基于反復直剪試驗的強膨脹土強度特性研究

李云鵬，林一芃，張晶旭

河北省地質礦產勘查開發局國土資源勘查中心(河北省礦山和地質災害應急救援中心)，河北 石家莊 050081

0 引言

膨脹土是實際工程中的一種特殊土體，因富含蒙脫石、伊利石、高嶺石等親水性黏土礦物，具有吸水膨脹、失水收縮的膨脹特性，除此之外膨脹土還具有裂隙性、超固結性等特性。膨脹土的諸多特殊性質導致的土體強度衰減問題，引起學者的廣泛關注。例如：張曉麗[1]、戴福初等[2]對不同黏粒含量膨脹土進行快剪、反復直剪試驗，對比不同條件下的快剪試驗數據，提出了飽和、固結環節在不同黏粒含量膨脹土中發揮的作用，梳理出黏粒含量與峰值、殘余強度及其強度指標的關系。趙鑫等[3]對南陽強膨脹土進行大剪試驗，研究結果表明裂隙面的發育程度、傾角、起伏度對膨脹土抗剪強度都有影響。黃志全等[4]通過直剪試驗、三軸試驗對裂隙面強度進行研究，指出了裂隙面傾角和填充黏土厚度均對抗剪強度指標起到負面影響，且傾角的影響更為突出。胡旭輝等[5]通過開展干濕循環條件下的直剪試驗，研究發現強度衰減主要集中在前3次的干濕循環過程，之后逐漸趨于穩定，且黏聚力呈現的衰減規律比內摩擦角更明顯，研究結果針對實際工況中強度參數的選取給出了合理建議。楊和平等[6]在干濕循環效應對膨脹土的強度影響進行過類似的研究，結果證實無論是原狀樣還是重塑樣，干濕循環后的強度衰減主要為黏聚力值的明顯降低。蔣曉慶等[7]通過殘余強度試驗儀對膨脹土進行反復剪切試驗，證明了弱膨脹土殘余強度受到初始含水率和豎向應力的影響，并對不同豎向應力作用下含水率與強度的關系進行線性擬合，所得結果對于邊坡穩定性分析及滑坡防治具有一定的參考價值。

關于膨脹土抗剪強度的影響因素，以往學者在裂隙、干濕循環、豎向應力、黏粒含量、含水率等方面的研究取得了豐碩的成果，得出了很多重要的結論。文章擬聚焦于含水率的變化對膨脹土強度的影響，在前人已有結論的基礎上對含水率的影響效果進一步探究，以期更好的描述膨脹土抗剪強度與含水率之間的關系。作者以南水北調中線工程邯鄲段強膨脹土為研究對象，通過反復剪切試驗，對不同初始含水率重塑膨脹土的峰值強度和殘余強度變化情況進行研究，分析含水率的變化對于膨脹土強度的影響特征，期望為該地區工程建設中強度參數的選取提供一定的參考依據。

1 膨脹土反復直剪試驗

1.1 試驗土樣

本次試驗用土取自南水北調中線工程邯鄲段，取土深度1.6～1.8 m。土樣基本物理性質指標嚴格依據《土工試驗方法標準》(GB/T50123—2019)進行測試，測得各項指標見表1，由表1可知土樣天然含水率為26%，干密度為1.51 g/cm3，滲透系數為4.62×10-8，滲透性差，起隔水作用，自由膨脹率為90%，根據《膨脹土地區建筑技術規范》(GB50112—2013)將該土樣膨脹性等級定為強膨脹土。圖2為膨脹土的粒徑級配曲線，由圖2可知土樣的黏粒含量為33.7%，粉粒含量為59.7%，砂粒含量為5.1%，黏粒含量較高，顆粒分布均勻，級配較差。

圖1 強膨脹土粒徑級配曲線Fig.1 Particle size distribution curve of strong expansive soil

圖2 剪切前后樣品圖Fig.2 Sample images before and after cutting

表1 強膨脹土土樣基本屬性Table 1 Basic properties of strong expansive soil samples

1.2 試驗方案

本次試驗采用ZJ型四聯應變控制式直剪儀(四聯剪)，剪切盒內可制備尺寸為直徑61.8 mm，高度為20 mm的重塑土試樣。上下剪切盒在工作時水平進行剪切，儀器可同時剪切4個不同豎向應力的試樣，自動采集剪切位移數據，同時根據鋼環變形情況，通過鋼環系數求得對應的剪應力。

試驗制備重塑土樣，依據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)進行樣品制備與方案設計，根據土體的粒徑分布情況，選取小于2 mm的土顆粒進行試驗，將樣品烘干、碾碎后，過篩得到試驗用土，控制試樣密度為1.7 g/cm3，制備15%、20%、25%、飽和(BH)4組含水率條件的環刀樣，每組需制備4個試樣，控制豎向應力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。將試樣壓入剪切盒，設置剪切速率為0.02 mm/min，反推速率為0.6 mm/min，每次剪切位移控制在6 mm以內，在反復剪切試驗過程中，一般剪切4～5次就會出現相鄰兩次剪應力—位移曲線相近的情況，本試驗以第一次剪切強度為峰值強度，第5次剪切強度為殘余強度，經過5次反復剪切后總剪切位移可達到30 mm左右，剪切前后的土樣照片見圖2。

2 試驗結果分析

2.1 剪應力—剪切位移關系

繪制剪應力—剪切位移關系曲線如圖3所示，初始含水率相同時，試樣的峰值強度隨豎向應力的增大而增大，以含水率20%為例，每級豎向應力的峰值強度相比于前一級壓力的峰值強度上升幅度分別為12.3%、14.6%、29%。這點與蔣曉慶等[7]利用全自動殘余強度儀對弱膨脹土強度隨豎向應力的變化規律所得結論是一致的，由于豎向應力的增加可以促進土粒的相互咬合，對土體的壓密作用顯著，增加剪切面的摩擦力，從而提高了強度。含水率達到飽和后，峰值強度較不飽和土樣顯著降低，不同豎向應力的剪切峰值也相差不大，說明飽和含水率膨脹土受豎向應力影響不再明顯。

圖3 剪應力—剪切位移曲線Fig.3 Shear stress-shear displacement curve

第1次剪切時15%含水率不同豎向應力下的應力—位移曲線均出現了不同程度的應變軟化現象，豎向應力越低時，軟化現象越明顯。隨著含水率的增長，豎向應力相同時試樣的峰值強度逐漸降低，剪切強度趨于穩定不再發生軟化，達到“穩態強度”，對此繆林昌等[8]分析其原因為膨脹土含水率上升，土體的結構力降低，土體在外力作用下出現破壞后，相應的強度下降趨勢沒有結構力大時明顯，因此看不到明顯的軟化。豎向應力為200 kPa時，含水率上升時的峰值強度相比于前一含水率的峰值強度下降幅度分別為14.9%、43.5%、65.7%。曲線變化特征說明初始含水率對于強膨脹土的峰值強度影響顯著，含水率越大，峰值強度越低。對于峰值強度隨著含水率的上升而降低，應變軟化向弱硬化現象的發展，可以解釋為含水率較低時土體結構較為完整，剪應力小于剪切強度時土體結構承擔了一部分剪應力，當剪應力超過其抗剪強度，土體結構遭到破壞導致峰值后出現應變軟化現象。但隨著含水率增加，結構性遭到破壞致使峰值后段不再出現應變軟化。

第5次剪切時，殘余強度較峰值強度均有明顯的降低。以含水率15%為例，100～400 kPa豎向應力的殘余強度較峰值強度下降幅度分別為41%、27.1%、7.6%、12.4%。以豎向應力300 kPa為例，15%含水率到飽和含水率的殘余強度較峰值強度下降幅度分別為7.6%、9.1%、14%、44.2%。殘余強度與豎向應力和含水率的對應關系與峰值強度曲線特征類似，對此不再贅述分析。不同的是，對比峰值強度曲線，圖3(a)、3(b)應力—位移曲線顯示反復剪切過程中應變軟化現象消失，出現了明顯的應變硬化現象，張曉麗、戴福初等在膨脹土剪切強度試驗研究中也得出了相似特征的曲線，Bishop[9]曾在環剪試驗中提出剪應力隨剪切位移持續增大是由于擠壓和機械摩擦造成，作者分析認為Bishop的觀點同樣可以解釋本試驗中曲線的變化特征，而圖4(c)、4(d)未現應變硬化可以理解為含水率的提高促進滑動、減少摩擦，下文中峰殘內摩擦角隨含水率的變化特征可以驗證分析。

圖4 不同含水率的強度包線Fig.4 Strength envelopes with different moisture contents

2.2 含水量對膨脹土抗剪強度的影響

繪制不同含水率的峰值強度及殘余強度包線如圖4所示，根據摩爾庫倫準則，得到不同含水率的峰殘抗剪強度指標c、φ值如表2和圖5所示。試驗結果表明，含水率對峰殘強度指標均有較大影響，指標與含水率的關系整體上呈負相關。對于非飽和膨脹土，峰值黏聚力水敏性較內摩擦角更強，含水率至25%時，黏聚力僅為37.1 kPa，下降幅度達76.9%，峰值內摩擦角下降幅度為22.5%。在塑限含水率(22.2%)之前，峰值黏聚力隨含水率增大下降緩慢，大于塑限含水率時，隨含水率的增大快速下降；在試樣飽和前，內摩擦角隨含水率下降緩慢，試樣含水率飽和時，內摩擦角明顯降低。

圖5 抗剪強度指標分布Fig.5 Distribution of shear strength indicators

表2 抗剪強度參數Table 2 Shear strength parameters

總體上，在含水率較低時(15%)的峰值與殘余黏聚力差值較大，為105.2 kPa，下降幅度達到65.4%，隨含水率的增大，其差值越來越小，至含水率飽和時，差值為-0.5 kPa；含水率15%、20%時的殘余內摩擦角大于峰值內摩擦角，可以驗證圖4(a)、4(b)應力—位移曲線逐漸顯示出的應變硬化現象。峰殘內摩擦角在含水率達到飽和時快速減小，此時的膨脹土強度主要由內聚力提供。

2.3 豎向應力對剪切面摩擦系數的影響

摩擦系數f是指兩表面間的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值，它可以表征物體表面的粗糙度，在直剪試驗中用剪應力與豎向壓力之比表示。邯鄲膨脹土直剪試驗結果表明(圖6、圖7)，無論是峰值強度還是殘余強度，摩擦系數f均隨豎向壓力的增大而逐漸減小，當豎向應力增大到300 kPa，峰殘強度的摩擦系數基本穩定，不再發生變化。豎向壓力越小剪切面越粗糙，隨豎向壓力增大，顆粒趨向于使剪切面更光滑的狀態定向排列。整體上，摩擦系數隨含水率的增大呈減小趨勢，且豎向應力對摩擦系數的影響隨含水率的增大而逐漸減小，當含水率達到飽和時，豎向壓力對摩擦系數的影響已經很小，此時各豎向壓力下的摩擦系數f均小于0.5。

圖6 摩擦系數隨垂向壓力變化曲線Fig.6 Curve of friction coefficient with vertical pressure variation

圖7 摩擦系數隨含水率變化曲線Fig.7 Curve of friction coefficient changing with water content

3 結論

通過反復直剪試驗對南水北調中線工程邯鄲渠坡膨脹土抗剪強度及其影響因素進行了研究，得到以下結論和認識：

(1)豎向應力和初始含水率對于強膨脹土的峰值強度和殘余強度都有影響，豎向應力與強度值呈正相關，初始含水率與強度值呈負相關。豎向應力增加可以促進土顆粒的咬合作用進而使強度增強，初始含水率增長可以破壞土中的膠結物質，促進相對滑動進而使強度減弱。對此，膨脹土工程中可以使用較大的豎向應力來提高土體穩定性，且應當充分考慮含水率的升高對膨脹土強度的顯著影響。

(2)強膨脹土的峰值抗剪強度指標和殘余抗剪強度指標均隨含水率整體呈降低的趨勢，含水率變化主要通過影響黏聚力來影響非飽和膨脹土的抗剪強度，膨脹土飽和時黏聚力和內摩擦角對膨脹土的抗剪強度影響都很顯著。對于研究區強膨脹土而言，可能存在一個使強度指標加速變化的含水率臨界值(20%到25%之間)，當含水率超過臨界值后，強度指標變化非常明顯，對于研究區膨脹土隨臨界含水率發生強度驟降的情況應當提起足夠的重視。

以上研究結果是對于特定地區的重塑強膨脹土進行試驗所得，試驗中使用的ZJ型四聯應變控制式直剪儀，儀器操作簡單便捷，但儀器的數據采集功能存在一定的缺陷，試驗結束后不能獲取中間過程(第2、3、4次)的剪切原始數據，在進行數據分析時不能更完善的說明五次剪切過程的變化規律。且因人為制得重塑樣品的差異性，使得實驗數據出現了個別奇異點，但整體的規律較為明顯，對于膨脹土強度特性研究以及工程中強度參數選取具有一定的參考價值。