非饱和南阳膨胀土的剪切强度及其预测

孙红云,孙德安

(上海大学土木工程系,上海 200444)

非饱和南阳膨胀土的剪切强度及其预测

孙红云,孙德安

(上海大学土木工程系,上海 200444)

膨胀土是一种随含水率变化而具有吸水膨胀、失水收缩特性的特殊土,与普通黏土相比,含水率对其强度特性影响更为显著.为了探讨含水率对膨胀土强度的影响,对压实南阳膨胀土进行了一系列直剪试验,得到了在相同干密度及不同含水率条件下的抗剪强度.试验结果表明,南阳膨胀土的抗剪强度和黏聚力均随含水率的增大而减小,内摩擦角受含水率的变化影响不大.此外,把宏观饱和度引入Bishop非饱和土强度公式中,对试验结果与修正强度公式的计算值进行比较,结果表明修正后的Bishop非饱和土强度公式可以较为精确地预测出非饱和膨胀土的强度.

膨胀土;非饱和土;抗剪强度

膨胀土是一种吸水膨胀、失水收缩的特殊土,其矿物成分有蒙脱石和伊利石等亲水性黏粒矿物,具有强吸水性、多裂隙性、强超固结性、快速崩解及反复胀缩性等特性[1].近几十年来,因膨胀土的各类工程病害导致严重经济损失的工程实例很多,膨胀土的工程性能问题已成为国内外岩土工程问题中亟待解决的技术难题.

土的重要力学性质之一是土的强度,而与一般黏土相比膨胀土的强度变化更为复杂,这是因为作为多裂隙结构的土体,在多数情况下膨胀土的裂隙分布是随机的;同时膨胀土中的亲水性黏粒矿物遇水发生软化,从而导致土体强度大幅度衰减,所以膨胀土的强度易随各种外界条件而发生变化[2].膨胀土的强度表征了膨胀土体抵抗剪切破坏能力,故研究膨胀土抗剪强度与含水率的关系是非常有必要的.

目前,国内外已有不少学者对膨胀土的强度特性进行了研究.杨庆等[2]通过直剪试验得到黏聚力的对数和内摩擦角均随含水率的增大线性减小的结论,并指出非饱和膨胀土的吸附强度与膨胀力之间存在较好的线性关系;詹良通等[3]利用非饱和土直剪仪对非饱和原状样和压实样进行吸力控制的直剪试验,得到膨胀土原状样和压实样的剪胀势随着吸力增加而增大、吸力对膨胀土抗剪强度的影响高于压实高岭土的结论;刘斯宏等[4]对不同竖向荷载作用下的南阳膨胀土浸水膨胀变形和膨胀后的试样进行了强度试验,得到了南阳膨胀土浸水膨胀率与浸水膨胀过程中所受的竖向荷载的关系,以及膨胀完成后试样的抗剪强度指标(c,φ值)与竖向荷载的变化规律;张添峰等[5]对干密度相同而含水率不同的压实桂林红黏土试样进行了一系列固结快剪试验,得到了黏聚力和内摩擦角与初始含水率的关系,并将试验结果与Bishop和Fredlund非饱和土强度公式的计算值进行比较,指出目前非饱和土强度公式无法预测非饱和桂林红黏土的强度;Al-Mhaidib等[6]对膨胀页岩试样进行了不同初始含水率和围压条件下的膨胀试验,结果表明膨胀量对膨胀土的抗剪强度有着显著的影响;Fredlund等[7]提出了一种可以预测非饱和土剪切强度的模型,该模型利用土水特征曲线和饱和土的抗剪强度参数,即可对非饱和土的剪切强度进行较好的预测.

本工作对非饱和南阳膨胀土进行了直剪试验,探讨了不同含水率对非饱和膨胀土抗剪强度的影响,并从非饱和土力学的角度,在引入宏观饱和度的概念后,利用修正后的Bishop有效应力公式对非饱和南阳膨胀土的抗剪强度进行了预测.

1 土样及试验方法

1.1 试验材料

试验所用土样为南阳膨胀土,取自南水北调工程中线南阳段南阳市卧龙区卧姜沟乡,取土深度为4 m,其基本物理性质指标如表1所示.按照《膨胀土地区建筑技术规范》[8]的分类,该土为低膨胀性膨胀土.

表1 南阳膨胀土基本物理指标Table 1 Basic physical properties of Nanyang expansive soil

1.2 试验仪器

试验仪器采用美国Humboldt公司生产的HM-2560A.3F型直剪仪,该直剪仪为气动直剪仪,是利用气压源对土样施加竖向荷载.与传统直剪仪相比,该直剪仪自动化程度高,量测更加精确.

1.3 试验方法

试样的制备采用常规的环刀法,试样的目标干密度均为1.5 g/cm3,4组非饱和试样的初始含水率分别为13%,16%,19%和22%,而一组饱和试样的初始含水率约为30%,通过抽气饱和得到.试样的直径和高度分别为49.6和15 mm.对非饱和试样采用固结快剪,这是因为在剪切过程中吸力基本保持恒定,而对饱和或接近饱和试样均采用固结慢剪,这样不至于产生正孔隙水压.具体试验方案如表2所示,试验操作按相关规范[9]进行.为了避免饱和试样在固结和剪切过程中非饱和化,在进行直剪试验时剪切盒内注满水.具体试验步骤如下:

(1)根据试验设定的含水率配制土样;

(2)取设定含水率土样质量,进行压实制样;

(3)将试样放入直剪仪的剪切盒内,施加所需竖向压力,每组4个试样分别施加100,200, 300,400 kPa的竖向压力;

(4)待固结稳定即每小时试样竖向变形不超过0.01 mm时,对每个试样以速率0.8 mm/min进行快剪,对饱和试样以速率0.02 mm/min进行慢剪,直至剪切位移达到6 mm.

表2 试验方案Table 2 Plan of tests

一组4个试样固结快剪试验结束后,可得到对应于4个不同竖向压力的抗剪强度值,从而整理得到一组土样的强度指标,即黏聚力c和内摩擦角φ.

2 试验结果及分析

初始含水率分别为13%,16%,19%,22%和30%的试样在不同竖向荷载作用下的直剪试验结果如图1所示.从图中可以看出,对于同一含水率的土样,竖向压力越大,对土的约束就越大,试样的强度也越大.此外,除了含水率为13%、垂直压力为100和200 kPa的两个非饱和膨胀土试样具有明显的峰值强度(类似于超固结土的剪切特性,呈明显的应变软化特性)之外,其他试样的峰值强度不明显,剪切强度趋于稳定,剪切应力与剪切位移关系曲线为硬化型.

图2为不同含水率试样的抗剪强度.对含水率为13%,16%,19%和22%的4组非饱和样进行固结快剪试验,对初始含水率为30%的1组饱和样进行固结慢剪试验.试样的初始状态及强度参数如表3所示.表3中的e0为4个试样初始孔隙比的平均值,Sr为试样固结完成后饱和度的平均值.

图1不同竖向压力作用下的直剪试验结果Fig.1 Direct shear test results at diferent vertical pressures

图2不同含水率的非饱和南阳膨胀土试样的抗剪强度Fig.2 Shear strength of unsaturated Nanyang expansive soil with diferent water contents

表3直剪试验试样的初始及强度参数Table 3 Initial and strength parameters of samples from direct shear tests

从试验结果可以看出,膨胀土的抗剪强度随含水率的增大而减小;黏聚力受含水率影响较大,随着含水率的增大呈下降趋势,从150.5 kPa下降到13.3 kPa;内摩擦角在23.1°～26.0°之间变化,受含水率影响较小,这是因为非饱和土试样中存在负孔隙水压,随着含水率增大吸力减小,试样的表观黏聚力随之下降,从而抗剪强度随含水率的增大而减小.

3 非饱和膨胀土抗剪强度的预测

目前,在岩土学术和工程界广泛使用的非饱和土的强度公式主要有两类:Bishop公式和Fredlund公式.Bishop公式的实质是饱和土的Mohr-Coulomb强度公式,是将饱和土的有效应力替换为非饱和土的有效应力得到的;而Fredlund公式用独立的应力状态变量来表达非饱和土的抗剪强度,是以Mohr-Coulomb破坏准则为基础,用非饱和土独特的应力状态变量来描述非饱和土强度[2].

本工作采用的预测方法是基于Bishop公式的非饱和土有效应力公式:

式中,c′为有效黏聚力,σ为法向应力,φ′为内摩擦角,ua为孔隙气压力,uw为孔隙水压力, (ua−uw)为基质吸力,χ为有效应力系数.

本试验测得的南阳膨胀土的土水特征曲线(见图3)与孙德安等[10]采用滤纸法测得的结果相同.利用该曲线,可以根据不同含水率得到所对应的吸力值s,这里确定有效应力的关键在于参数χ的确定.本工作中χ可直接用饱和度代替[11],即χ=Sr.

图3 南阳膨胀土的土水特征曲线Fig.3 Soil-water characteristic curves of Nanyang expansive soil

对压实样的微观孔隙进行研究发现,土体的孔隙可分为两种:一种是存在于土颗粒组成的团粒之间的大孔隙,这些大孔隙之间的连通性很好,对土体的渗透固结、压缩都有重要的影响;另一种孔隙为团粒内孔隙,其特点是分散性较大,但是孔隙孔径很小,各孔隙之间的连通性较差.试样中的水分首先进入团粒内的小孔隙,小孔隙饱和后再填充团粒间的大孔隙.团粒内小孔隙处于饱和状态,或认为对抗剪强度不产生影响,只有大孔隙中的水对非饱和土抗剪强度产生作用.因此,土体的宏观饱和度SrM(即团粒间的孔隙水量扣除团粒内的孔隙水量)对非饱和引起的强度有贡献.

综上所述,式(1)可修正为利用式(2)即可对南阳膨胀土的抗剪强度进行预测计算.式(2)中的总应力σ是给定的,孔隙气压力ua为0,c′和φ′可以通过饱和土的强度试验测得.根据试样的含水率,从图3的土水特征曲线可估算出吸力值(s=ua−uw),估算时用内插方法来考量孔隙比的影响.宏观饱和度SrM为试样固结后的饱和度Sr减去微观饱和度Srm.

对南阳膨胀土的干密度为1.5 g/cm3压实样进行了压汞试验.试验所用压汞仪的型号为Micromeritics AutoPoreⅣ,低压范围为4～207 kPa,高压范围为207～413 700 kPa.图4为南阳膨胀土的压汞试验结果.根据图4(a),团粒内的孔隙(微观孔隙)的最大直径在200 nm左右;而从图4(b)可得,孔径4～200 nm的微观孔隙占总孔隙的21.2%,即微观饱和度Srm约为21.2%.由此,可以得到宏观饱和度SrM=Sr−Srm.

图4 南阳膨胀土的压汞试验结果Fig.4 Results of mercury intrusion test on Nanyang expansive soil

将计算所得的抗剪强度与实测值进行了对比.利用式(1),并假定有效应力系数χ等于饱和度,即χ=Sr,可得到如图5(a)所示的抗剪强度预测结果.比较预测和实测的抗剪强度可知,式(1)的预测结果明显高于实测值.图5(b)为利用宏观饱和度的预测公式(式(2))得到的结果与实测值比较,二者比较接近,尤其是在较低含水率的情况下,可以较好地预测非饱和膨胀土的抗剪强度.因此,利用修正后的非饱和土强度公式(式(2))可更好地预测南阳膨胀土的抗剪强度.

图5 膨胀土的抗剪强度预测Fig.5 Prediction of shear strength for expansive soil

4 结论

(1)南阳膨胀土的抗剪强度随含水率的增大而减小,黏聚力也随着含水率的增大而减小,而内摩擦角受含水率影响较小,变化不大.

(2)利用Bishop非饱和土强度公式对南阳膨胀土的抗剪强度进行预测时,用宏观饱和度代替有效应力系数的强度预测值与实测值比较接近,而用普通饱和度代替有效应力系数的非饱和土强度预测值与实测值相差较大.

[1]刘特洪.工程建设中的膨胀土问题[M].北京:中国建筑工业出版社,1997:173-174.

[2]杨庆,张慧珍,栾茂田.非饱和膨胀土抗剪强度的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(3): 420-425.

[3]詹良通,吴宏伟.吸力对非饱和膨胀土抗剪强度及剪胀特性的影响[J].岩土工程学报,2007,29(1): 82-87.

[4]刘斯宏,汪易森,朱克生,等.有荷条件下南阳膨胀土强度试验及其应用[J].水利学报,2010,41(3): 361-367.

[5]张添锋,孙德安,刘文捷.桂林压实红粘土抗剪强度与含水率关系[J].上海大学学报(自然科学版), 2014,20(5):586-595.

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Shear strength of unsaturated Nanyang expansive soil and its prediction

SUN Hongyun,SUN Dean
(Department of Civil Engineering,Shanghai University,Shanghai 200444,China)

Expansive soil is a problematic soil with swelling and shrinkage.Compared with ordinary clay,the strength is clearly afected by water content.To investigate the efect of water content on the strength of expansive soil,a series of direct shear tests on Nanyang expansive soil with diferent water contents were carried out.Relationship between shear strength and water content at the same dry density was obtained.Test results show that the shear strength and cohesion decrease with increasing water content,and the internal friction angle changes little.In addition,by introducing macro saturation into the Bishop’s equation for unsaturated soil,the results show that the modifed strength equation can well predict strength of unsaturated expansive soil.

expansive soil;unsaturated soil;shear strength

TU 443

A

1007-2861(2017)01-0121-07

10.3969/j.issn.1007-2861.2015.01.018

2015-02-03

国家自然科学基金资助项目(11672172)

孙德安(1962—),男,教授,博士生导师,博士,研究方向为非饱和土力学.E-mail:sundean@shu.edu.cn