控制吸力下低應(yīng)力條件的合肥膨脹土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

侯超群，張榮健，李永鑫

（合肥工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引言

膨脹土因富含伊利石和蒙脫石等親水性礦物成分，具有明顯的脹縮性、超固結(jié)性和裂隙性特點(diǎn)，使得膨脹土在工程建設(shè)中成為一種特殊性土，不能直接用作建筑物基礎(chǔ)或者作為道路路基。對(duì)于膨脹土邊坡，在大氣急劇影響深度內(nèi)，土體的濕度、溫度等受外部環(huán)境影響顯著，呈現(xiàn)明顯的非飽和特征。已有文獻(xiàn)表明，膨脹土地區(qū)的邊坡容易出現(xiàn)淺層失穩(wěn)破壞，其破壞深度一般在2.5 m 內(nèi)［1］。邊坡淺層滑動(dòng)破裂面上所受上部土體應(yīng)力作用，處于低應(yīng)力條件，土體強(qiáng)度的非線(xiàn)性、應(yīng)變軟化是其典型表現(xiàn)，同時(shí)也影響到其穩(wěn)定狀態(tài)［2］。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）［3］進(jìn)行常規(guī)直剪或三軸試驗(yàn)而獲取的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，難以反映實(shí)際邊坡淺層滑動(dòng)破裂面上的土體強(qiáng)度特性。

為獲取非飽和膨脹土淺層邊坡滑面上土體的抗剪強(qiáng)度，探索膨脹土邊坡的淺層失穩(wěn)破壞機(jī)理，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者從試驗(yàn)方法、強(qiáng)度理論等多方面開(kāi)展了較為系統(tǒng)的研究，取得了一系列的科研成果。包承綱［4］指出膨脹土邊坡坍滑具有淺層性、漸進(jìn)性和長(zhǎng)期性等特點(diǎn)；肖杰等［5-6］利用直剪儀對(duì)南寧膨脹土進(jìn)行研究，指出干密度、干濕循環(huán)等因素對(duì)低應(yīng)力條件下土的抗剪強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)在低應(yīng)力段呈現(xiàn)明顯的非線(xiàn)性特征；楊和平等［7］利用高應(yīng)力段、低應(yīng)力段的不同直剪試驗(yàn)結(jié)果，得出黏聚力的顯著衰減是邊坡淺層坍滑的主要原因；徐筱等［8］發(fā)現(xiàn)處于低應(yīng)力條件下的試樣，在含水率低于塑限時(shí)，對(duì)試樣進(jìn)行剪切將會(huì)發(fā)生應(yīng)變軟化和剪切膨脹現(xiàn)象；蔡樹(shù)生［9］指出膨脹土因增濕而膨脹的同時(shí)，會(huì)引起淺層邊坡土體干密度減小，抗剪強(qiáng)度參數(shù)降低，最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞；高小云等［10］發(fā)現(xiàn)淺層土體在多次經(jīng)歷干濕循環(huán)、凍融循環(huán)和干濕-凍融循環(huán)后，土體顆粒的原有結(jié)構(gòu)被多次破壞，粒間聯(lián)結(jié)弱化，使土體黏聚力呈指數(shù)衰減，破壞強(qiáng)度會(huì)發(fā)生明顯衰減；殷宗澤等［11-12］詳細(xì)闡述裂隙和邊坡穩(wěn)定性的聯(lián)系，裂隙的出現(xiàn)會(huì)明顯降低邊坡土體的抗剪強(qiáng)度，削弱其抗滑能力，同時(shí)強(qiáng)調(diào)裂隙因素是邊坡穩(wěn)定性分析的關(guān)鍵部分。

目前，在對(duì)低應(yīng)力條件下膨脹土的強(qiáng)度特性研究中，多以直剪設(shè)備上覆壓力代替豎向壓力，土體水平向受力不能得到較好模擬；或者利用三軸儀器主要圍繞干密度、干濕循環(huán)、含水率、凍融循環(huán)和裂隙等進(jìn)行分析，對(duì)控制基質(zhì)吸力情況下的淺層非飽和膨脹土強(qiáng)度特性的研究較少。

綜上所述，本文以合肥膨脹土為研究對(duì)象，利用非飽和三軸儀，在控制基質(zhì)吸力的條件下，以?xún)魢鷫簽樵嚇犹峁?yīng)力環(huán)境，分別開(kāi)展含低應(yīng)力條件（15 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa）、常應(yīng)力條件（100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa），共8 組應(yīng)力條件下重塑樣的三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)低應(yīng)力條件與常應(yīng)力條件的試驗(yàn)結(jié)果、強(qiáng)度參數(shù)的比較，研究在低應(yīng)力條件下合肥膨脹土的非飽和強(qiáng)度特性，對(duì)于非飽和合肥膨脹土地區(qū)淺層邊坡防護(hù)具有重要的參考意義和工程實(shí)際價(jià)值。

1 試驗(yàn)方案

1.1 土樣的基本物理指標(biāo)

試驗(yàn)土樣取于合肥市永和路與寧西路交叉口，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）［3］測(cè)得土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1 所示。根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》（GB 50112—2013）［13］，該土分類(lèi)為弱膨脹性膨脹土。

表1 土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical property indexes of soil samples

1.2 試樣制備和試驗(yàn)方案

因取土現(xiàn)場(chǎng)很難采集均勻的原狀土樣，為避免原狀土樣不均勻性影響試驗(yàn)結(jié)果，本次試驗(yàn)控制試樣為干密度1.6 g/cm3的重塑樣，制備時(shí)保證試樣均勻［14］。

（1） 試驗(yàn)制備

① 原狀土風(fēng)干后進(jìn)行碾碎過(guò)篩，配制初始含水率為20%的土樣，并密封養(yǎng)護(hù)24 h，根據(jù)擊實(shí)法操作要求，分5 層進(jìn)行試樣制備，制成試樣要求重量為184.43 g，干密度為1.6 g/cm3，允許誤差小于0.02 g/cm3；② 制好的試樣置于真空裝置中進(jìn)行真空抽氣飽和，在維持負(fù)壓1 h 后，用水浸沒(méi)至少24 h，得到三軸試驗(yàn)所需飽和試樣；③ 利用非飽和三軸儀進(jìn)行控制吸力的固結(jié)排水以及剪切操作，剪切時(shí)試樣的軸向應(yīng)變至15%時(shí)停止剪切。

（2） 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)的具體方案如表2 所示。相同基質(zhì)吸力情況下做8 組不同應(yīng)力條件的剪切試驗(yàn)，本次試驗(yàn)共32 組?；|(zhì)吸力50～400 kPa 占據(jù)土樣土水特征中的主要過(guò)渡區(qū)間，該吸力范圍內(nèi)，隨著試樣含水率的降低，基質(zhì)吸力將顯著增大。破壞點(diǎn)選取根據(jù)《土工室內(nèi)試驗(yàn)教程》［15］規(guī)定：當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)存在峰值時(shí)，破壞點(diǎn)取在峰值點(diǎn)處；當(dāng)不存在峰值時(shí)，破壞點(diǎn)取在軸向應(yīng)變15%對(duì)應(yīng)處。

表2 三軸試驗(yàn)剪切方案Table 2 Triaxial test shear scheme

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變特征

合肥膨脹土試樣在低應(yīng)力、常應(yīng)力條件下進(jìn)行三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)后試樣大多數(shù)最終呈現(xiàn)鼓脹型破壞，只有在低應(yīng)力15 kPa 條件下，試樣呈現(xiàn)明顯的破壞截面。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果整理，得到應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)，如圖1 所示。同時(shí)所得到的破壞點(diǎn)數(shù)據(jù)如圖2 所示。

圖1 不同應(yīng)力下試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖Figure 1 Stress-strain relationship of soil samples under different stress levels

圖2 不同吸力下試樣破壞點(diǎn)應(yīng)力-凈圍壓關(guān)系圖Figure 2 Stress-net confining stress curve at damage point of soil sample under different suction conditions

由圖1 可以得出：在控制基質(zhì)吸力相同的情況下，抗剪強(qiáng)度隨著所受應(yīng)力的增加而增大，除低應(yīng)力15 kPa 試驗(yàn)組出現(xiàn)明顯峰值和應(yīng)變軟化現(xiàn)象外，其余應(yīng)力情況均呈現(xiàn)明顯的應(yīng)變硬化特征，同時(shí)偏應(yīng)力增長(zhǎng)速率也在不斷變小，趨于平穩(wěn)［16］。這是因?yàn)槲ο嗤瑮l件下，隨著試樣所受凈圍壓應(yīng)力越大其試樣自身的抗剪強(qiáng)度也會(huì)得到明顯增強(qiáng)。處于低應(yīng)力段的試樣在軸向應(yīng)變達(dá)到15%之前，偏應(yīng)力均達(dá)到破壞峰值，同時(shí)在達(dá)到峰值后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)趨于平緩或略微降低，表現(xiàn)為應(yīng)變軟化；處于常應(yīng)力段的試樣在達(dá)到軸向應(yīng)變15%時(shí)，卻仍有著明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且隨著應(yīng)力增大，增長(zhǎng)趨勢(shì)越強(qiáng)表現(xiàn)為應(yīng)變硬化。

由圖2 可以得出：在相同基質(zhì)吸力的情況下，隨著凈圍壓的增大，合肥膨脹土的破壞點(diǎn)偏應(yīng)力也明顯增大，低應(yīng)力條件下的膨脹土破壞點(diǎn)偏應(yīng)力偏小且曲線(xiàn)斜率更陡，在常應(yīng)力條件下曲線(xiàn)較為平緩，說(shuō)明在低應(yīng)力條件下膨脹土破壞點(diǎn)應(yīng)力會(huì)有明顯的衰減，這也是導(dǎo)致處于淺層邊坡發(fā)生坍塌失穩(wěn)的重要原因。同時(shí)在相同凈圍壓的情況下，破壞點(diǎn)偏應(yīng)力隨著基質(zhì)吸力的增大呈現(xiàn)明顯增大，抗剪強(qiáng)度得到明顯提高，即抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力的增大而增大，這是因?yàn)榛|(zhì)吸力與試樣含水率緊密相關(guān)，土中的含水率降低，導(dǎo)致土粒間的水膜變薄，基質(zhì)吸力增大時(shí)，結(jié)合水膜的膠結(jié)作用將得到提高，膨脹土的抗剪強(qiáng)度也會(huì)增強(qiáng)。

2.2 抗剪強(qiáng)度參數(shù)校正

本次求解抗剪強(qiáng)度參數(shù)，需要將控制不同基質(zhì)吸力和應(yīng)力狀態(tài)的非飽和土等效為飽和土進(jìn)行處理［17］。根據(jù)太沙基的有效應(yīng)力原理結(jié)合庫(kù)侖公式，可將飽和土抗剪強(qiáng)度τ表示為：

式中：σ為土體總應(yīng)力；σ′為有效法向應(yīng)力；uw為孔隙水壓力；c′和φ′分別為飽和土的有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角。

Fredlund 在采用雙應(yīng)力狀態(tài)變量的基礎(chǔ)上，基于莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論，提出的非飽和土雙應(yīng)力狀態(tài)變量抗剪強(qiáng)度公式為：

式中：ua為孔隙氣壓力；φb為基質(zhì)吸力所對(duì)應(yīng)的內(nèi)摩擦角。

將式（2）中的c′+(ua-uw)tanφb等效為飽和土強(qiáng)度公式中的有效黏聚力，即可作為非飽和土在該吸力條件下的“等效黏聚力c”。

以非線(xiàn)性規(guī)劃求解［18］的方式確定非飽和土樣在不同應(yīng)力狀態(tài)下的莫爾圓公切線(xiàn)，即校正前抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)，如圖3 所示。公切線(xiàn)的截距代表非飽和土在該吸力條件下的“等效黏聚力”，斜率代表非飽和土在該吸力條件下的有效內(nèi)摩擦角的正切值。已有研究指出［19］，土體在低應(yīng)力狀態(tài)下，其抗剪強(qiáng)度通常體現(xiàn)為非線(xiàn)性變化，所以本文將低應(yīng)力段的強(qiáng)度包線(xiàn)與常應(yīng)力段的強(qiáng)度包線(xiàn)進(jìn)行分段繪制，能更好地符合實(shí)際強(qiáng)度情況。

圖3 校正前不同吸力下土樣抗剪強(qiáng)度包線(xiàn)Figure 3 Shear strength envelope of soil sample before correction under different suction conditions

由圖3 可以得出：在控制基質(zhì)吸力相同的情況下，合肥膨脹土的全應(yīng)力段強(qiáng)度將呈現(xiàn)明顯的非線(xiàn)性增加，低應(yīng)力段時(shí)強(qiáng)度增速明顯較快，在常應(yīng)力段時(shí)強(qiáng)度增速而言較為穩(wěn)定平緩。

不同應(yīng)力段的試樣所受橡皮膜的約束影響程度不同，根據(jù)文獻(xiàn)［20］對(duì)橡皮膜約束處理為等效圍壓，得到校正前后不同土樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 校正前后土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 3 Shear strength indexes of soil sample before and after correction

由表3 可以看出：對(duì)橡皮膜進(jìn)行校正前后對(duì)比發(fā)現(xiàn)，橡皮膜校正前后試樣的等效黏聚力變化明顯，對(duì)有效內(nèi)摩擦角影響幾乎可以忽略，對(duì)低應(yīng)力段試樣，橡皮膜的徑向約束會(huì)使得土體等效黏聚力提高12%～19%，對(duì)常應(yīng)力段試樣，橡皮膜的徑向約束會(huì)使得土體等效黏聚力提高2%～9%，所以橡皮膜對(duì)低應(yīng)力段的結(jié)果影響更顯著。采用校正后的抗剪強(qiáng)度參數(shù)分析更為合理準(zhǔn)確。

3 抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響分析

3.1 等效黏聚力的影響分析

不同應(yīng)力段下等效黏聚力與基質(zhì)吸力的關(guān)系如圖4 所示。

圖4 不同應(yīng)力段試樣等效黏聚力與吸力的關(guān)系Figure 4 Relationship between equivalent cohesion and suction of soil sample at different stress levels

由圖4 可以得出：隨著基質(zhì)吸力的增大，相同應(yīng)力條件下的土體黏聚力呈現(xiàn)明顯增大，但低應(yīng)力段增速明顯比常應(yīng)力段緩慢。在相同基質(zhì)吸力的情況下，處于低應(yīng)力狀態(tài)的非飽和膨脹土的黏聚力都比處于常應(yīng)力狀態(tài)時(shí)小得多，在基質(zhì)吸力分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa 時(shí)，其低應(yīng)力狀態(tài)下的黏聚力較常應(yīng)力狀態(tài)分別減小40.01%、52.88%、56.33%、57.61%。土體中的黏聚力由各種土粒間的物理化學(xué)作用力組成，其中包括庫(kù)侖力、范德華力、膠結(jié)作用等，黏聚力可以區(qū)分成原始黏聚力和固化黏聚力，原始黏聚力來(lái)源于靜電力和范德華力，固化黏聚力主要為土粒間膠結(jié)物質(zhì)的膠結(jié)作用［21］。隨著基質(zhì)吸力的增大，非飽和土含水率將會(huì)降低，其土粒間水膜變薄，膠結(jié)作用得到提高，固化黏聚力會(huì)增大；膨脹土具有脹縮性的特點(diǎn)，在相同基質(zhì)吸力的情況下，膨脹土所受凈圍壓應(yīng)力越小，則土體的體積壓縮量越小，土顆粒的間距就越大，其原始黏聚力和固化黏聚力就會(huì)越小。已有研究說(shuō)明［22］，抗剪強(qiáng)度中的黏聚力指標(biāo)對(duì)于膨脹土邊坡的淺層破壞具有重要作用，在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，若土體自身的黏聚力越小，則邊坡的最危險(xiǎn)滑面深度越淺，導(dǎo)致邊坡淺層坍滑失穩(wěn)。

不同應(yīng)力段等效黏聚力與吸力的函數(shù)關(guān)系見(jiàn)表4。

表4 不同應(yīng)力段等效黏聚力與吸力的函數(shù)關(guān)系Table 4 Function relationship between equivalent cohesion and suction at different stress levels

由表4 的擬合結(jié)果分析可得：不同應(yīng)力段下的等效黏聚力與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系采用線(xiàn)性擬合、對(duì)數(shù)擬合，均具有良好擬合效果。

3.2 有效內(nèi)摩擦角的影響分析

不同應(yīng)力段下有效內(nèi)摩擦角與基質(zhì)吸力的關(guān)系如圖5 所示。

圖5 不同應(yīng)力段試樣有效內(nèi)摩擦角與吸力的關(guān)系Figure 5 Relationship between effective internal friction angle and suction of soil sample at different stress levels

由圖5 可以得出：低應(yīng)力狀態(tài)下的非飽和膨脹土有效內(nèi)摩擦角均比常應(yīng)力狀態(tài)的大。因?yàn)樵诘蛻?yīng)力條件下，膨脹土的抗剪強(qiáng)度將會(huì)發(fā)生明顯的降低，在強(qiáng)度包線(xiàn)上體現(xiàn)為斜率更大，即有效內(nèi)摩擦角要偏大。若將處在低應(yīng)力范圍內(nèi)的淺層邊坡膨脹土有效內(nèi)摩擦角取為常應(yīng)力段時(shí)，則會(huì)嚴(yán)重高估其土體黏聚力和邊坡最危險(xiǎn)滑面深度。而常應(yīng)力段有效內(nèi)摩擦角處在18°左右，即土體非飽和時(shí)臨界狀態(tài)內(nèi)摩擦角變化不大［23］。

對(duì)低應(yīng)力段下的有效內(nèi)摩擦角與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系進(jìn)行線(xiàn)性擬合，常應(yīng)力段下有效內(nèi)摩擦角變化不大，故取有效內(nèi)摩擦角結(jié)果平均值，結(jié)果如表5所示。

表5 不同應(yīng)力段有效內(nèi)摩擦角與吸力的函數(shù)關(guān)系Table 5 Function relationship between effective internal friction angle and suction at different stress levels

3.3 非飽和抗剪強(qiáng)度公式

以基質(zhì)吸力為自變量，對(duì)表4 中函數(shù)關(guān)系式進(jìn)行求導(dǎo)，可以得出tanφb關(guān)于基質(zhì)吸力的表達(dá)式，在表4線(xiàn)性函數(shù)擬合中，將強(qiáng)度包線(xiàn)的截距認(rèn)為是飽和土的有效黏聚力，結(jié)合表5 中有效內(nèi)摩擦角與基質(zhì)吸力的函數(shù)關(guān)系，可以得出不同應(yīng)力條件下非飽和膨脹土關(guān)于基質(zhì)吸力、凈圍壓應(yīng)力的抗剪強(qiáng)度公式，如表6 所示。

表6 不同應(yīng)力條件的合肥膨脹土抗剪強(qiáng)度表達(dá)式Table 6 Expressions of shear strength of Hefei expansive soil under different stress conditions

由表6 表達(dá)式中不同應(yīng)力條件的凈圍壓應(yīng)力、基質(zhì)吸力系數(shù)對(duì)比分析可得：基質(zhì)吸力對(duì)低應(yīng)力段非飽和土強(qiáng)度影響更小，而凈圍壓應(yīng)力對(duì)低應(yīng)力段非飽和土強(qiáng)度影響更大。因?yàn)樘幱诘蛻?yīng)力段的非飽和膨脹土，土粒間距大，基質(zhì)吸力對(duì)膠結(jié)作用影響不顯著，則基質(zhì)吸力對(duì)強(qiáng)度影響更小；而凈圍壓應(yīng)力的增大，能有效縮小其土粒間距，使得土粒間膠結(jié)作用得到顯著增強(qiáng)，則凈圍壓應(yīng)力對(duì)強(qiáng)度影響更大。

4 結(jié)論

（1） 當(dāng)膨脹土所受凈圍壓應(yīng)力不斷減弱時(shí)，土體體積壓縮量將減小，其相對(duì)密度會(huì)減小，且破壞點(diǎn)的偏應(yīng)力會(huì)明顯降低，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)會(huì)由明顯應(yīng)變硬化向應(yīng)變軟化過(guò)渡。在相同凈圍壓應(yīng)力下，非飽和膨脹土的抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著基質(zhì)吸力的增大而增大。

（2） 不同應(yīng)力條件對(duì)非飽和膨脹土的抗剪強(qiáng)度影響顯著，低應(yīng)力段抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯降低，具有非線(xiàn)性特點(diǎn)，常應(yīng)力段保持良好的線(xiàn)性增長(zhǎng)趨勢(shì)，對(duì)低應(yīng)力段、常應(yīng)力段的強(qiáng)度包線(xiàn)應(yīng)進(jìn)行分段繪制。

（3） 低應(yīng)力段的抗剪強(qiáng)度參數(shù)與常應(yīng)力段相比，其黏聚力顯著減小，內(nèi)摩擦角明顯增大，反映出膨脹土邊坡淺層坍滑失穩(wěn)的原因。

（4） 開(kāi)展控制吸力下不同應(yīng)力條件的合肥膨脹土三軸試驗(yàn)，有利于分析非飽和合肥膨脹土的淺層破壞特性，合理選取膨脹土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，對(duì)合肥地區(qū)膨脹土邊坡防護(hù)具有重要參考意義和工程實(shí)用價(jià)值。