哈密重塑非饱和膨胀土三轴试验研究

王 瑜，王伟星，刘 锟，王正成，褚红梅

（中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

1 概述

随着科技的进步和土木工程的发展，由膨胀土所引发的工程问题逐步被认知，近年来国内外学者对膨胀土的非饱和强度特性进行了大量研究。陈立宏[1]利用线性回归统计分析试验资料，认为p-q 曲线法较包络线法更为精确，但仍会高估内摩擦角、低估粘聚力；冯涛[2]通过超固结土的三轴试验，得出土体的超固结特性会对三轴试验结果产生影响；卢再华[3]对南阳膨胀土的排水剪切试验，认为膨胀土在非饱和状态下的内摩擦角近似等于饱和状态下的有效内摩擦角,总粘聚力随吸力增加而线性增大；谢定义[4]通过试验从变形和强度两个方面证明了土结构性参数具有明显的合理性、广泛性、灵敏性和稳定性；詹良通[5]研究了吸力变化对非饱和膨胀土变形和抗剪强度特性的影响；缪林昌[6]以南阳膨胀土的强度特性作为研究对象,依据常规三轴试验结果提出了非饱和膨胀土的吸力强度与饱和度之间的非线性关系式；谢云[7]对重塑膨胀土膨胀力随含水量和干密度的变化规律进行研究，提出膨胀力与初始含水量和干密度的关系式；刘金禹[8]利用Excel 的数据处理功能使得三轴试验数据处理过程变得简单；张宗堂[9]利用三轴试验研究掺入石灰量改变膨胀土的强度和膨胀性；杨同[10]根据包络线定理,通过求解三轴试验应力圆包络线,得到粘聚力c 与σc成正比,随K 增大而下降，内摩擦角φ 只随K 增大单调升高；李顺群[11]、曹岳嵩[12]、张朝晖[13]对常规三轴试验中土样的固结速率、破坏标准及破坏形式进行了研究、分类；申春妮[14]通过室内试验总结了非饱和土样的抗剪强度的影响因素。

通过对哈密地区高速铁路地基中的弱-中等膨胀土的重塑非饱和试样的强度进行试验及理论分析研究，通过理论推导将试验结果应用于实际工程中，为处理实际问题提供理论参考。

2 数据处理相关理论

目前对于三轴试验数据处理的方法大致有以下几种：包络线法、矩法、线性回归法、p-q 曲线法等。本文采用包络线法和p-q 曲线法对重塑土样三轴数据进行处理并对比分析。

包络线法是将几个相应不同围压破坏的莫尔圆以（(σ1+σ3)/2，0）为圆心，(σ1-σ3)/2 为半径绘制在τ1-σ 坐标系中，然后通过寻找这些圆的公切线来确定抗剪强度参数。

p-q 曲线法是将三轴试验数据绘制在p-q 坐标系中（其中p=(σ1+σ3)/2，q=(σ1-σ3)/2），建立数学模型，利用最小二乘法对p、q 进行回归，得出破坏主应力线及其截距a 和斜率k，从而通过下列关系式计算土的抗剪强度参数。

q=a+pk

φ=sin-1k

c=a/cosφ

3 土样准备、试验过程及结果

3.1 土样制备及过程

3.1.1 试验设计及土样制备

本次试验土样取自新疆哈密某高速铁路路基膨胀性泥岩，由于原状三轴试验所需切削土样中含有砂石，且硬度较大，不易在少扰动条件下切削制取三轴土样，故本文采用重塑样试验。

重塑样采用原状土烘箱中烘干12h，破碎过筛，选取大于0.5mm 的土颗粒，在干燥器中待其冷却至室温，按照设计的不同含水率（本次试验设计含水率分别为8.5%、10%、12%、14%，其中含水率选取的依据是天然含水率为3.77%，而室内击实试验测得最优含水率为16%，为了更好的根据重塑土样试验结果得出天然状态下膨胀土的抗剪强度，在天然含水率和最优含水率之间设置一定的含水率梯度，又考虑到室内三轴试样的制取难度，综合设定上述含水率梯度）配制。配好土样后，在阴凉湿润处静置24h。采用轻型三轴制样器，按照设计的干密度（本文中试验设计干密度为最大干密度的90%，即1.60g/cm3进行制样）。试样为高度12.5cm，直径6.18cm 三轴圆柱土样。制样后，采用保鲜膜密封，静置待用[15]。

3.1.2 试验仪器及试验过程

本次试验采用南京土壤仪器厂生产的常规静三轴仪，在土样不饱和、不固结情况下，进行不排水试验。加载速度采用1.25mm/min，记录间隔8s 记录量力环中千分表读数。

3.2 泥岩的基本物理特性

由基本室内物理、力学试验得到该泥岩原状土样各种指标见表1、2、3。

表1 泥岩主要矿物成分

由表1 可知哈密膨胀性泥岩石英和斜长石含量较多，蒙脱石、伊利石和高岭石含量不多，使得泥岩表现出弱-中膨胀。

由表2 可知哈密膨胀性泥岩为天然含水率较小、硬度较大、膨胀力较小、自由膨胀率较小的砂质黏土，也说明该土样具有一定的膨胀特性。

表2 泥岩的基本物理特性

由表3 可知哈密膨胀性泥岩为颗粒比较细的粒组为主，所以吸水特性明显，即土样表现为具有一定的膨胀性的亲水性膨胀土。

表3 泥岩粒度分析结果

3.3 试验结果

试验中对土样施加0kPa、50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa 围压，进行不固结不排水进行竖向加载试验。试验结果（取含水率为14%为例）如下：

由图1 可得，当土样含水率为14%、干密度为1.60g/cm3时，土样的粘聚力为61.79kPa、内摩擦角21.02°。

图1 土样含水率为14%时的应力圆

在初始干密度相同时随着含水率增大，由p-q曲线法所得的土样内摩擦角与包络线所得结果趋势大致相同，但p-q 曲线法所求内摩擦角较大，且下降趋势大致呈线性分布，如图2 所示。

图2 内摩擦角对比图

在初始干密度相同的条件下随着含水率增大，由p-q 曲线法所得的土样粘聚力与包络线所得结果下降趋势大致相同，但p-q 曲线法所求内摩擦角较大，如图3 所示。

图3 粘聚力对比图

根据陈立宏等学者认为p-q 曲线高估内摩擦角、低估粘聚力的理论，由包络线法所的结果较为接近真实内摩擦角，由p-q 曲线法所得的粘聚力较为接近真实值。又因为人为因素对包络线法所得结果影响较大，故而p-q 曲线法更为合理，本文选取p-q 曲线法所得结果进行分析。

由图4 可知随着含水率增大过程中，内摩擦角逐渐减小，且关系曲线大致为线性。

图4 含水率对内摩擦角的影响

由图5 可知随着含水率增大过程中，粘聚力先是下降，且下降速度逐步减小，达到含水率为12%左右，粘聚力达到最小值，随后，随着含水率变大，粘聚力再次逐步变大。

图5 含水率对粘聚力的影响

4 试验结果分析

由图1 至图5 所示对哈密泥岩的非饱和重塑土样进行非饱和不排水不固结剪切试验可知：图2 和图4 都证明，随着含水率增大，重塑膨胀土样的内摩擦角度逐渐变小；图3 和图5 也都证明，随着含水率增大过程中，重塑膨胀土土样的粘聚力先下降至最小，之后随含水率的增加粘聚力略有增大，分析原因为：

1）随着含水率增大，哈密非饱和重塑膨胀土样的内摩擦角度逐渐变小。在不饱和土样中，随着含水率增大，土颗粒外包裹的水膜厚度越来越厚，使得土颗粒间的咬合作用力大大减小，内摩擦角也相应减小，且大致为线性关系。

2）随着含水率增大过程中，非饱和重塑膨胀土土样的粘聚力先下降后上升。不饱和土样中，含水率增大，土颗粒间的水膜逐渐变大，使得土颗粒的咬合作用力和库仑力都相应减小，所以粘聚力出现陡降现象。但是含水率继续增大，土样逐步接近可塑状态，土的粘聚力略有提升。

另外，对不饱和重塑膨胀土样在一定围压下，施加一定的竖向应力，土样的体积先压缩后膨胀，形成鼓状，圆柱体土样中间首先出现斜裂纹，随轴向应变增加，裂纹逐渐扩展，直至形成贯通的剪切面，土样破坏。

5 结论

对哈密泥岩的非饱和重塑土样进行不排水不固结剪切试验，可以得到以下规律：

1）随着含水率的增大，非饱和重塑土样的内摩擦角度逐渐变小。

2）随着含水率增大过程中，非饱和土样的粘聚力先下降后上升。且一开始下降速度较快，下降速度逐渐变小，直到粘聚力达到最小时下降速度为零。然后，粘聚力逐渐变大。在12%附近粘聚力最小，但是此规律由于本文试验数据有限，对于其他土样尚待研究。

3）从以上研究结果可知，在实际工程中，为了保证膨胀土的强度，应控制边坡土体含水量，并做好边坡的防排水工程，保证边坡土体含水率不发生大的变化，才能有效地提高边坡安全性。