飽和與非飽和膨脹巖剪切特性試驗(yàn)研究

李川疆，何建新，劉 亮

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830052)

0 前 言

膨脹巖是一種遇水膨脹、軟化，失水收縮、硬化的特殊類型的軟巖[1]。由于其含有大量的親水性礦物，當(dāng)含水率變化時(shí)有較大的體積變化，同時(shí)，反復(fù)的脹縮變形導(dǎo)致膨脹巖形成許多不規(guī)則的裂隙，裂隙的存在破壞了土體的整體性，加之膨脹巖中含有較多的鈣結(jié)核和軟弱夾層，從而大大降低了巖體的強(qiáng)度[2]。工程實(shí)踐證明，膨脹巖的強(qiáng)度較一般黏性土更為復(fù)雜，表現(xiàn)為變動(dòng)性[3]。因此，膨脹巖抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定與選取有較大難度。

關(guān)于膨脹巖邊坡強(qiáng)度指標(biāo)的研究，許多工程實(shí)例表明通常膨脹巖峰值抗剪強(qiáng)度相當(dāng)高，但從膨脹巖邊坡失穩(wěn)后反算出的抗剪強(qiáng)度卻往往較低。對(duì)此許多學(xué)者建議采用現(xiàn)場(chǎng)大型原位直剪來(lái)推求其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，但是，現(xiàn)場(chǎng)大型原位直剪歷時(shí)長(zhǎng)、耗資高。相對(duì)于分散工程對(duì)每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行原位測(cè)試不太可能，由此，本文取新疆某工程的膨脹巖渠段樁號(hào)為82+500處的膨脹巖原狀樣與室內(nèi)重塑樣進(jìn)行試驗(yàn)，找出原狀樣與重塑樣之間的關(guān)系。

1 材料及試驗(yàn)方法

1.1 膨脹巖物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》[4]SL237-1999相關(guān)試驗(yàn)方法和地質(zhì)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)勘察情況，對(duì)典型膨脹巖層進(jìn)行了物理性質(zhì)指標(biāo)測(cè)定，主要包括顆粒分析試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)、天然含水率及天然密度及比重試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 膨脹巖物理性質(zhì)指標(biāo)匯總表

從物理性質(zhì)指標(biāo)成果可以看出，膨脹巖粘性含量較高，小于0.005 mm顆粒含量在50%以上，根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》[4](SL237-1999)分類，屬高液限粘土。天然含水率較高，因此具有高液限、低塑限的特點(diǎn)。膨脹力為131 kPa，無(wú)荷載膨脹率為9.4%，自由膨脹率59.2%，屬中等膨脹巖土。

1.2 試樣制備

對(duì)于原狀樣，去除膨脹巖表面的風(fēng)化層，露出新鮮的巖體，分別采用現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣、室內(nèi)環(huán)刀取樣制備三種尺寸的試樣，分別為Φ 148 mm×150 mm的中型直剪試樣，Φ 61.8 mm×20 mm的普通直剪試樣，以及Φ 39.1 mm×80 mm的三軸試樣。直剪試樣分別制備10～15個(gè)，三軸試樣制備5個(gè)。

對(duì)于重塑樣，制備兩種尺寸的試樣，采用擊實(shí)制樣。尺寸為Φ 61.8 mm×20 mm的普通直剪試樣，以及尺寸為Φ 39.1 mm×80 mm的三軸試樣。控制干密度為1.57 g/cm3，含水率為25.4%，試樣按《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL237-1999[4]的試樣進(jìn)行制備。

1.3 試驗(yàn)方法

膨脹巖抗剪強(qiáng)度指標(biāo)采用以下三種方法進(jìn)行試驗(yàn):

方法1:采用中型直接剪切試驗(yàn)儀，樣筒尺寸為Φ 148 mm×200 mm，將制備好的試樣放入直剪儀樣筒內(nèi)，為保證正應(yīng)力均勻傳遞，可將試樣頂部與底部鋪設(shè)一層1 cm～2 cm厚的細(xì)砂層，頂部安裝加壓蓋、垂直力傳感器(最大量程30 kN)。實(shí)驗(yàn)方法采用快剪 ，垂直壓力為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，剪切速率為 1.0 mm/min，使試樣在 5 min～8 min內(nèi)剪破，采用水平力傳感器(最大量程30 kN)量測(cè)水平力。

方法2:采用常規(guī)應(yīng)變控制式直剪儀，試樣采用環(huán)刀制備，試驗(yàn)方法采用快剪，垂直壓力為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，剪切速率為 0.8 mm/min，使試樣在3 min～5 min內(nèi)剪破，采用量力環(huán)量測(cè)水平力。

方法3:采用三軸壓縮試驗(yàn)，試樣尺寸為Φ 39.1 mm×80 mm，進(jìn)行固結(jié)不排水(CU)剪，固結(jié)過(guò)程的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)是變形不大于0.005 mm/h，且歷時(shí)不小于24 h，剪切速率為0.8 mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 膨脹巖原狀樣與重塑樣的強(qiáng)度參數(shù)結(jié)果對(duì)比及分析

通過(guò)圖1、圖2可見膨脹巖在天然非飽和狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較大，且相對(duì)于飽和狀態(tài)強(qiáng)度指標(biāo)比較離散，在浸水飽和狀態(tài)下，試樣抗剪強(qiáng)度明顯下降，尤其是粘聚力幾乎為零，表現(xiàn)出無(wú)粘性土的滑坡特征。原狀樣由于其裂隙的發(fā)育程度、分布范圍、間距、傾角及連通情況等情況千差萬(wàn)別，加之在浸水和失水環(huán)境下多有不同程度的脹縮變形[5]，因此，相對(duì)于重塑樣數(shù)據(jù)較為離散。原狀樣非飽和狀態(tài)下的中型直剪與小型直剪的強(qiáng)度指標(biāo)相比，小型直剪的強(qiáng)度指標(biāo)大于中型直剪，且小型直剪的數(shù)據(jù)更為離散。中型直剪由于尺寸較大，更能反映真實(shí)巖體的節(jié)理、裂隙特征，而小型直剪往往測(cè)得的是完整巖塊的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，未考慮節(jié)理、裂隙及其空間組合特征對(duì)強(qiáng)度的影響[6]。由表2可以看出，膨脹巖在飽和狀態(tài)下的原狀樣與重塑樣的強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力相差較大，而內(nèi)摩擦角相差較小，而且數(shù)據(jù)離散程度比非飽和狀態(tài)時(shí)要小。

圖1 膨脹巖天然狀態(tài)直剪抗剪強(qiáng)度線

直剪試驗(yàn)預(yù)定剪切面的抗剪強(qiáng)度與土體的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)差別較大。且直剪試驗(yàn)還存在著試驗(yàn)過(guò)程中試樣有效面積逐漸減小，主應(yīng)力方向變化，剪切面上應(yīng)力分布不均以及預(yù)定剪切面未必是試樣最弱面等特點(diǎn)。對(duì)于直剪試驗(yàn)由于不能反映真實(shí)的剪面，因此，土抗剪強(qiáng)度易受土中裂隙傾斜面與施加的剪切應(yīng)力方向的影響[7]。飽和狀態(tài)下，三軸試驗(yàn)所得的粘聚力均比直剪試驗(yàn)要小，三軸試驗(yàn)可以更好地反映裂隙對(duì)強(qiáng)度的影響。因而更具有參考價(jià)值。

圖2 膨脹巖飽和狀態(tài)直剪抗剪強(qiáng)度線

表2 膨脹巖抗剪強(qiáng)度指標(biāo)匯總表

許多實(shí)例表明，膨脹巖邊坡往往在雨季發(fā)生破壞，這說(shuō)明采用膨脹土的飽和強(qiáng)度尚不能保證膨脹土坡的穩(wěn)定，而非飽和膨脹巖的強(qiáng)度要遠(yuǎn)高于其飽和強(qiáng)度，用非飽和膨脹巖強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算是偏于危險(xiǎn)的。因此，工程設(shè)計(jì)中往往取最危險(xiǎn)狀態(tài)，則膨脹土強(qiáng)度應(yīng)取飽和狀態(tài)下裂隙充分發(fā)展后的強(qiáng)度。

2.2 膨脹巖殘余強(qiáng)度與裂隙強(qiáng)度分析

制備尺寸為Φ 61.8 mm×20 mm的普通小型直剪試樣，控制干密度為 1.57 g/cm3，含水率為25.4%，共7組試樣，每組試樣制備5個(gè)。試樣飽和按《土工試驗(yàn)規(guī)程》[4]SL237-1999的進(jìn)行抽真空飽和，其中1組進(jìn)行殘余強(qiáng)度的研究，將試樣放入飽和器進(jìn)行抽氣飽和，然后將飽和試樣裝入剪切容器，剪切速率為0.8 mm/min，待剪切完成后，啟動(dòng)反向開關(guān)，以0.2 mm/min的反推速率將剪切盒退回原位，然后開始第2次剪切，重復(fù)這個(gè)過(guò)程直至最后2次剪切時(shí)測(cè)力計(jì)讀數(shù)接近為止，本試驗(yàn)5個(gè)試樣均進(jìn)行了5次剪切。其它6組進(jìn)行干濕循環(huán)對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)影響的研究，由在20℃的恒溫烘箱烘烤12 h后抽真空飽和(飽和度達(dá)95%以上)為一次循環(huán)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 試樣強(qiáng)度指標(biāo)與反復(fù)剪切次數(shù)的變化關(guān)系

圖4 試樣強(qiáng)度指標(biāo)與干濕循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系

通過(guò)圖3可見試樣的殘余強(qiáng)度指標(biāo)隨著反復(fù)剪切次數(shù)的增加而減小，尤其是在第一次破壞后，強(qiáng)度指標(biāo)減少量最大，而后減少量逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定[8]。通過(guò)圖4可見試樣的裂隙強(qiáng)度指標(biāo)隨著反復(fù)剪切次數(shù)的增加而減小，對(duì)粘聚力的影響相對(duì)較大，而內(nèi)摩擦角變化不大。取第5次反復(fù)剪切、干濕循環(huán)的強(qiáng)度指標(biāo)分別為殘余強(qiáng)度及裂隙充分飽和強(qiáng)度，結(jié)果見表3。

表3 膨脹巖殘余強(qiáng)度、裂隙強(qiáng)度指標(biāo)匯總表

在進(jìn)行膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，有學(xué)者指出，應(yīng)采用膨脹土的殘余強(qiáng)度[9]。殘余強(qiáng)度是土體在破壞之后的強(qiáng)度，而裂隙發(fā)展后的強(qiáng)度是由于裂隙引起的，二者在概念上是不同的。在進(jìn)行膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，土體并未發(fā)生破壞，對(duì)整個(gè)邊坡土體采用殘余強(qiáng)度從機(jī)制上是難以解釋的；而根據(jù)膨脹土存在裂隙的實(shí)際情況，因而采用裂隙充分發(fā)展的飽和強(qiáng)度是更合理的[10]。通過(guò)表3可以看出，殘余強(qiáng)度與裂隙充分飽和強(qiáng)度相差不大。裂隙開展的強(qiáng)度也可看作是土體在受到一定破壞后強(qiáng)度的下降，殘余強(qiáng)度與裂隙開展的強(qiáng)度在這一點(diǎn)上具有共性，這也是殘余強(qiáng)度在數(shù)值上接近于裂隙充分發(fā)展的強(qiáng)度的原因。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)不同的試驗(yàn)方法對(duì)膨脹巖的原狀樣和重塑樣在非飽和狀態(tài)下以及飽和狀態(tài)下的強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行研究。并對(duì)膨脹巖在飽和狀態(tài)下的裂隙強(qiáng)度，和殘余強(qiáng)度進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論:

(1)膨脹巖的原狀樣在非飽和狀態(tài)下的直剪試驗(yàn)，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)易受試樣尺寸的影響，隨著試樣尺寸的增大更能反映巖體的強(qiáng)度，而不是巖塊自身的強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn)小型直剪的摩擦角 φ值比中型直剪試驗(yàn)大，而粘聚力c值變化不大。

(2)三軸試驗(yàn)所得到的強(qiáng)度小于直剪試驗(yàn)，這說(shuō)明三軸試驗(yàn)可以更好地反映裂隙對(duì)強(qiáng)度的影響。

(3)膨脹巖在非飽和狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較大，但是在浸水飽和狀態(tài)下，試樣抗剪強(qiáng)度明顯下降，尤其是粘聚力幾乎為零，表現(xiàn)出無(wú)粘性土的性質(zhì)。因此，用非飽和膨脹巖強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算將是偏于危險(xiǎn)的。工程設(shè)計(jì)中往往取最危險(xiǎn)狀態(tài)，則膨脹巖強(qiáng)度應(yīng)取飽和狀態(tài)下裂隙充分發(fā)展后的強(qiáng)度是合理的。

(4)在充分飽和狀態(tài)下，膨脹巖的殘余強(qiáng)度與裂隙充分飽和強(qiáng)度相差不大。殘余強(qiáng)度與裂隙充分飽和強(qiáng)度，雖然，二者在概念上是不同，但是在數(shù)值上相近。

以上結(jié)論，是特定地區(qū)、特定類型的膨脹巖進(jìn)行試驗(yàn)研究而得出的，不同地區(qū)、不同類型的膨脹巖是否具有相同的規(guī)律，需進(jìn)一步的研究加以驗(yàn)證。

[1]廖世文.膨脹土與鐵路工程[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，1984.

[2]張家發(fā)，劉曉明，焦赳赳.膨脹土渠坡兼有排水功能的雙層結(jié)構(gòu)防護(hù)方案[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2009，26(11):37-41.

[3]包承鋼.巖土工程研究文集[M].武漢:長(zhǎng)江出版社，2007.

[4]中華人民共和國(guó)水利部.SL237-1999.土工試驗(yàn)規(guī)程[S].沈陽(yáng):遼寧民族出版社，1999.

[5]鄒志悝.南水北調(diào)中線工程總干渠潞王墳試驗(yàn)段膨脹巖工程地質(zhì)特性研究[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2009，26(11):85-88.

[6]范秋雁.膨脹巖與工程[M].北京:科學(xué)出版社，2008.

[7]劉特洪.工程建設(shè)中膨脹土問(wèn)題[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

[9]左巍然，楊和平，劉 平.確定膨脹土殘余強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J].長(zhǎng)沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，23(1):23-27.

[10]徐 彬，殷宗澤，劉述麗.膨脹土強(qiáng)度影響因素與規(guī)律的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2011，32(1):44-50.