壓實膨脹土抗拉強度試驗研究

黃 珂，姜 沖, 陳 慶, 吳 兵

(河海大學(xué) a.巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室；b.江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心, 南京 210098)

壓實膨脹土抗拉強度試驗研究

黃 珂a,b，姜 沖a,b, 陳 慶a,b, 吳 兵a,b

(河海大學(xué) a.巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室；b.江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心, 南京 210098)

膨脹土干濕循環(huán)過程中土體內(nèi)部干縮裂縫的產(chǎn)生與其抗拉強度有關(guān)，且其在抵抗干縮裂縫發(fā)育時產(chǎn)生重要作用，所以在研究膨脹土脹縮機理時，必須考慮抗拉強度的影響。對南京高淳膨脹土壓實圓柱樣采用軸向壓裂法進行抗拉強度試驗，研究不同壓實度、不同初始含水率、不同制樣方法、飽和度以及吸力對壓實圓柱樣抗拉強度的影響。結(jié)果表明：壓實膨脹土的抗拉強度隨著壓實度的增大而增大，隨著含水率的增大而減小；失水和吸水對壓實膨脹土抗拉強度有削弱作用且吸水的削弱作用更加明顯；試樣從非飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)時抗拉強度減小極為明顯，減小比率高達80%。

膨脹土；壓實度；加州承載比(CBR)；抗拉強度；軸向壓裂法

1 研究背景

膨脹土是一種特殊的高液限黏土，其含有大量親水礦物成分蒙脫石等，使其具有極強的吸水膨脹、失水收縮的性質(zhì)。在雨季與旱季相互交替的過程中，膨脹土經(jīng)歷著吸水—失水—吸水—失水的無限次干濕循環(huán)。由于膨脹土吸水膨脹、失水收縮的性質(zhì)，當膨脹土干縮過程中因不均勻收縮產(chǎn)生的收縮應(yīng)力大于土體上的壓應(yīng)力和抗拉強度之和時，土體內(nèi)部就會產(chǎn)生次生裂隙。已有研究成果已經(jīng)證實膨脹土的抗拉強度會隨著裂隙的發(fā)育而呈現(xiàn)衰減特性，所以在不斷的干濕循環(huán)過程中，土體內(nèi)部次生裂隙不斷發(fā)育會使土體抗拉強度不斷衰減，導(dǎo)致膨脹土路基、路塹、河道護坡等產(chǎn)生滑坡，造成工程危害。在經(jīng)典土力學(xué)理論中，由于土體抗拉強度較小，因此在大多數(shù)情況下把土體抗拉強度視為0，但事實上土體的抗拉強度是存在的，在膨脹土裂隙發(fā)育的微觀過程中其作用更是不可忽視。所以在進行膨脹土裂隙發(fā)展機理研究時，有必要把抗拉強度考慮進去。

由于壓實膨脹土的抗拉強度受到土體本身的性質(zhì)、初始含水率、壓實度等諸多因素的影響，因此需要根據(jù)實際情況對其抗拉強度進行室內(nèi)試驗研究。土體抗拉強度的測定分為直接測定法和間接測定法2大類：直接測定法包括單軸拉伸試驗和三軸拉伸試驗；間接測定法包括土梁彎曲試驗、軸向壓裂試驗、徑向壓裂試驗和氣壓劈裂試驗。馬芹永[1]利用劈裂法對人工凍土圓柱體試樣進行了抗拉強度試驗；余湘娟[2]采用改裝的常規(guī)三軸儀進行了壓實黏土的三軸拉伸試驗和拉壓循環(huán)試驗，得到了土體拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，認為土體發(fā)生脆性斷裂破壞；張小江等[3]利用自己研制的單軸靜動力拉壓試驗儀對纖維加筋土斷裂特性進行了試驗研究；邢義川等[4]和黨進謙等[5]分別設(shè)計了單軸伸試驗儀，并基于研制的設(shè)備研究了黃土的張拉斷裂特性；朱俊高等[6-7]通過一系列單軸拉伸試驗研究了高塑限黏土和礫質(zhì)黏土作為土石壩心墻填料的抗拉強度特性；郭飛等[8]對黏土的抗拉強度與含水量、干密度和襯墊直徑的關(guān)系進行了探討，提出軸向壓裂法作為間接測定黏性土抗拉強度方法是可行的。這些研究成果促進了抗拉強度在巖土工程研究中的應(yīng)用，但是以上學(xué)者的研究對象為人工凍土、普通黏土、纖維加筋土、黃土等，而對于具有強烈脹縮性的膨脹土，其抗拉強度的研究還相對較少。其中，冉龍洲等[9]研究了干燥過程中膨脹土抗拉強度的變化；呂海波等[10]利用自制的簡易土工拉伸儀對具有脹縮性的武鳴紅黏土和百色膨脹土進行試驗，探討了其抗拉強度與干密度、含水率、干濕循環(huán)次數(shù)等影響因素的關(guān)系。

本文利用加州承載比(CBR)儀采用軸向壓裂法對壓實膨脹土進行了不同壓實度、不同含水率、不同制樣方法、不同飽和度條件下的抗拉強度試驗，研究了不同條件下圓柱土樣的抗拉強度。

2 試驗原理

圖1 軸向壓裂法試驗原理Fig.1 Principle of axialcompression fracturemethod

軸向壓裂法試驗是間接

測定材料抗拉強度的方法之一，該法對照徑向壓裂法的機理提出，試驗原理如圖l所示。其試驗機理為：在土體兩端墊上圓柱形襯墊，施加壓力F直至試樣沿軸向劈裂。Fang等[11]根據(jù)理想塑性理論，得出試樣抗拉強度σt與最大軸向荷載F的關(guān)系式為

(1)

式中：k為剛性襯墊影響系數(shù)；b為圓柱試樣底面半徑；h為圓柱試樣的高；a為剛性襯墊的半徑。

由于膨脹土的干縮濕脹的特性，在膨脹土體內(nèi)部會形成干縮裂縫，用直接法如單軸抗拉測膨脹土的抗拉強度，若斷裂面剛好處于干縮裂縫貫通處，則所測結(jié)果不能真實地反映其抗拉強度。所以用直接法測膨脹土的抗拉強度容易受到內(nèi)部裂縫的影響，用間接法軸向壓裂法則可以在一定程度上避免。

3 土樣制備及試驗方法

3.1 膨脹土選取

本文所用土料取自南京市高淳區(qū)蕪申線航道先導(dǎo)段胥河大橋上游100m處，取土深度為3.5m左右，土體呈灰黃色-紅褐色雜淺灰色，質(zhì)地硬塑-堅硬，含鐵錳浸染，局部含鈣質(zhì)結(jié)核，被應(yīng)用于航道邊坡。試驗用土均采用風(fēng)干土樣，風(fēng)干土樣全部過5mm篩，風(fēng)干后土樣含水率4.9%，主要物理性質(zhì)指標見表 1。根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GBJ112—2013)判斷該膨脹土屬于弱膨脹土。

表1 土樣基本物理性質(zhì)指標

3.2 土樣制備

考慮到試樣的高徑比必須>2才可消除端部條件的影響，因此進行抗拉強度試驗的圓柱試樣尺寸為:高度h=130 mm，直徑D=61.8 mm，在室內(nèi)通過靜壓法制備。由于施工中常用壓實度在90%以上，試驗用土最優(yōu)含水率為17.3%，因此壓實度取90%，93%，95% 3個水平；目標含水率取13.3%，15.3%，17.3%，19.3%，21.3% 5個水平。

為探索失水和吸水對土樣抗拉強度的影響，制備1組失水試樣和1組吸水試樣。失水試樣的制備方法：利用1組壓實度93%、含水率25%的試樣，使其失水至目標含水率，然后將其用塑料薄膜密封，在室溫下靜置超過24 h使水分分布均勻。吸水試樣的制備方法：利用1組壓實度93%、含水率10%的試樣(含水率<10%時制樣困難，難以成樣)，使其吸水至目標含水率，然后將其用塑料薄膜密封，在室溫下靜置超過24 h使水分分布均勻。

為探索飽和度對抗拉強度的影響，將制作好的壓實度93%的1組試樣放置24 h后裝入真空飽和裝置中抽氣飽和，回水后置于水中24 h再進行試驗，這時可認為試樣達到完全飽和。

圖2 CBR試驗裝置Fig.2 Test apparatus forcalifornia bearing ratio(CBR)

3.3 試驗方法

將制備好的圓柱試樣置于CBR儀上，試樣兩端放置直徑為31 mm的剛性襯墊，如圖2所示。根據(jù)郭飛等[8]對黏性土軸向壓裂法測抗拉強度的研究成果，設(shè)置試驗臺上升速率為0.9 mm/min，剛性襯墊直徑31 mm時可認為剛性襯墊影響系數(shù)k=1。施加的最大軸向荷載F由CBR儀上面百分表讀數(shù)和鋼環(huán)系數(shù)確定，如果土樣含水率較低(≤15.3%)，試樣的破壞很突然,表現(xiàn)為脆性破壞，此時百分表達到最大值后指針迅速回轉(zhuǎn)，可認為百分表達到的最大讀數(shù)對應(yīng)最大軸向荷載。如果土樣的含水率較高,則試樣在接近破壞時呈現(xiàn)較大的塑性，百分表的指針移動明顯變慢，隨著荷載的逐漸增加，百分表指針達到最大值(即百分表指針不再變動)，此時可認為試樣破壞，百分表達到的最大讀數(shù)對應(yīng)最大軸向荷載。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 壓實度、含水率對抗拉強度的影響

如圖3(a)所示，在含水率不變的條件下，壓實膨脹土的抗拉強度隨著壓實度的增大而增大。究其原因，在壓實膨脹土未飽和且含水率一定的情況下，隨著干密度的增大，土顆粒之間的間距變小，顆粒之間相互接觸的面積也隨之增大，也就意味著顆粒之間的黏結(jié)力增大，當土體產(chǎn)生破壞時需要較大外力來克服土顆粒之間的黏結(jié)力。

同時根據(jù)圖3(b)所示，在壓實度不變的條件下，膨脹土的抗拉強度隨著含水率的增大而減小。這是因為當含水率較小的時候，土顆粒之間的作用力主要是靜電力和范德華力，此時顆粒之間的距離較近，顆粒之間的黏結(jié)力較大，土體的抗拉強度較大。隨著含水率的增大，土體顆粒之間的結(jié)合水膜也隨之增厚，土體顆粒之間的接觸面積變小，顆粒之間的黏結(jié)力減弱；同時由于含水率增加在土顆粒之間起到一定的潤滑作用，導(dǎo)致顆粒間摩擦力減小，以上2方面的原因?qū)е峦馏w的抗拉強度變小。

圖3 抗拉強度變化曲線

4.2 吸水和失水對抗拉強度的影響

如圖3(b)所示，在壓實度一定的條件下，制樣條件對壓實膨脹土的抗拉強度有較大影響，其中相同含水率條件下失水試樣和吸水試樣的抗拉強度相比正常試樣的抗拉強度均有所下降。同時還可以看出，隨著目標含水率與制樣起始含水率的差距的增大，失水試樣和吸水試樣的強度損失呈增大趨勢，即距離制樣初始含水率近的目標含水率處的失水試樣和吸水試樣的強度損失比率較小，距離制樣初始含水率遠的目標含水率處的失水試樣和吸水試樣的強度損失比率較大。

失水試樣在制樣的過程中，由初始含水率(25%)失水至目標含水率的過程中，壓實膨脹土試樣會在原有裂隙的基礎(chǔ)上形成更寬更長的干縮裂隙，相對于一次靜壓成型的正常試樣，這就破壞了試樣的整體性；同時失水過程中土粒之間的黏結(jié)遭到破壞，土體微結(jié)構(gòu)劣化。綜合這2方面的主要原因，失水試樣的抗拉強度要低于正常試樣。吸水試樣在制樣的過程中，由初始含水率(10%)吸水至目標含水率的過程中，試樣中原有的細小裂縫閉合，但是寬大裂縫則在吸水的過程中發(fā)育，致使土體的整體性遭到破壞，并且壓實膨脹土吸水膨脹軟化，再加上膨脹土有一定的的崩解性，所以膨脹土吸水試樣的抗拉強度也低于正常試樣。同時在圖3(b)中可以看出吸水試樣總體比失水試樣強度下降得更多，筆者認為這是由于膨脹土吸水膨脹軟化以及崩解性相對于失水產(chǎn)生的收縮裂隙對抗拉強度的影響更大。

圖4 93%壓實度飽和與非飽和條件下抗拉強度變化曲線Fig.4 Curves of tensile strength vs. moisture content of saturated and unsaturated samples with degree of compaction of 93%

4.3 飽和與非飽和狀態(tài)下的抗拉強度比較

如圖4所示，正常制樣條件下，93%壓實度的非飽和樣達到飽和狀態(tài)后，其抗拉強度顯著減小，相同含水率條件下，非飽和樣與飽和樣的抗拉強度之比最大可達4倍，最小也在2倍以上?？傮w趨勢是當非飽和試樣含水率較小時,飽和后抗拉強度減小的幅度較大，當非飽和試樣含水率較大時,飽和后抗拉強度減小的幅度較小。

土體在非飽和狀態(tài)下，土顆粒骨架之間產(chǎn)生凈粒間作用力表現(xiàn)為連通孔隙所產(chǎn)生的負孔隙水壓力和表面張力綜合作用。膨脹土壓實圓柱試樣從非飽和狀態(tài)到飽和狀態(tài)的過程是土體孔隙中的氣相從連通狀態(tài)到完全閉合狀態(tài)的過程，在這個過程中，當試樣土體處于非飽和狀態(tài)時，土體中的連通孔隙所產(chǎn)生的負孔隙水壓力和表面張力綜合作用比較明顯，宏觀表現(xiàn)即為土體的抗拉強度較大；當試樣土體轉(zhuǎn)化為飽和狀態(tài)時，土體中孔隙處于閉合狀態(tài)，土體中氣相被排除，負孔隙水壓力消失，表面張力作用變得極小，宏觀表現(xiàn)即為土體的抗拉強度變小。

在我們對土體吸力的研究中發(fā)現(xiàn)土體吸力與土體含水率密切相關(guān)，土體含水率越低，土體中的吸力越小。在非飽和土力學(xué)中，吸力被認為是土體中水的一種能量狀態(tài)，而水的能量影響著水的存在形式和水-土之間的相互作用，進而影響顆粒間的黏結(jié)強度。因此，由吸力引起的吸附作用是抗拉強度的一個重要組成部分，吸力的變化必然引起抗拉強度的變化。含水率越小，顆粒間的吸力越大，顆粒之間的膠結(jié)強度越高，承受拉應(yīng)力的能力越強，也即土體的抗拉強度越高。

5 結(jié) 論

本文利用軸向壓裂法對膨脹土進行了抗拉強度試驗，主要研究了不同壓實度、不同初始含水率、不同制樣方法、飽和度以及吸力對膨脹土抗拉強度的影響。試驗所得主要結(jié)論如下：

(1) 在含水率不變的條件下，壓實膨脹土的抗拉強度隨著壓實度的增大而增大；在壓實度不變的條件下，膨脹土的抗拉強度隨著含水率的增大而減小。

(2) 在壓實度一定的條件下，制樣條件對壓實膨脹土的抗拉強度有較大影響，其中相同目標含水率條件下失水試樣和吸水試樣的抗拉強度相比正常試樣的抗拉強度均有所下降，并且隨著目標含水率與制樣起始含水率的差距的增大，失水試樣和吸水試樣的強度損失呈增大趨勢。

(3) 正常制樣條件下壓實度一定的非飽和樣達到飽和狀態(tài)后，其抗拉強度顯著減小，相同含水率條件下，非飽和樣與飽和樣的抗拉強度之比最大可達4倍，最小也在2倍以上。同時吸力的變化必然引起抗拉強度的變化。

[1] 馬芹永.人工凍土單軸抗拉、抗壓強度的試驗研究[J].巖土力學(xué)，1996，17(3): 76-81.

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[11]FANG H Y, CHEN W F. Further Study of Double-punch Test for Tensile Strength of Soils[C]∥Southeast Asian Society of Soil Engineering. Proceedings of the Third Southeast Asian Conference on Soil Engineering, Hong Kong, November 6-10, 1972: 236-242.

(編輯：姜小蘭)

Experimental Study on Tensile Strength of Compacted Expansive Soil

HUANG Ke1,2, JIANG Chong1,2,CHEN Qing1,2,WU Bing1,2

(1.Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering under Ministry of Education，Hohai University， Nanjing 210098，China; 2.Engineering Research Center of Geotechnical Engineering Technologies of Jiangsu Province，Hohai University，Nanjing 210098，China)

The generation of shrinkage cracks in expansive soil in wetting-drying cycle is related to its tensile strength, which must be considered in researching the swell-shrink mechanism of expansive soil as it plays an important role in resisting the development of dry shrinkage cracks. In this research, compacted cylindrical specimens of expansive soil from Gaochun, Nanjing are taken for tensile strength test with axial compress fracture method to investigate the influences of different factors such as degree of compaction, initial moisture content, specimen preparation method, degree of saturation and suction of compaction on tensile strength. Results show that 1) tensile strength of compacted expansive soil increases with the increase of degree of compaction, but decreases with the increase of moisture content; 2) tensile strength can be weakened both by losing water and absorbing water, and the weakening by the latter is more obvious; 3) when the sample changes from unsaturated state to saturated state, its tensile strength reduces remarkably with the reducing ratio up to 80%.

expansive soil; degree of compaction; CBR; tensile strength; axial compression fracture method

2016-04-26；

2016-05-20

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目(KYLX15-0469)

黃 珂(1992-)，女，安徽宿州人，碩士研究生，主要研究方向為土的靜動力學(xué)特性、特殊土處治技術(shù)，(電話)15295521190(電子信箱)1421891789@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160407

2017,34(6):93-96

TU433

A

1001-5485(2017)06-0093-04