不同制樣方法對非飽和膨脹土抗拉強度的影響

王福

（河南白龜山水庫管理局，河南 平頂山 462500）

1 引言

蒙脫石和伊利石等具有較強親水性的礦物存在于膨脹土中，導致膨脹土具有吸水膨脹、失水收縮的特性。這種特性容易受到外界因素的影響，使道路、房屋和其他基礎設施建設常常受到非常重大的影響，嚴重的會危及人身安全。在工程應用中，常會出現基床翻漿冒泥、路基下沉、邊坡滑坡等重大危害，給公路建設和人身安全造成極大破壞。

目前試驗室內制備重塑土樣的方法主要為擊樣法（壓樣法），但是這種方法制備的土樣在結構性方面失真較嚴重。不同的制樣方式對土體的微觀結構及宏觀力學特性影響巨大。目前室內試驗研究用的非飽和土試樣主要有原狀樣、擊實樣和泥漿樣。其中擊實試樣因制樣方便，可以配制成不同含水率和密度等特定狀態下的試樣，也是目前在非飽和土的水力-力學特性試驗研究中用得最多的試樣。

土的抗拉強度在工程設計中可以發揮重要的作用。單軸拉伸試驗、三軸拉伸試驗可以直接測定土體的抗拉強度，徑向劈裂試驗、彎曲梁試驗和環狀試樣法可以間接測定抗拉強度。除此之外，還有很多直接或間接測量抗拉強度的方法。但是徑向劈裂試驗操作簡單方便，因此選用了徑向劈裂試驗進行試驗研究。在巖土工程領域可視化模型試驗研究中，粒子圖像測速技術得到了有效應用。

因此以南陽膨脹土為研究對象，進行基于PIV技術的劈裂試驗，分析不同制樣方式下非飽和膨脹土的力學特性變化規律，從而為解決膨脹土難題提供深層次的處理方案和工程實踐的科學指導依據。

2 膨脹土物理性質指標

試驗所用的膨脹土取自河南省南陽市宛城區紅泥灣鎮第一初級中學附近，取土深度約為6 m。將現場取的擾動膨脹土烘干，并碾碎過篩處理，配置重塑土樣，進行膨脹土的物理性質指標試驗。該土的物理性能指標列于表1。粒徑分布級配曲線試驗可知膨脹土的顆粒粒徑主要集中在0.001～0.1 mm，約占土體總質量的90%。根據顆粒分析試驗和液塑限試驗結果，該試驗土為低液限黏土（CL）。根據膨脹性分類標準，該試驗土為弱膨脹土。

表1 膨脹土的物性指標表

3 試驗設備

3.1 試驗設備簡介

試驗所用徑向劈裂試驗設備，其由三個系統組成：加載測試系統、數據收集系統和PIV系統。具體圖像設置和參數見參考文獻。選擇應變控制類型施加載荷，速度為7 mm/min。每秒拍攝七張照片，以記錄整個過程中的變形。試驗拍攝范圍為38.50 cm×38.50 cm，初始試樣尺寸d0為6.18 cm和h0為2 cm。

3.2 試樣制備

首先將烘干膨脹土過篩，然后將其與蒸餾水混合，按照目標含水率進行配土，用塑料袋密封配土，然后放入保濕缸進行充分滋潤。用千斤頂靜壓法制備四個初始含水率為20%，初始干密度為1.68 g/cm3的重塑試樣，使其自然風干之后，控制目標含水率為8%、12%、16%、20%（簡稱制樣方式一），并用游標卡尺量測其直徑d，高度h，得到干密度。然后依據干化試樣的干密度，直接采用靜壓法制備四個相同干密度、含水率的試樣。最后采用靜壓法制備初始干密度為1.68 g/cm3，初始含水率分別為8%、12%、16%，20%的試樣。準備由三種不同制樣方式制成的非飽和膨脹土樣，探究不同制樣方式下非飽和膨脹土抗拉強度的規律。

4 試驗結果

如圖1和圖2所示，膨脹土劈裂試驗荷載-位移關系曲線存在不同的階段：OA段，試樣內部微小孔隙被逐漸壓實，荷載-位移關系曲線斜率逐漸增大；AB 段，試樣內部趨于密實，開始彈性變形，曲線斜率近乎不變，在此階段達到荷載峰值；BC段，在達到峰值后，進入失穩破壞階段，試樣表面開始出現清晰可見的裂隙，隨著位移的微量增加荷載曲線急劇跌落；CD 段，劈裂裂隙在試樣表面及內部發育。隨之試樣呈現出一定的殘余強度。裂隙伴隨應力增加呈現繼續發育趨勢直至貫通試樣，最后導致其完全破壞。

圖1 三種制樣方式荷載-位移曲線圖

圖2 不同含水率條件下的三種制樣方式荷載-位移曲線圖

在采用靜壓法直接制成四組相同干密度的試樣結果中，可以觀察到含水率越大，試樣的峰值荷載越低，位移越大，且含水率為8%的試樣，在達到峰值荷載之后，曲線突變，試樣脆性大，整個破壞過程非常短暫，而隨著含水率增大，曲線趨于光滑，表明含水率對抗拉強度的影響較大。峰值荷載隨含水率的增加而降低。同時，當含水率一定時，干密度越大，峰值荷載越大。但是隨著含水率增大，兩條荷載-位移曲線峰值之間差距逐漸縮小，表明隨著含水率的增加，干密度對抗拉強度的影響逐漸變小。

制樣方式對荷載-位移曲線的影響如圖2 所示，在初始干密度和含水率均相同的情況下，制樣方式一的峰值荷載高于制樣方式二，可見影響膨脹土抗拉強度的因素不僅僅是含水率和初始干密度，制樣方式也會對膨脹土的抗拉強度產生比較大的影響，含水率為20%、16%、12%、8%時，制樣方式一對比制樣方式二峰值荷載分別增加了5.42%、66.86%、116.76%、89.97%，說明膨脹土抗拉強度不僅受宏觀條件控制（如：含水率，初始干密度），同時受土體本身的微觀結構控制，膨脹土的荷載-位移關系曲線呈現應變軟化現象。干化膨脹土的集聚體體積比靜壓法制樣膨脹土的大，集聚體間孔隙較少，導致干化膨脹土的抗拉強度比靜壓法制樣膨脹土的高。隨著重塑膨脹土初始干密度增大，其內部集聚體間孔隙會逐漸減小，而且干化膨脹土在自然風干過程后，土顆粒呈現片狀，而采用靜壓法直接制成的土樣中，土顆粒呈現顆粒狀，孔隙數量相較于干化試樣明顯增多，膨脹土的抗拉強度相對較低。

5 結論

①試樣破壞的過程分為四個階段：OA 段為應力接觸調整階段（I）；AB 階段為應力近似線性增加階段（II）；BC 部分為拉伸破壞階段（III）；CD 部分為殘余階段（IV）。②非飽和膨脹土應力-應變曲線的峰值隨初始干密度增高而增高。w＜wc 時，峰值荷載隨著含水率的增加而增大。但當含水率較高時，峰值荷載隨含水率的增加而減小。③制樣方式對膨脹土土樣的抗拉強度影響較大，制樣方式一的荷載-位移曲線峰值荷載最高，其次是制樣方式二，制樣方式三的峰值荷載最低。

收稿日期：2022-5-15