非飽和膨脹土強度及土水特性室內試驗研究

郭 震 山

(山西省交通科學研究院黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室，山西 太原 030006)

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非飽和膨脹土強度及土水特性室內試驗研究

郭 震 山

(山西省交通科學研究院黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室，山西 太原 030006)

依托某淺埋膨脹土隧道工程，制備不同含水率的土樣進行直剪試驗，建立了膨脹土強度參數隨含水率變化的經驗公式，采用濾紙法測得膨脹土在吸濕過程中基質吸力隨含水率的變化規律，并依據試驗數據對土—水特征曲線按V-G模型進行擬合并確定擬合參數,結果表明：現場膨脹土屬于低壓縮性土，具有中等膨脹潛勢，土體摩擦角隨含水率的增加呈線性減小，黏聚力隨含水率的增加呈二次拋物線形減小，土—水特征曲線與V-G模型擬合程度較好。

膨脹土,室內試驗,強度參數,基質吸力

膨脹土在我國分布廣泛且種類較多[1,2]，同時膨脹土具有顯著的地域差異性，不同地區膨脹土的工程特性不盡相同。工程中遇到的膨脹土多為非飽和土，其對環境中濕度的變化非常敏感，遇水膨脹、失水收縮，同時其強度參數和基質吸力也隨土體中含水率的變化而發生顯著的改變。在外界雨水補給條件下，膨脹土含水率升高，土體發生軟化膨脹，非飽和區基質吸力降低，導致膨脹土抗剪強度降低，從而誘發膨脹土路基不均勻沉降[3]、膨脹土邊坡失穩破壞[4]、膨脹土隧道坍塌[5-7]等嚴重工程事故的發生。

1 研究進展

目前，國內學者已經對膨脹土進行了大量的室內和現場試驗，以研究膨脹土的工程特性。項偉等[8]通過室內試驗研究了南水北調潞王墳段膨脹土的膨脹變形特性。劉鵬[9]和楊慶等[10]對膨脹土抗剪強度隨含水率的變化關系進行了試驗研究，并得到了抗剪強度參數隨含水率的變化關系。周葆春等[11]和黃志全等[12]采用濾紙法對非飽和膨脹土的土—水特征曲線進行了測定。曾召田等[13]對南寧膨脹土進行室內試驗揭示了膨脹土在干濕循環環境中的變形規律。胡波等[14]對南水北調南陽段膨脹土進行非飽和直剪試驗，試驗結果表明，水泥摻量可以極大降低膨脹土的自由膨脹率，素膨脹土的破壞表現出應變硬化特性，而水泥改性膨脹土表現出應變軟化特性。

綜上可知，雖然目前在膨脹土工程特性方面進行了相關試驗研究，但尚不系統；同時由于膨脹土顯著的地域特性，現有的膨脹土研究成果和參數不能盲目地應用于其他地區的膨脹土工程中。基于此，針對某淺埋膨脹土隧道工程，現場取土進行系統的室內試驗，對其基本物理力學指標、膨脹潛勢以及強度參數和基質吸力隨含水率的變化關系進行測定，以深入了解現場膨脹土的基本性質和工程特性。

2 工程背景

依托膨脹土隧道工程位于江蘇省南京市，是揚—滁公路南京段的重要控制性節點。隧道圍巖為Ⅴ級圍巖，巖土體節理、裂隙較為發育，透水性較好。根據現場地質勘探及試驗結果，圍巖成分主要為黏土，灰黃～褐黃色，可塑，局部硬塑，并可見少量風化巖屑，具有中等干強度和中等韌性；由于黏土中富含蒙脫石、伊利石等礦物成分，使得其表現出一定的膨脹性，自由膨脹率為47%～103%，具有中～強膨脹潛勢。

隧道支護采用復合式襯砌結構，初期支護采用鋼拱架+噴錨聯合支護。其中，隧道在進洞開挖時，遭遇較強的降雨天氣，雨水入滲導致膨脹土圍巖發生軟化膨脹效應，巖土體抗剪強度降低，圍巖自支撐能力降低，支護結構承受的壓力顯著增大(包括松動圍巖壓力和膨脹應力)，進而導致支護結構出現開裂、大變形，隧道進洞口發生坍塌，如圖1所示。雖所幸未造成人員傷亡，但計劃施工工期嚴重延誤，工程災害事故發生后的后續處理和修復問題也十分棘手，工程投入大幅增加。

導致此次事故發生的主要原因是對現場膨脹土的基本物理力學特性及工程特性缺乏深入了解，盲目套用其他膨脹土地區隧道建設的施工參數和經驗。因此，為避免此類工程災害事故的再次發生，需對現場膨脹土進行系統的試驗研究，獲取現場膨脹土的物理力學指標及工程特性。

3 膨脹土室內試驗研究

文中所涉及的試驗均嚴格按照《公路土工試驗規程》[15]中的相關規定進行。

3.1 基本物理力學指標

通過室內試驗測得重塑膨脹土樣的含水率、密度、壓縮性以及強度參數等基本物理力學指標，相關試驗所采用的試驗方法及試驗結果列于表1。可知試驗膨脹土樣的天然含水率為14.71%，天然密度為1.88 g/cm3。由于試驗膨脹土樣的含水率較低，土體具有較高的抗剪強度，采用直剪試驗測得的土體抗剪強度參數較大，其中內摩擦角為29.11°，黏聚力為99.27 kPa。采用固結試驗測得土體的壓縮系數為0.07 MPa-1，壓縮模量為27.70 MPa，根據《巖土工程勘察規范》[16]中對土的壓縮性等級劃分，如表2所示，可知試驗土樣屬于低壓縮性土。

表1 膨脹土基本物理力學指標

表2 土壓縮性評價

3.2 膨脹土膨脹性試驗

膨脹性是膨脹土最重要的工程特性指標，在一定程度上反映膨脹土對工程的危害程度。因此，為了解現場膨脹土的膨脹特性，分別進行膨脹土的自由膨脹率試驗和50 kPa垂直壓力下的膨脹率試驗。

1)自由膨脹率試驗。

自由膨脹率試驗是反映膨脹土膨脹特性的重要指標，一般通過室內自由膨脹率試驗測定，相關試驗儀器如圖2所示。自由膨脹率的計算公式為：

(1)

其中,δef為自由膨脹率，%；V為土樣膨脹穩定后體積，mL；V0為干土自由堆積體積，mL。

自由膨脹率試驗記錄及結果數據列于表3，可知膨脹土的自由膨脹率為73%，基于《膨脹土地區建筑技術規范》[17]中關于膨脹土膨脹潛勢的分類，如表4所示，可知試驗土樣具有中膨脹潛勢。

表3 自由膨脹率試驗結果

表4 膨脹土膨脹潛勢分類

2)有荷膨脹率試驗。

本文測試膨脹土樣在50 kPa垂直壓力下膨脹土的膨脹率，一定壓力條件下膨脹土的膨脹率是關于初始含水率的函數，初始含水率越大，測得的膨脹率越小。為了獲得膨脹土膨脹率與初始含水率的函數關系，分別制備初始含水率為14.71%,19.74%,25.27%和30.65%。對上述四種含水率測定其在50 kPa垂直荷載作用下的膨脹率，試驗記錄數據及結果列于表5。

表5 有荷膨脹率試驗結果

膨脹土的線膨脹系數α為膨脹率與含水率變化量的比值，即膨脹率—初始含水率圖像中擬合直線的斜率，表征膨脹土增加單位含水率時所產生的膨脹率，其表達式為：

(2)

從圖3膨脹率隨初始含水率變化曲線中可以看出，試驗膨脹土的線膨脹系數為0.563 5。

3.3 強度參數水敏性試驗

由于膨脹土中富含親水性礦物成分，導致膨脹土強度具有較強的水敏性，當含水率較低時，膨脹土具有較高的強度。隨含水率的升高，膨脹土強度顯著降低，表現出一定的流塑性。膨脹土地區工程施工中，在遭遇強降雨時，雨水入滲導致膨脹土軟化，抗剪強度降低，進而引起工程災害事故的發生(如邊坡失穩，隧道坍塌等)。因此，探求不同含水率下膨脹土的強度參數變化情況具有重要的工程實際意義。

本文分別制備含水率為14.71%,19.74%,25.27%和30.65%的土樣，每個含水率下制備5組～6組試樣(含備用試樣)進行室內直剪試驗，試驗數據以及結果列于表6。

表6 不同含水率下直剪試驗結果

對試驗數據進行曲線擬合，如圖4所示，根據數據擬合的結果，內摩擦角和含水率之間的擬合關系式為：

φ=-0.87ω+42.29

(3)

黏聚力與含水率之間的擬合關系式為：

c=0.33ω2-19.61ω+316.96

(4)

可以看出內摩擦角隨含水率的增加呈線性減小，而黏聚力隨含水率的增加呈二次拋物線形減小。即當含水率較低時，黏聚力對含水率的變化較為敏感；隨含水率的增加，黏聚力減小趨勢逐漸趨于平緩。

3.4 土—水特征曲線

土—水特征曲線反映非飽和土中基質吸力與含水率之間的函數關系，是非飽和土力學研究的重點之一。典型的非飽和土的土水特征曲線如圖5所示，在邊界效應區土體處于飽和狀態，當基質吸力增加到一定值后(A點)，空氣開始進入到土體孔隙中，隨基質吸力增加含水率迅速減小，最終趨于殘余含水率。在測定非飽和土中基質吸力時通常采用濾紙法，如圖6所示。根據濾紙與土體的接觸程度，濾紙法分為直接接觸和非接觸兩種方法，其中直接接觸法測得的是非飽和土的基質吸力，非接觸法測得的是非飽和土體中的總吸力。王釗等[18]和白福青等[19]分別對“雙圈”牌No.203型濾紙的基質吸力和總吸力進行率定，其中，基質吸力hm的率定擬合公式為：

(5)

總吸力ht的率定擬合公式為：

(6)

其中，wfp為濾紙含水率。

本試驗所采用的濾紙型號為“雙圈”牌No.203定量濾紙，測量儀器精度為0.1 mg的高精度電子天平，另有恒溫水槽、烘箱、鑷子、密封盒、橡皮手套、絕緣膠帶、稱量鋁盒和保鮮袋等試驗用品。將制好的土樣和濾紙按如圖6所示安裝并密封后置于恒溫水槽中靜置7 d，待濾紙與土樣中水分交換穩定后，快速取出濾紙并測量其含水率，并根據式(5)和式(6)計算基質吸力和總吸力值，相應試驗結果見表7。

表7 濾紙法吸力測試結果

國內外現有土水特征曲線擬合的數學模型基本上是根據經驗、土體結構特征和曲線的形狀建立起來的。其中，Van Genuchten提出的S形曲線模型(下文稱為“V-G模型”)[20]具有明顯優勢，如：參數物理意義明確、擬合曲線形狀與實際土—水特征曲線十分相似。本文將采用V-G模型對試驗數據進行擬合，V-G模型表達式如下：

(7)

其中，θ為含水率，%；θs為飽和含水率，%；θr為殘余含水率，%；ψ為基質吸力，kPa。

試驗土樣飽和含水率θs=31.07%，殘余含水率θr=9.02%，采用MATLAB曲線擬合工具對表7中數據按照式(7)進行非線性最小二乘擬合，如圖7所示，所得擬合參數a=0.011 6，m=0.284 1，n=2.261 0。從圖7可以看出，空氣進氣值點處的基質吸力約為30 kPa。

4 結語

針對某實際膨脹土隧道工程，現場取樣開展室內試驗，獲取現場膨脹土的基本物理力學指標、膨脹性、強度參數水敏性以及土—水特征曲線，對現場膨脹土的工程特性有了深入的認識。室內試驗結果表明：

1)試驗膨脹土屬于低壓縮性土；自由膨脹率為73%，具有中膨脹潛勢；50 kPa垂直壓力下的線膨脹系數為0.563 5。

2)膨脹土具有很強的水敏特性，當含水率較低時，膨脹土具有較高的抗剪強度，隨著含水率的增加，其抗剪強度迅速降低，其中內摩擦角與含水率呈良好的負線性相關，而粘聚力與含水率呈二次拋物線形相關。

3)試驗膨脹土的土—水特征曲線與V-G模型擬合程度較好，呈S形曲線，擬合參數a=0.011 6，m=0.284 1，n=2.261 0，空氣進氣值點的基質吸力約為30 kPa。

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Laboratory experimental study on the strength and soil-water characteristics of unsaturated expansive soil

Guo Zhenshan

(KeyLaboratoryofHighwayConstructionandMaintenanceTechnologyinLoessRegion,ShanxiTransportationResearchInstitute,Taiyuan030006,China)

On the basis of a shallow-buried expansive soil tunnel, the direct shear test was conducted on the soil samples with different moisture content, and the empirical equations for the variation of strength parameters of expansive soil versus various moisture contents were evaluated. The variation of matric suction versus moisture contents during the moisture absorbing process was measured by filter paper method. Based on the test result, the Soil-Water Characteristic Curve (SWCC) was fitted and the parameters were determined by the V-G model. Test results show that the field expansive soil exhibits low compressive and medium expansibility. The friction angle decreased linearly, while the cohesion decreased quadratically with the increase of moisture content. The SWCC was in goodness of fit using the V-G model.

expansive soil, laboratory experiment, strength parameters, matric suction

1009-6825(2017)11-0100-04

2017-02-08

郭震山(1990- )，男，助理工程師

TU411

A