膨脹土干濕交替作用下殘余強度試驗方案分析

王 卉

（安徽省水利水電勘測設計院 合肥 230088）

1 前言

多年來，勘察單位一直利用“排水反復直接剪切試驗”獲得膨脹土的殘余強度值。該試驗方法通過對膨脹土原狀試樣反復慢剪3～6次后，將破壞曲線上的最終穩定值作為膨脹土的殘余強度。其特點是試驗過程較為簡單，試驗結果易于獲取。但與膨脹土在自然條件下的抗剪強度衰減過程是不符的。從而造成室內“排水反復直接剪切試驗”的殘余強度值多數偏大。為使試驗數據盡可能接近真值，有必要研究可行的試驗方案。

為實現室內干濕交替試驗，現設計三套方案：方案一，用原狀土筒取樣在室內對土樣進行干濕交替試驗；方案二，取50cm×50cm×50cm立方體土樣在室內完成試驗；方案三，現場與室內共同完成試驗。

2 方案一

用原狀土筒取樣在室內對土樣進行干濕交替試驗，試驗前先測試樣的天然含水率、濕密度，計算孔隙比、飽和度等指標；做天然土樣的固結快剪試驗，確定天然土樣抗剪強度參數C、Φ值；做顆粒分析和液塑限試驗，以確定土類（定名）和天然土樣的強度狀態。

2.1 干濕交替試驗

2.1.1 土樣第一次烘干

試驗是在室內測得模擬膨脹土樣在自然界中經數次風干和雨淋后土樣的殘余強度值；同一土樣至少做三次烘干、三次飽和，也可根據情況視膨脹土樣破壞程度定烘干和飽和的次數。

考慮到膨脹土經烘培過后有可能有土樣剝落、斷裂等情況發生，試驗土樣先不切入環刀內，而是用土筒中的原狀土樣進行烘培。為使土樣盡可能受熱均勻，因高溫可能會破壞土樣的內部結構，所以烘箱的溫度初步控制在60℃、80℃和100℃三個溫度值。由于是初次對膨脹土的試驗分析，膨脹土樣經烘箱烘培過后的一系列變化都是未知的，等試驗數據出來后，再根據情況分項作進一步的分析。

土樣分別在三個溫度下烘培8～24h。土樣烘干后放入干燥缸內自然冷涼，測試土樣在以上三個不同溫度下的試樣含水率。同時測得土樣烘干后的密度，以計算土樣的干密度、飽和度、孔隙比等指標。初次試驗結果出來后，最終確定合適溫度。

2.1.2 土樣第一次飽和

將干燥缸內自然冷卻的土樣放在特制的飽和器內，用真空抽氣飽和法給土樣飽和，用真空缸抽除缸內及土中氣體，土樣在飽和缸內靜置24h。

測第一次飽和后試樣的含水率、密度，計算孔隙比和飽和度指標值，同時做固結快剪試驗確定C、Φ值；土樣固結時間為4h，也可根據具體情況而定；每組試驗取4個試樣在4種不同垂直壓力下進行剪切試驗，最大壓力不超過200kPa，如果土質松軟可分級施加荷重，以防試樣擠出。

2.1.3 土樣第二次烘干

將第一次飽和后的膨脹土樣從飽和器中取出，再次放入烘箱內進行烘干，烘箱的溫度調整到最終確定的合適溫度。將烘干后的試樣放入干燥缸內，冷涼后測第二次烘干土樣含水率、密度，計算孔隙比和飽和度值。

2.1.4 土樣第二次飽和

將第二次烘干后的土樣裝入特制飽和器內，再次給土樣抽氣飽和。飽和后測土樣第二次飽和后的含水率、密度，計算孔隙比、飽和度，做固結快剪試驗確定C、Φ值，土樣固結時間為4h。

2.1.5 土樣第三次烘干、飽和

方法同第二次烘干、飽和。重復2.1.3和2.1.4。試樣飽和后測土樣第三次飽和后的含水率、密度并計算孔隙比和飽和度指標，做固結快剪試驗確定C、Φ值。

以上三次抗剪強度參數值是土樣經每一次飽和過后的固結快剪試驗的抗剪強度參數值，殘余強度值在最后一次固結快剪峰值后按《土工試驗規程》要求確定。土樣三次或多次干濕交替過后，把多次經飽和過后的固結快剪試驗數據進行比較分析，看強度參數C、Φ值的變化情況，對數據進行列表、比對。

2.2 殘余抗剪強度值的確定

殘余強度值的確定用兩種試驗方法取得，進行數據的比較，選取殘余值最小的試驗方法。

2.2.1 排水反復直接剪切試驗

固結排水和固結快剪試驗：把經過數次干濕交替過后的土樣切入環刀內，待固結穩定后，再快速施加剪應力使試樣剪切破壞，確定固快抗剪強度峰值。反復直接剪切試驗是在慢速條件下，對試樣反復進行剪切至剪應力達到穩定值，以求得土的殘余抗剪強度參數C、Φ值。

2.2.2 三軸壓縮試驗——固結排水剪（CD）

用三軸壓縮試驗方法測定土的抗剪強度。分別在不同恒定周圍壓力下，施加軸向壓力，進行剪切直至破壞，然后求得抗剪強度參數C、Φ值。

試驗前，土樣進行數次干濕交替，用真空抽氣飽和法給土樣飽和；給土樣做固結排水剪（CD）試驗，試樣在4種不同周圍壓力作用下排水固結，然后在允許試樣充分排水的情況下增加軸向壓力直到破壞。

分析：（1）土樣在經歷第一次烘干和飽和后，有可能會出現土樣強度破壞嚴重的情況，所以根據實際情況來確定試驗土樣是做三次烘干飽和還是兩次，也可能做了三次之后試樣的強度衰減較慢，而可能要做四次、五次甚至多次烘干飽和過程，視情況而定。（2）如何給土樣飽和是個問題，土樣烘干過后土樣尺寸（體積）會發生變化，給土樣飽和需要在土樣有側限的條件下飽和。

3 方案二

取50cm×50 cm×50cm立方體土樣在室內完成試驗。

3.1 干濕交替試驗

3.1.1 土樣第一次烘干

將50cm×50cm×50cm土樣放在特制鐵皮盒內，在第一次烘干前先測土樣的天然含水率、密度，計算孔隙比、飽和度，然后將土樣放入三個不同溫度下烘培至干。方法步驟同2.1.1。

3.1.2 土樣第一次飽和

測第一次飽和后試樣的含水率、密度，計算孔隙比和飽和度指標值，同時做固結快剪試驗確定C、Φ值。

3.1.3 土樣第二次烘干

方法同3.1.1，根據土樣干濕交替后的情況，確定做幾次干濕交替，將最后一次飽和后的土樣切入環刀內，測土樣含水率、濕密度，計算干密度、飽和度和孔隙比等指標值；做第二次飽和后試樣的固結快剪試驗確定C、Φ值。

3.1.4 土樣第二次飽和

方法同3.1.2。

3.1.5 土樣第三次烘干、飽和

方法同 3.1.1、3.1.2。

3.2 殘余抗剪強度值的確定

3.2.1 排水反復直接剪切試驗

固結排水和固結快剪試驗，方法同2.2.1。

3.2.2 三軸壓縮試驗——固結排水剪（CD）

在經過數次干濕交替飽和后的大樣上切取3～4個三軸試樣，在應變控制式三軸儀上，做固結排水剪（CD）試驗，以確定抗剪強度指標C、Φ值，方法同2.2.2。

分析：此方法土樣尺寸相對過大，在給土樣烘干的過程中，由于土體過大，土樣內部不容易烘干，存在內部土樣烘干了，而外圍的土樣可能會出現剝落、松散等現象。

4 方案三

在現場通過數次淋水試驗和太陽暴曬，完成干濕交替作用后，再將土樣運回室內，繼續測定殘余強度值。

4.1 干濕交替試驗

4.2 殘余抗剪強度值的確定

土樣經過多次干濕交替之后，在原位將土樣切入環刀內，或將現場干濕交替后的土樣取回室內，在室內做反復直接剪試驗、用三軸儀做固結排水剪、確定抗剪強度參數C、Φ值。

4.2.1 排水反復直接剪切試驗

固結排水和固結快剪試驗：將現場每一次飽和過后的土樣取回室內，在室內做固結快剪實驗確定抗剪強度參數C、Φ值。做反復慢剪試驗以確定土樣的殘余抗剪強度指標C、Φ值，方法同2.2.1。

4.2.2 三軸壓縮試驗——固結排水剪（CD）

把現場經過每一次（做幾次干濕交替就取回幾次）飽和后的的土樣取回試驗室內，在土樣上切取3～4個三軸試樣，做固結排水剪（CD）試驗，以確定C、Φ值。方法同2.2.2。

分析：此方法舍去了在室內給土樣干濕交替的繁復過程和特制飽和容器的制作，可減少在室內進行干濕交替過程中試驗的誤差。土樣在現場完成干濕交替后，取回室內用環刀將土樣直接切取，方便了室內做反復直接剪切試驗和三軸試驗前給土樣飽和的制備過程，但是土樣在現場每一次飽和后，要將土樣送回室內，增加了土樣在運輸過程中對土樣的擾動。

5 結語

綜上所述，三種試驗方案中，第一種雖然復雜麻煩，但是最具研究價值，且具推廣性，可節約大量時間；第二種試驗方案，有利有弊，雖然免去了飽和容器的制作，但是土樣50cm×50cm×50cm體積過大，在烘箱中烘培的時間不好掌握，而且在給土樣漂淋飽和的時候，土樣又過于偏小，有可能會讓土樣遇水崩解，因為土樣周圍的側限不夠大，也有可能出現土樣漂淋飽和的時間周期過長，影響工期；第三種試驗方案，是現場與室內配合完成，試驗結果較接近真實，但是土工試驗要等到開工階段才能進行，影響工期