冀北地区重塑膨胀土抗剪强度影响因素分析

王晓燕 高 峰 胡建林, 郑瑞海 张艳丽 薛金昊

(1.河北建筑工程学院,河北 张家口 075000;2.山西大同大学,山西 大同 037003;3.河北省沥青路面工程固废综合利用技术创新中心,河北 张家口 075000)

0 引 言

膨胀土的抗剪强度的研究较为复杂,在实际工程建设中,膨胀土土体含水量受周围环境及降水影响较大,即土体含水率、上覆土压力、干密度不断变化,膨胀土的抗剪强度也随之变化.

近年来国内外许多学者对膨胀土抗剪强度的影响因素进行了大量研究,抗剪强度可以通过直剪试验、三周剪切试验、环剪试验等试验测定,孟庆云教授[1]通过直剪试验对重塑膨胀土施加不同压力并设置不同干密度、不同初始含水率,研究表明干密度的提高可以显著的增加膨胀土体的峰值强度,随着初始含水率的增加,峰值强度有先增加后下降的趋势.张连杰[2]通过直剪试验研究发现随含水量增加,应力应变曲线呈应变软化型转化为应变硬化型,黏聚力和内摩擦角减小,抗剪强度减小.徐彬[3]通过直剪试验和三轴试验对影响膨胀土抗剪强度的因素进行分析,发现含水率和孔隙对抗剪强度的影响较大,密度对抗剪强度的影响较小.张旭光[4]通过三轴剪切试验研究了围压及含水率对重塑膨胀土抗剪强度的影响,得出了含水率、围压和重塑膨胀土抗剪强度计算公式.缪林昌[5]通过三轴剪切试验对重塑膨胀土设置不同干密度,发现应力—应变曲线随着密度增大逐步由硬化剪缩向软化剪胀转化.蒋晓庆[6]利用STHJY型环剪仪进行环剪试验,发现随着竖向应力的增加,残余强度在增加;随着含水率的增加,残余内摩擦角和残余黏聚力呈减小趋势.前人对于土体抗剪强度与含水率、干密度、法向应力等因素的影响研究较多,对于三因素对各种土体的强度变化趋势的影响大致都是相同的,对于具体是否可有公式说明这点并没有太多人去研究,不同土体的系数相差过大,并不适宜去研究具体的关系.综合考虑,决定对于冀北地区膨胀土的抗剪强度对含水率、法向应力、干密度三因素的敏感性进行分析谈论,设置了不同含水率、干密度和法向应力的直剪试验,并通过灰色关联理论对冀北地区膨胀土抗剪强度的影响因素进行显著性分析.

1 试验方案

1.1 试验材料

试验所用土样取自张家口张北至尚义高速公路某膨胀土路堑边坡,颜色呈灰蓝色,蒙脱石、伊利石黏土矿物含量高,具有中等膨胀性,其主要基本物理力学性质见表1.

表1 膨胀土基本性质指标

1.2 试验方案设计

试验参考《土工试验方法标准》(GB/t50123—2019)[7]进行快剪试验.将烘干碾碎后的膨胀土样过2 mm筛,按15%、17%、19%、21%、23%的初始含水率配置5种土样,并在密封袋中养护24 h,再按干密度ρd=1.41、1.5、1.59、1.68 g/cm3计算称取不同质量土样制件.试验采用南京土壤仪器厂生产的ZJ型应变控制直剪仪,试样直径为61.8 mm,高20 mm,法向应力分别为100、200、300、400 kPa.控制剪切速率为0.8 mm/min.

2 试验结果与分析

2.1 干密度对重塑膨胀土抗剪强度的影响

由于各含水率下曲线相似,所以选取17%含水率下不同干密度应力应变曲线作为代表研究干密度对重塑膨胀土抗剪强度的影响,图1为含水率17%的不同干密度膨胀土试样在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa四组法向应力下的应力-应变曲线.由图1可以看出在干密度较小时,剪应力随剪切位移的增大而增大,随着干密度的增大,膨胀土试样的应力-应变特性由应变-硬化型曲线逐渐转变成为应变-软化型曲线,具有明显的峰值点,且干密度越大,到达峰值点后的强度降低越明显、软化特性越明显,峰值后强度降低幅度也越大.

对于上述的应力-应变曲线,可解释为在试样含水率一定的情况下,当膨胀土干密度较大时,土颗粒间接触面积较大,增加了使得土体稳定的结构力,因此随着干密度增加,试件的抗剪强度增加,当试件破坏时,这种结构力损失较大,而试件干密度较小时,结构力损失较小,所以应力-应变曲线随干密度的增加由应变硬化型转变为应变软化型.

(a)法向应力为100 kPa (b)法向应力为200 kPa

2.2 含水率对重塑膨胀土抗剪强度的影响

图2为在干密度ρd=1.50 g/cm3重塑膨胀土试样在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa四组法向应力下抗剪强度随含水率变化曲线.图3为重塑膨胀土试样在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa四组法向应力作用下残余强度随含水率变化曲线.

由图2可知土样随着含水率增加抗剪强度呈较明显双峰型,由图3可见随着含水率增加残余强度呈先上下浮动后减小的趋势.

图2 不同法向应力下抗剪强度随含水率变化曲线

图3 残余强度随含水率变化曲线

对于上述现象,可解释为土的抗剪强度主要由摩擦力和粘聚力提供,摩擦力随含水率增加降低幅度先增加后减小,而粘聚力随含水率的增加先增加后减小[8],当膨胀土含水率小于17%时,影响土体抗剪强度大小主要为土颗粒间粘聚力,随着含水率增加,土中摩擦力降低幅度低于粘聚力增加幅度,抗剪强度呈上升趋势,因此在含水率为15%或17%时抗剪强度出现了第一个峰值,当膨胀土含水率在17%～19%时,由于土颗粒间摩擦力降低幅度的变化,因此在含水率为17%～19%时会出现一个抗剪强度先降低后增加范围,当膨胀土含水率大于19%时,土中摩擦力与粘聚力都随含水率的增加而降低,因此抗剪强度也随之降低.

土体残余强度的大小主要由破坏面摩擦力决定,由于含水率较小时土颗粒间的结构力也较小,在剪切过程中会有小土粒随之滑动,使得残余应力降低,随着含水率的继续增加,土中的粘聚力就会使摩擦接触面处的土颗粒滑动进一步增加,使得残余强度随含水率增加而持续降低.

3 相关性分析

根据试验结果可知：含水率、法向应力、干密度对土体的抗剪强度及残余强度存在一定影响,但对强度增长的影响程度未知.本文拟采用灰色关联理论研究重塑膨胀土抗剪强度与含水率、法向应力及干密度的相关性特征,进而探究各因素对抗剪强度及残余强度的影响程度.

3.1 灰色关联理论简介

灰色关联理论是一种多因素统计分析的方法,是根据不同序列曲线的几何形状相似程度,判断不同序列间联系紧密程度.其核心计算过程如下：

1.设有m个与参考数列Y={y(k)|k=1,2,…,n}有一定相关性的比较数列Xi={xi(k)|i=1,2,…,m}.

2.为便于比较,采用均值化法,按式(1)和式(2)对数列进行无量纲处理.

(1)

(2)

3.按式(3)计算出Y与Xi在k点的关联系数 γi(k).

(3)

(4)

(5)

式中ξ为分辨系数,主要功能是为减小极值对γi(k)的影响,一般取ξ=0.5[8];M为两极最大差;m为两极最小差.

4.按式(6)求比较数列与参考数列的平均值,作为比较数列与参考数列间关联程度的数量表示

(6)

根据相关性理论,ξ=0.5时,计算结果γi>0.6,则表示参考数列与比较数列具有相关性.

5.根据关联度的大小对待评指标进行排序.

3.2 相关性分析

设重塑膨胀土抗剪强度τ构成的数列为参考数列Y,含水率w、法向应力P、干密度ρd构成的数列X1,X2,X3,根据式(1)、式(2)对数列进行无量纲处理求得初值像X1’,X2’,X3’,然后可根据式(4)(5)求得两极差,并带入式(3)求得各影响因素与抗剪强度关联系数.

关联系数的部分计算结果见表2.

表2 重塑膨胀土抗剪强度关联系数计算结果(部分)

根据式(6)并结合关联系数计算结果,可求得各影响因素的关联度.

结果表明,干密度是重塑膨胀土抗剪强度的第一影响因素,其中抗剪强度与含水率的关联度γ1=0.6953、法向应力的关联度γ2=0.6964、干密度的关联度γ3=0.7519.综合来看,各因素对抗剪强度的影响力从大到小依次为干密度、法向应力、含水率,其中,法向应力的含水率两项与抗剪强度的关联系数相差并不大,且三因素的关联系数均大于0.6,表明含水率、法向应力、干密度与重塑膨胀土抗剪强度之间存在良好的相关性,其中干密度对重塑膨胀土抗剪强度的影响最大.

同理,残余强度关联系数的部分计算结果见表3.

表3 重塑膨胀土残余强度关联系数计算结果(部分)

根据式(6)并结合关联系数计算结果,可求得各影响因素的关联度.

结果表明,法向应力是重塑膨胀土残余强度的第一影响因素,其中残余强度与含水率、法向应力、干密度的关联度分别为γ1=0.7369,γ2=0.8919,γ3=0.7500.综合来看,各因素对残余强度的影响力从大到小依次为法向应力、干密度、含水率,且各因素关联系数均大于0.6,表明含水率、法向应力、干密度与重塑膨胀土残余强度之间存在良好的相关性,其中法向应力对重塑膨胀土残余强度的影响最大.

4 结 论

通过对重塑膨胀土的含水率、法向应力、干密度三个因素的控制探究三因素对其抗剪强度及残余强度的影响,并运用灰色关联分析得出以下结论：(1)通过试验数据可以看出,随着干密度及法向应力的增大,试样抗剪强度增大,而随含水率的增加,抗剪强度呈先增后减的趋势.(2)由数据曲线可以看出,随干密度的增大,膨胀土试样的应力-应变特性由应变硬化型转化为应变软化型,其中干密度为1.68 g/cm3的试件其软化特性最为明显.(3)同一法向应力、不同干密度下的残余强度趋于定值.(4)由灰色关联理论计算结果可以得出含水率、法向应力、干密度与重塑膨胀土抗剪强度及残余强度之间存在良好的相关性,其中干密度对重塑膨胀土抗剪强度的影响最大,法向应力对重塑膨胀土残余强度的影响最大,但是否有公式可以表达尚不明确,还需大量实验研究.