哈密重塑非飽和膨脹土三軸試驗研究

王 瑜，王偉星，劉 錕，王正成，褚紅梅

（中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

隨著科技的進步和土木工程的發(fā)展，由膨脹土所引發(fā)的工程問題逐步被認知，近年來國內(nèi)外學者對膨脹土的非飽和強度特性進行了大量研究。陳立宏[1]利用線性回歸統(tǒng)計分析試驗資料，認為p-q 曲線法較包絡(luò)線法更為精確，但仍會高估內(nèi)摩擦角、低估粘聚力；馮濤[2]通過超固結(jié)土的三軸試驗，得出土體的超固結(jié)特性會對三軸試驗結(jié)果產(chǎn)生影響；盧再華[3]對南陽膨脹土的排水剪切試驗，認為膨脹土在非飽和狀態(tài)下的內(nèi)摩擦角近似等于飽和狀態(tài)下的有效內(nèi)摩擦角,總粘聚力隨吸力增加而線性增大；謝定義[4]通過試驗從變形和強度兩個方面證明了土結(jié)構(gòu)性參數(shù)具有明顯的合理性、廣泛性、靈敏性和穩(wěn)定性；詹良通[5]研究了吸力變化對非飽和膨脹土變形和抗剪強度特性的影響；繆林昌[6]以南陽膨脹土的強度特性作為研究對象,依據(jù)常規(guī)三軸試驗結(jié)果提出了非飽和膨脹土的吸力強度與飽和度之間的非線性關(guān)系式；謝云[7]對重塑膨脹土膨脹力隨含水量和干密度的變化規(guī)律進行研究，提出膨脹力與初始含水量和干密度的關(guān)系式；劉金禹[8]利用Excel 的數(shù)據(jù)處理功能使得三軸試驗數(shù)據(jù)處理過程變得簡單；張宗堂[9]利用三軸試驗研究摻入石灰量改變膨脹土的強度和膨脹性；楊同[10]根據(jù)包絡(luò)線定理,通過求解三軸試驗應(yīng)力圓包絡(luò)線,得到粘聚力c 與σc成正比,隨K 增大而下降，內(nèi)摩擦角φ 只隨K 增大單調(diào)升高；李順群[11]、曹岳嵩[12]、張朝暉[13]對常規(guī)三軸試驗中土樣的固結(jié)速率、破壞標準及破壞形式進行了研究、分類；申春妮[14]通過室內(nèi)試驗總結(jié)了非飽和土樣的抗剪強度的影響因素。

通過對哈密地區(qū)高速鐵路地基中的弱-中等膨脹土的重塑非飽和試樣的強度進行試驗及理論分析研究，通過理論推導將試驗結(jié)果應(yīng)用于實際工程中，為處理實際問題提供理論參考。

2 數(shù)據(jù)處理相關(guān)理論

目前對于三軸試驗數(shù)據(jù)處理的方法大致有以下幾種：包絡(luò)線法、矩法、線性回歸法、p-q 曲線法等。本文采用包絡(luò)線法和p-q 曲線法對重塑土樣三軸數(shù)據(jù)進行處理并對比分析。

包絡(luò)線法是將幾個相應(yīng)不同圍壓破壞的莫爾圓以（(σ1+σ3)/2，0）為圓心，(σ1-σ3)/2 為半徑繪制在τ1-σ 坐標系中，然后通過尋找這些圓的公切線來確定抗剪強度參數(shù)。

p-q 曲線法是將三軸試驗數(shù)據(jù)繪制在p-q 坐標系中（其中p=(σ1+σ3)/2，q=(σ1-σ3)/2），建立數(shù)學模型，利用最小二乘法對p、q 進行回歸，得出破壞主應(yīng)力線及其截距a 和斜率k，從而通過下列關(guān)系式計算土的抗剪強度參數(shù)。

q=a+pk

φ=sin-1k

c=a/cosφ

3 土樣準備、試驗過程及結(jié)果

3.1 土樣制備及過程

3.1.1 試驗設(shè)計及土樣制備

本次試驗土樣取自新疆哈密某高速鐵路路基膨脹性泥巖，由于原狀三軸試驗所需切削土樣中含有砂石，且硬度較大，不易在少擾動條件下切削制取三軸土樣，故本文采用重塑樣試驗。

重塑樣采用原狀土烘箱中烘干12h，破碎過篩，選取大于0.5mm 的土顆粒，在干燥器中待其冷卻至室溫，按照設(shè)計的不同含水率（本次試驗設(shè)計含水率分別為8.5%、10%、12%、14%，其中含水率選取的依據(jù)是天然含水率為3.77%，而室內(nèi)擊實試驗測得最優(yōu)含水率為16%，為了更好的根據(jù)重塑土樣試驗結(jié)果得出天然狀態(tài)下膨脹土的抗剪強度，在天然含水率和最優(yōu)含水率之間設(shè)置一定的含水率梯度，又考慮到室內(nèi)三軸試樣的制取難度，綜合設(shè)定上述含水率梯度）配制。配好土樣后，在陰涼濕潤處靜置24h。采用輕型三軸制樣器，按照設(shè)計的干密度（本文中試驗設(shè)計干密度為最大干密度的90%，即1.60g/cm3進行制樣）。試樣為高度12.5cm，直徑6.18cm 三軸圓柱土樣。制樣后，采用保鮮膜密封，靜置待用[15]。

3.1.2 試驗儀器及試驗過程

本次試驗采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的常規(guī)靜三軸儀，在土樣不飽和、不固結(jié)情況下，進行不排水試驗。加載速度采用1.25mm/min，記錄間隔8s 記錄量力環(huán)中千分表讀數(shù)。

3.2 泥巖的基本物理特性

由基本室內(nèi)物理、力學試驗得到該泥巖原狀土樣各種指標見表1、2、3。

表1 泥巖主要礦物成分

由表1 可知哈密膨脹性泥巖石英和斜長石含量較多，蒙脫石、伊利石和高嶺石含量不多，使得泥巖表現(xiàn)出弱-中膨脹。

由表2 可知哈密膨脹性泥巖為天然含水率較小、硬度較大、膨脹力較小、自由膨脹率較小的砂質(zhì)黏土，也說明該土樣具有一定的膨脹特性。

表2 泥巖的基本物理特性

由表3 可知哈密膨脹性泥巖為顆粒比較細的粒組為主，所以吸水特性明顯，即土樣表現(xiàn)為具有一定的膨脹性的親水性膨脹土。

表3 泥巖粒度分析結(jié)果

3.3 試驗結(jié)果

試驗中對土樣施加0kPa、50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa 圍壓，進行不固結(jié)不排水進行豎向加載試驗。試驗結(jié)果（取含水率為14%為例）如下：

由圖1 可得，當土樣含水率為14%、干密度為1.60g/cm3時，土樣的粘聚力為61.79kPa、內(nèi)摩擦角21.02°。

圖1 土樣含水率為14%時的應(yīng)力圓

在初始干密度相同時隨著含水率增大，由p-q曲線法所得的土樣內(nèi)摩擦角與包絡(luò)線所得結(jié)果趨勢大致相同，但p-q 曲線法所求內(nèi)摩擦角較大，且下降趨勢大致呈線性分布，如圖2 所示。

圖2 內(nèi)摩擦角對比圖

在初始干密度相同的條件下隨著含水率增大，由p-q 曲線法所得的土樣粘聚力與包絡(luò)線所得結(jié)果下降趨勢大致相同，但p-q 曲線法所求內(nèi)摩擦角較大，如圖3 所示。

圖3 粘聚力對比圖

根據(jù)陳立宏等學者認為p-q 曲線高估內(nèi)摩擦角、低估粘聚力的理論，由包絡(luò)線法所的結(jié)果較為接近真實內(nèi)摩擦角，由p-q 曲線法所得的粘聚力較為接近真實值。又因為人為因素對包絡(luò)線法所得結(jié)果影響較大，故而p-q 曲線法更為合理，本文選取p-q 曲線法所得結(jié)果進行分析。

由圖4 可知隨著含水率增大過程中，內(nèi)摩擦角逐漸減小，且關(guān)系曲線大致為線性。

圖4 含水率對內(nèi)摩擦角的影響

由圖5 可知隨著含水率增大過程中，粘聚力先是下降，且下降速度逐步減小，達到含水率為12%左右，粘聚力達到最小值，隨后，隨著含水率變大，粘聚力再次逐步變大。

圖5 含水率對粘聚力的影響

4 試驗結(jié)果分析

由圖1 至圖5 所示對哈密泥巖的非飽和重塑土樣進行非飽和不排水不固結(jié)剪切試驗可知：圖2 和圖4 都證明，隨著含水率增大，重塑膨脹土樣的內(nèi)摩擦角度逐漸變??；圖3 和圖5 也都證明，隨著含水率增大過程中，重塑膨脹土土樣的粘聚力先下降至最小，之后隨含水率的增加粘聚力略有增大，分析原因為：

1）隨著含水率增大，哈密非飽和重塑膨脹土樣的內(nèi)摩擦角度逐漸變小。在不飽和土樣中，隨著含水率增大，土顆粒外包裹的水膜厚度越來越厚，使得土顆粒間的咬合作用力大大減小，內(nèi)摩擦角也相應(yīng)減小，且大致為線性關(guān)系。

2）隨著含水率增大過程中，非飽和重塑膨脹土土樣的粘聚力先下降后上升。不飽和土樣中，含水率增大，土顆粒間的水膜逐漸變大，使得土顆粒的咬合作用力和庫侖力都相應(yīng)減小，所以粘聚力出現(xiàn)陡降現(xiàn)象。但是含水率繼續(xù)增大，土樣逐步接近可塑狀態(tài)，土的粘聚力略有提升。

另外，對不飽和重塑膨脹土樣在一定圍壓下，施加一定的豎向應(yīng)力，土樣的體積先壓縮后膨脹，形成鼓狀，圓柱體土樣中間首先出現(xiàn)斜裂紋，隨軸向應(yīng)變增加，裂紋逐漸擴展，直至形成貫通的剪切面，土樣破壞。

5 結(jié)論

對哈密泥巖的非飽和重塑土樣進行不排水不固結(jié)剪切試驗，可以得到以下規(guī)律：

1）隨著含水率的增大，非飽和重塑土樣的內(nèi)摩擦角度逐漸變小。

2）隨著含水率增大過程中，非飽和土樣的粘聚力先下降后上升。且一開始下降速度較快，下降速度逐漸變小，直到粘聚力達到最小時下降速度為零。然后，粘聚力逐漸變大。在12%附近粘聚力最小，但是此規(guī)律由于本文試驗數(shù)據(jù)有限，對于其他土樣尚待研究。

3）從以上研究結(jié)果可知，在實際工程中，為了保證膨脹土的強度，應(yīng)控制邊坡土體含水量，并做好邊坡的防排水工程，保證邊坡土體含水率不發(fā)生大的變化，才能有效地提高邊坡安全性。