重塑弱膨脹土抗剪強度的環(huán)剪試驗研究

蔣曉慶,李永彪

(1.安徽廣播電視大學(xué) 開放學(xué)院,安徽 合肥 230022；2.安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程重點實驗室,安徽 合肥 230601)

邊坡穩(wěn)定性分析評價及設(shè)計中，土的殘余強度是不可忽略的因素。Skempton[1]最早提出殘余強度概念。殘余強度是指土體在經(jīng)過大位移剪切變形情況下，最終趨于保持穩(wěn)定的強度，反映土體剪切過程強度衰減的規(guī)律。環(huán)剪試驗?zāi)軠?zhǔn)確地測定土體的殘余強度，是一種空心扭剪試驗，剪切位移是無限的，且剪切過程中剪切面積保持不變，能夠滿足大變形位移的強度衰減研究[2-3]。

張笛等[4]采用ARS型環(huán)剪儀對滑帶土進行環(huán)剪試驗，認(rèn)為滑帶土殘余強度與剪切速率、法向應(yīng)力和含水率都有關(guān)系，殘余強度與法向應(yīng)力成正線性關(guān)系。洪勇等[5]通過改良的大型環(huán)剪儀測定粉質(zhì)黏土的殘余強度，提出在相同含水率和剪切速率下，殘余強度隨法向應(yīng)力的增大而增加。王煒等[6]通過HJ-1型環(huán)剪儀試驗確定重塑黃土的殘余強度，認(rèn)為正應(yīng)力越大，黃土的殘余強度越大；含水率越高，殘余強度越低，而且含水率與殘余內(nèi)摩擦角呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。胡再強等[7]通過反復(fù)剪切試驗和環(huán)剪試驗測定黃土的殘余強度，發(fā)現(xiàn)剪切試驗的殘余強度高于環(huán)剪試驗的殘余強度，認(rèn)為上下剪切盒由于反復(fù)剪切造成量力環(huán)測得的強度值包含上下剪切盒的摩擦力，導(dǎo)致結(jié)果偏大。吳迪等[8]對采用環(huán)剪儀測定原狀殘積土的殘余強度，認(rèn)為含水率對殘余內(nèi)摩擦角有顯著影響，而殘余內(nèi)摩擦角是影響殘余強度的最重要因素。張曉麗[9]采用直剪/殘余剪切試驗系統(tǒng)，對河北磁縣膨脹土進行了殘余強度的研究，發(fā)現(xiàn)在反復(fù)直剪過程中，土體剪應(yīng)力分布不均勻，剪切面相互接觸的面積隨位移的增大而減少，導(dǎo)致試樣的正應(yīng)力不穩(wěn)定，且反復(fù)直剪試驗受位移限制，造成膨脹土殘余強度測得值偏高。這一點同左巍然等[10]的研究結(jié)論相同，左巍然等通過反復(fù)直剪試驗測定某高速公路寧明灰白膨脹土的殘余強度，提出膨脹土的殘余強度和它的結(jié)構(gòu)及應(yīng)力歷史無關(guān)，可以采用重塑土樣測定膨脹土的殘余強度。

鑒于反復(fù)直剪試驗的缺陷，本文通過環(huán)剪儀對合肥地區(qū)弱膨脹土的殘余強度進行研究，以重塑膨脹土為試驗土樣，研究豎向應(yīng)力、含水率對重塑弱膨脹土殘余強度的影響，初步探討合肥地區(qū)重塑弱膨脹土的剪切特征，為揭示合肥地區(qū)膨脹土邊坡滑坡的穩(wěn)定性分析和設(shè)計提供理論參考。

1 試驗方法

1.1 試驗土樣

試驗選用的土樣來自安徽合肥包河區(qū)包公園某處，取土深度為2.5～4 m。土樣呈黃褐色，含少量球狀鐵錳結(jié)核。在室內(nèi)實驗室對該土樣進行常規(guī)的物理特性試驗，試驗指標(biāo)如表1。

表1弱膨脹土土樣的物理性質(zhì)
Table1Physical properties of weak expansive soil samples

指標(biāo)數(shù)值容重/(g·cm-3)2.09液限WL/%40.7塑性指數(shù)IP/%20.6含水率w/%19.4自由膨脹率σef/%39不同顆粒粒徑(mm)所占比例/%d>0.010.005≦d≦0.010.002≦d<0.0050

1.2 試驗設(shè)備

試驗采用的儀器為浙江土工儀器制造有限公司生產(chǎn)的STHJY型環(huán)剪儀，主要由扭矩顯示器、上部操作系統(tǒng)和下部操作系統(tǒng)構(gòu)成。上部操作系統(tǒng)包括試樣容器、豎向加荷部件、百分表等；下部操作系統(tǒng)包括砝碼、杠桿、水平度盤等。

試驗試樣為環(huán)形土樣，尺寸外徑為100 mm，內(nèi)徑為60 mm，高為 20 mm。對試樣所能施加的最大法向應(yīng)力為 900 kPa，扭矩傳感器所能測量的扭矩最大值為300 N·m，轉(zhuǎn)速最大值為90°/min，試驗的剪切速度為1°/min。

1.3 試驗步驟

將土樣放置在105 ℃干燥烘箱機烘干8～10 h，取出后進行碾碎并過0.5 mm篩；按照設(shè)計含水率18%、20%、22%、24%，分別對土樣及純凈水準(zhǔn)確稱重，再用噴霧瓶對土樣進行均勻噴灑；攪拌均勻后放入保鮮袋中密封，然后放入保濕箱養(yǎng)護24 h，保證水土充分混合，養(yǎng)護后測得的實際含水率分別為17.4%、19.5%、21.3%、23.2%；將土樣分別放入專門制環(huán)刀土樣容器并擊實，再用千斤頂頂出土樣，放入環(huán)剪儀剪切盒內(nèi)。實驗中,豎向應(yīng)力加載前將土樣固結(jié)24 h。

環(huán)剪試驗方法大致有3種，一種是單級單次剪切，這種方法缺點是系統(tǒng)偏差過大，殘余強度值偏大。一種是同級多次剪切，這種方法為一個土樣在同一個豎向應(yīng)力作用下，連續(xù)剪切4次且最后3次殘余強度值比較接近。該方法的優(yōu)點是系統(tǒng)偏差較小，試驗數(shù)值準(zhǔn)確；缺點是每次試驗持續(xù)時間長，不同應(yīng)力試驗時都要重新配置土樣，試驗過程繁瑣。最后一種是多級剪切，即同一個試樣分別在不同豎向應(yīng)力作用下測定其殘余強度。這種方法優(yōu)點是試驗周期短，且不需要多次配置土樣，試驗方便；缺點是測定結(jié)果很粗略，不準(zhǔn)確。

本文為了精確測定合肥地區(qū)弱膨脹土的殘余強度，采取同級4次剪切試驗，豎向應(yīng)力分別為100、200、300、400 kPa。

2 試驗結(jié)果分析

環(huán)剪試驗的扭矩顯示器得出的曲線圖為M-θ關(guān)系曲線，根據(jù)環(huán)剪試驗理論,假定剪切面上正應(yīng)力和剪應(yīng)力是均勻分布的，得到剪切應(yīng)力τ和剪切位移S的計算公式如下：

(1)

s=π·Dm·v·t/360

(2)

式中：M為試驗扭矩,N·mm；D1為內(nèi)環(huán)直徑,mm；D2為外環(huán)直徑,mm；Dm為公稱直徑,mm；v為剪切速度,°/min；t為剪切時間,s。

根據(jù)式1可得試驗的殘余強度值，如表2所示。根據(jù)表2得到不同含水率下豎向應(yīng)力與殘余強度的關(guān)系圖，見圖1。由圖1可知：在相同含水率下，隨著豎向應(yīng)力的增加，弱膨脹土的殘余強度在增加。通過數(shù)據(jù)擬合分析發(fā)現(xiàn)，殘余強度與豎向應(yīng)力呈現(xiàn)較強的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R分別為0.958 0、0.966 8、0.949 6、0.954 0。顯然，殘余強度與豎向應(yīng)力之間的關(guān)系是符合Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的。在相同豎向應(yīng)力作用下，殘余強度隨著含水率的升高而不斷降低。當(dāng)σ=100、200、300、400 kPa時，在w=17.4%和w=23.2%下，殘余強度差值分別為16.5、30.5、42.2、43.0 kPa。顯然，豎向應(yīng)力越大，隨著含水率的增大，殘余強度降低幅度越大。

表2各組土樣的殘余強度測定值表
Table2Table of residual strength measured values of different groups of soil samples kPa

豎向應(yīng)力σ含水率/%17.419.521.323.210054.751.340.338.220099.894.276.269.3300120.4106.593.278.2400132.3125.6100.389.3

圖1 不同含水率下豎向應(yīng)力與殘余強度關(guān)系曲線Fig 1 Relationship curve between vertical stress and residual strength under different water content

由于殘余強度與豎向應(yīng)力之間的關(guān)系符合Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，根據(jù)Mohr-Coulomb準(zhǔn)則進行數(shù)值擬合，得出不同含水率與殘余強度內(nèi)摩擦角φ和殘余黏聚力c之間的關(guān)系，見表3。由表3可知，隨著含水率的增加，殘余強度內(nèi)摩擦角φ和殘余黏聚力c均呈減小趨勢。其中φ隨著含水率的增加降低幅度在逐漸加大，c隨著含水率的增加降低幅度呈先增大后減小的趨勢，這是由于合肥地區(qū)弱膨脹土的礦物成分以伊利石為主，在伊利石顆粒吸水之后發(fā)生溶解，促使顆粒之間水膜加厚，摩擦強度變小，導(dǎo)致φ和c的降低。

圖2為殘余內(nèi)摩擦角φ與含水率w之間的關(guān)系。由圖2可以看出殘余內(nèi)摩擦角φ與含水率w之間呈良好的負(fù)指數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=0.993 3。

表3不同含水率的殘余強度參數(shù)表
Table3Table of residual strength parameters with different water content

殘余強度參數(shù)含水率/%17.4 19.5 21.3 23.2殘余內(nèi)摩擦角φ/(°)14.212.911.19.2殘余黏聚力c/kPa38.537.428.328.2

圖2 不同含水率與殘余內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線Fig 2 Relationship curve between different water content and residual internal friction angle

圖3為含水率為17.4%時，不同豎向應(yīng)力作用下的剪應(yīng)力—剪位移曲線(剪應(yīng)力和剪位移的大小通過式(1)和式(2)求得)。從圖3可以看出：首次剪切變形中，剪應(yīng)力在很短的時間內(nèi)達到峰值強度，然后逐漸衰減，基本上在20 mm以后強度趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象。但是經(jīng)過首次剪切之后，土樣沒有形成連續(xù)的剪切面，剪切破壞后剪切面附近土顆粒尚未充分形成定向排列，顆粒間的咬合摩擦作用還比較大，所以此時殘余強度比較大。經(jīng)過第2次剪切后，土樣基本上形成連續(xù)的剪切面，殘余強度出現(xiàn)快速降低；在經(jīng)過第3、4次剪切時，剪應(yīng)力呈現(xiàn)出基本穩(wěn)定狀態(tài)，即可以第4次的剪應(yīng)力穩(wěn)定值作為最終的殘余強度。

a σ=100 kPa

b σ=200 kPa

c σ=300 kPa

d σ=400 kPa 圖3 w=17.4%時不同豎向應(yīng)力作用下剪應(yīng)力—剪位移曲線Fig 3 Shear stress-shear displacement curve under different vertical stresses when w=17.4%

3 結(jié)論

(1)在相同的含水率下，殘余強度隨豎向應(yīng)力的增加而增大，并呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，符合Mohr-Coulomb準(zhǔn)則；在相同的豎向應(yīng)力下，殘余強度隨含水率的增加呈降低趨勢，且含水率越大，豎向應(yīng)力越大，殘余強度降低幅度越大。

(2)隨著含水率的增加，膨脹土土樣的殘余強度內(nèi)摩擦角和殘余黏聚力均呈減小趨勢，但是兩者的降低幅度不同。通過數(shù)值擬合可以發(fā)現(xiàn)，殘余內(nèi)摩擦角與含水率呈良好的負(fù)指數(shù)關(guān)系。

(3)試驗所采用的合肥地區(qū)弱膨脹土在環(huán)剪試驗中出現(xiàn)了應(yīng)變軟化現(xiàn)象，這主要與土體剪切面的連續(xù)性和黏土顆粒的定向排列有關(guān)。應(yīng)變軟化現(xiàn)象主要發(fā)生在第一次剪切變形中，此時的殘余強度值偏大，經(jīng)過后面3次剪切，變形曲線逐漸平穩(wěn)，殘余強度變化幅度較小，剪應(yīng)力趨于穩(wěn)定的殘余狀態(tài)，最終以第4次剪切的強度穩(wěn)定值作為殘余強度。