不同掺砂率下非饱和膨胀土强度特性研究

王杨盛 庄心善

(湖北工业大学土木建筑与环境学院 湖北 武汉 430068)

前言

膨胀土具有浸水剧烈膨胀，失水发生强烈体缩的特点。此类土在天然状态下一般强度较高，易被误判为工程性质良好地基并对建筑物造成严重损害。孔令伟、郭爱国等[1]认为弱膨胀土可用于实际路堤工程，并针对其强度提出改良方法。杨俊等[2-4]对饱和含风化砂膨胀土在不同含砂率下进行膨胀率进行对比并对边坡稳定性机理进行了研究，认为在路基填筑中有效的控制压实度及其上覆荷载可有效抑制膨胀土膨胀变形。边加敏、王保田[5]针对初始含水率对抗剪强度参数影响分析发现二者呈负相关。

本文采用合肥某路段膨胀土，在有侧限及相同含水率条件下研究不同初始含砂率、不同初始干密度风化砂改良膨胀土式样的强度参数关系。

1 试验材料及基本方案

1.1 试验材料基本物理性质

遵从就地取材原则，试验土样选自安徽合肥某段公路，此膨胀土颗粒均匀，结构较为紧密。土体自由膨胀率指标44%；根据《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)得出该土属于弱膨胀土。风化砂同样取自安徽合肥某公路，为控制粒径对改良膨胀土的影响，将自然条件下风化砂进行筛分，取有效粒径0.75mm～1mm范围内风化砂进行土样配制。

风化砂不均匀系数Cu=2.81，小于5，根据《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)知该风化砂属于级配不良型。

结合《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)，按照规范标准条件进行击实试验，得出式样不同掺砂率下最大干密度以及最优含水率为17.65%。

1.2 试验方案

本实验依据《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)标准将风化砂及膨胀土过2mm筛，放置在105℃～110℃烘箱烘烤24h至恒重并采用控制初始干密度为1.7g/cm3、含水率为18%条件下设定以8%等差值掺砂量配置风化砂掺入膨胀土并均匀混合放入直径38mm的三瓣模将湿土分四层击实，三瓣模击满后将三瓣模放入饱和器中饱和48小时。固结排水试验进行了基质吸力(Ψ)控制为0kPa、100kPa、200kPa、300kPa、净围压(σ3—ua)为50kPa、100kPa、200kPa；掺砂率为0%、8%、16%、24%、32%、40%，以0.005mm/min的剪切速率以目标轴向应变为20%时完成试验。

2 试验结果及分析

2.1 应力—应变分析

从总体上看非饱和掺砂土样与饱和风化砂改良膨胀土应力—应变曲线有着相同的趋势：随着应变的增大主应力差随之增大且应力—应变曲线符合双曲线模型并呈硬化型；初始切线弹性模量与应变为负相关关系；掺砂率16%时土体拥有最大主应力差，掺砂率大于32%后对偏应力有着较大折减。

从图看出土体在饱和状态下，应力—应变曲线拐点随掺砂率增大呈后移但达到最优掺砂率16%后开始前移。当掺砂率0%时拐点出现在应变5.81%处，而随着掺砂率增大至16%时拐点处为9.25%，当掺砂率达到32%及40%时拐点分别提前至2.81%与2.25%。

笔者认为应力—应变的曲线拐点与其掺砂量导致结构内部矿物成分改变从而使土体内部孔隙比产生变化有关；随着掺砂率的增大土体内部结构砂颗粒与土颗粒达到最优排列方式但随着砂含量继续增大导致其最优排列破坏，孔隙比呈先减小后增大状态，由于弹性模量是与孔隙比变化有关的函数，故模量拐点的在孔隙比最小时达到峰值顶点，随着孔隙比到最大时弹性模量拐点最小。

取应变为15%时偏应力做出不同吸力下偏应力—掺砂率曲线如图3，发现基质吸力与偏应力之间存在正相关关系，且在小于32%掺砂率下基质吸力对式样偏应力的贡献呈先增大后减小趋势，当掺砂率大于32%时此关系不成立。

这是由于基质吸力所贡献的表观粘聚力对土体强度产生正影响，当基质吸力逐渐增大过程中式样饱和度逐渐降低，随着式样进气值增大，孔隙水变得不连续土体颗粒间凹液面数量减少而导致基质吸力无法对此类土体颗粒产生表观粘聚力最终导致吸力对其抗剪强度贡献减小。

土体饱和状态下随着掺砂率逐渐趋于最优，其强度呈现减速上涨，土体非饱和状态下则为加速上涨。此现象表明土体掺砂后砂颗粒置换土颗粒所产生的强度贡献小于土体间基质吸力产生表观粘聚力对强度的贡献。

(a)0kPa吸力图2 不同掺砂率下应力—应变曲线

3 结论

(1)不同掺砂率下试样应变的增大主应力差随之增大且应力—应变曲线符合双曲线模型并呈硬化型，且掺砂率16%时土体拥有最大主应力差，掺砂率大于32%后对抗剪强度折减系数较高。

(2)非饱和土掺砂后砂颗粒置换土颗粒所产生的强度贡献小于土体间基质吸力产生表观粘聚力对强度的贡献。

图3 不同吸力下偏应力—掺砂率曲线

[1] 孔令伟，郭爱国，陈善雄， et al.膨胀土的承载强度特征与机制[J].水利学报，2004，35(11):54～61.

[2] 杨俊，黎新春，张国栋，唐云伟，梁勇.风化砂改良膨胀土机理及边坡稳定性分析[J].江苏大学学报(自然科学版)，2014，35(5):600～604.

[3] 杨俊，杨志，张国栋，唐云伟，谢支钢.初始干密度及掺砂比对膨胀土抗剪强度指标影响[J].地下空间与工程学报，2015，11(1):77～83.

[4] 杨俊，童磊，张国栋.初始含水率对风化砂改良膨胀土无侧限抗压强度的影响[J].地质科技情报，2014，33(6):213～218.

[5] 边加敏，王保田.含水量对非饱和土抗剪强度参数的影响研究[J].地下空间与工程学报，2011，7(1):17～21,43.