不能中斷，直至最大剪切位移停止剪切。倒轉手輪，用反推設備緩慢地將下剪切盒反向推至與上剪切盒重合位置，插入固定銷，進行第二次剪切。如此，繼續反復進行剪切至剪應力達到穩定值為止。每次剪切間隔約20min。

雖然排水反復剪試驗并不能完全模擬滑動層面的抗剪強度，但其試驗方法簡單易行，對多數土均能測得較好結果。因此，國內外廣泛采用排水反復剪試驗測定土的殘余強度指標。

3試驗結果及分析

3.1 排水反復剪應力應變關系

試樣分別施加50kPa、100kPa、200kPa和300kPa的垂直應力進行固結，固結完成后進行反復直接剪切試驗。根據試驗結果繪制剪應力和應變關系曲線。僅將1#和2#試樣的剪切應力和應變關系曲線見圖1、圖2。

從圖1和圖2中分析可知：

（1）從試樣第一次剪切時其剪應力與剪切位移關系曲線分析，原狀土剪應力沒有明顯峰值，說明原狀土結構性不強；同樣，第二次和第三次剪切過程中也不再出現明顯峰值。

表1 土樣基本性質室內試驗成果統計表

圖11 #試樣不同垂直荷載下剪切應力與應變關系曲線圖

圖22 #試樣不同垂直荷載下剪切應力與應變關系曲線圖

表2 反復剪切試驗殘余強度成果匯總表

圖3 殘余抗剪強度與垂直應力關系擬合曲線圖

（2）試樣第二次剪切較第一次破壞剪應力降低明顯；第三次剪切較第二次破壞剪應力降低較少。總剪切位移20～28mm。

（3）峰值強度和殘余強度隨著垂直應力的增加而增大。

（4）第二次和第三次剪切隨著應變增加，剪應力呈略有增長趨勢，這是因為反復剪切過程中土的結構破壞殆盡，隨著剪切面減少，試樣上半塊與下剪切盒接觸應力增加，致使測得的剪應力增加。據此認為第三次剪切的剪應力已達到穩定狀態。

3.2 排水反復剪強度指標

根據不同垂直應力條件下試樣殘余剪切應力，繪制抗剪強度與垂直應力關系曲線，見圖3。由圖3可以得到殘余強度試驗指標，見表2。

由圖3和表2可知，弱膨脹性填土殘余強度粘聚力平均值為9.2kPa，最大值為11.6kPa，最小值為7.6kPa；內摩擦角平均值為16.8°，最大值為19.4°，最小值為14.1°。試樣慢剪強度粘聚力平均值為18.0，內摩擦角平均值為19.6°，弱膨脹性填土殘余強度明顯低于慢剪強度。據表2殘余強度指標結果分析，同一種土在同樣有效應力作用下，其殘余強度基本相同，即和為常數，其中是土顆粒間產生摩擦分量，與顆粒大小有關。文獻注意到滑坡體軟弱夾層面的含水率為液限狀態，因此推論弱膨脹土的殘余強度粘聚力應和其液限狀態強度指標相當，即'。

3.3 殘余強度指標討論

膨脹土填筑堤壩壓實困難，最優含水率較高，易產生兩種不利因素：（1）壩肩和坡面（臨空面）的蒸發量不一致，壩體含水率變化不均勻，使這兩部分回填土收縮量有差別，易產生收縮裂縫；（2）雨水浸入坡面裂縫不僅產生動水壓力，同時隨著土體膨脹，使土體強度降低。所以膨脹土邊坡比正常土填筑邊坡更易出現較大側向變形及滑坡現象。膨脹土填筑堤壩因干濕交替循環后產生裂隙，所產生的滑裂面一般較淺。根據摩爾—庫倫理論，將滑坡穩定后土的殘余抗剪強度用下式表示：

式中：Sr為土的殘余強度，kPa為土的殘余粘聚力，kPa；為土的殘余內摩擦角，°；P為垂直應力，kPa。

根據試驗結果，考察上式殘余抗剪強度有以下兩種情況：

4結論

經對某水庫弱膨脹土填筑土壩滑坡后取樣進行排水反復直接剪切試驗，得到弱膨脹土排水反復剪切強度指標，從中分析弱膨脹土殘余強度規律，其主要結論如下：

（1）弱膨脹性填土剪切過程中抗應力峰值不顯著，其土的結構性不明顯。

（2）該工程弱膨脹性填土殘余強度粘聚力為7.6～11.6kPa，內摩擦角為14.1°～19.4°。

（3）經對弱膨脹填土排水反復剪試驗，其殘余強度內摩擦角基本上為常數，其大小與顆粒組成有關；殘余強度粘聚力為定值，接近或略大于液限時土的不排水剪強度指標。

（4）弱膨脹性填土用于堤壩工程填筑時，設計時一般使用快剪指標或慢剪強度指標，而該土體因外界因素變化，如水位上升或降雨等方面影響，滿足其穩定性的因素往往還要考慮土體的殘余強度。弱膨脹性填土殘余強度明顯低于慢剪強度，在邊坡失穩后復核其穩定性時應以殘余強度指標進行計算

（專欄編輯：顧梅）