重塑膨脹土非線性強度特性及一維固結浸水膨脹應力-應變關系

鄒維列，陳 輪，謝 鵬，王 默，張 靖

(1. 武漢大學 土木建筑工程學院,武漢 430072；2. 清華大學 水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084)

1 引 言

工程實踐表明，膨脹土邊坡的破壞機制與一般土坡不盡相同，一般土坡的穩定措施（如放緩邊坡）對膨脹土坡的穩定效果不佳[1]。對于膨脹土渠坡，因長期處于充分的水環境中，其穩定性問題可能會更嚴重、復雜。從1965年召開第一屆國際膨脹土會議以來，特別是20世紀70年代非飽和土的研究在國際上再次受到關注以后，膨脹土坡的特性、變形和失穩機制的研究已取得了豐碩的成果[2]。土-水特征曲線的提出，建立了非飽和土中基質吸力與含水率之間的關系，其在理論、量測方法上的不斷完善，使其在實際工程中已得到應用[3－4]。研究表明，對于非飽和膨脹土坡，坡面附近的基質吸力較大，坡面下1.5 m深度左右開始下降[5－6]，水的進入（包括雨水和渠水）是吸力下降和產生滑坡的主要原因[5,7]。這些認識為渠道設計優化和滑坡防治措施選擇提供了理論依據。

膨脹土邊坡多發生淺層滑動，主要發生在大氣影響范圍內（2～3 m左右），滑動面上的正應力較小，一般在60 kPa以內。但是，在土的抗剪強度試驗中，直剪試驗的正應力或三軸試驗的圍壓一般采用100～400 kPa范圍，由此所得到的強度參數用于膨脹土邊坡的穩定分析，其結果往往是偏大的。另一方面，在雨季與旱季的交替變換中，膨脹土邊坡經歷著干縮濕脹的循環變化，并伴隨大量裂隙的不斷擴展，從而加劇了膨脹土結構的破壞。因此，研究膨脹土邊坡的穩定性，不僅應當考慮到滑動面上實際為低應力狀態，還應當考慮干濕循環對強度的衰減作用。

然而，把膨脹土邊坡的失穩破壞完全歸結為單一的強度原因（滑面強度低、遇水強度下降）是不夠的，因為對一些極緩坡的情況即使按飽和土的強度來計算，其穩定性也應是足夠的，但仍然發生了滑坡[8－9]。為此，近年來不少學者都指出，除了考慮土體干濕循環、遇水強度降低以外，還應當計入膨脹變形的影響[8,10－12]。因此，最近一些文獻所提出的考慮膨脹變形影響的邊坡穩定分析方法[10,12]中都用到了膨脹變形指標，膨脹土的有荷膨脹變形與很多因素有關，如初始含水率、初始干密度、上覆壓力、加載方式和浸水路徑等[13]。

本文采用南水北調中線工程南陽試驗段的重塑膨脹土（以下簡稱南陽膨脹土）以及新鄉試驗段重塑膨脹性黏土巖（以下簡稱新鄉膨脹巖），開展一系列室內試驗，研究干濕循環作用后膨脹土的強度特性，探討膨脹土邊坡穩定分析中獲取強度參數的合理試驗方法，獲得膨脹土一維固結后有荷浸水膨脹的應力-應變關系，進而探討與膨脹土渠坡穩定處理相關的幾個問題。

2 試驗土樣、內容與方案

2.1 試驗土樣

試驗采用的土樣包括南陽膨脹土（棕黃色黏土）和新鄉膨脹巖（褐紅色黏土巖），其基本物理性質指標見表1。

表1 膨脹土（巖）基本物理性質指標Table1 Physical property indexes of expansive soil/rock

2.2 試驗內容與試驗方案

2.2.1 干濕循環后的直剪試驗

采用新鄉膨脹巖制備試樣6組（每組6個樣，共計36個試樣），其中1組作為備用。試樣干密度均為1.74 g/cm3，直徑為61.8 mm，高20 mm，分別進行1～5次干濕循環后采用DJY―4四聯等應變直剪儀進行直剪（慢剪）試驗。法向應力分別為20、40、60、100、200、400 kPa，共6級。

干濕循環步驟：①將試樣裝入重疊式飽和器抽真空后飽和；②采用烘箱使其在 70 ℃低溫下干燥脫水，當試樣含水率達到縮限含水率時終止脫濕；③將試樣用重疊式飽和器固定后浸沒在盛水容器中至完全飽和，完成一次干濕循環。

2.2.2 一維固結后的有荷浸水膨脹試驗

采用用南陽膨脹土，利用固結儀進行側限條件下的浸水有荷膨脹試驗。試樣的高度為20 mm，直徑為61.8 mm。

（1）控制初始干密度為1.50 g/cm3，變化初始含水率分別為12%、14%、16%、18%和20%。對各初始含水率下的試樣施加不同上覆荷載（分別為25、50、100、200 kPa），待各級壓力下壓縮穩定后注水，并始終保持水面超過試樣頂面 5 mm，量測其膨脹變形直至讀數穩定（穩定的標準為2 h內讀數變化不超過0.01 mm）。

（2）控制初始含水率為16%，變化初始干密度分別為1.40、1.45、1.50、1.55、1.60 g/cm3，同樣對各初始干密度下的試樣進行與上述（1）相同的試驗。

3 試驗結果與分析

3.1 膨脹土強度的非線性特性

本次試驗結果表明，分別經過1～5次干濕循環作用后的膨脹土試樣，其直剪（慢剪）強度都具有明顯的兩階段特性。圖 1 為經歷5次干濕循環后試樣的強度包線[14]。根據其變化趨勢，對兩階段包線分別進行線性擬合可以看到，在 0～60 kPa 的低應力狀態下，膨脹土樣的強度指標與 60～400 kPa 的高應力狀態下的差別是十分明顯的。

（1）文獻[15]通過對未經干濕循環作用的飽和膨脹土試樣進行三軸固結排水剪切試驗，也得到十分相近的結果，并指出：從力學概念上講，低應力下的黏聚力擬合值才是土體結構強度，內摩擦角隨應力增大逐漸減小并趨于穩定，穩定的內摩擦角與高應力下內摩擦角擬合值基本一致。因此，在比較土的內摩擦角大小時，可采用高應力下內摩擦角作為參數，以便具有可比性。

圖1 5次干濕循環后的強度包線Fig.1 Strength envelope after 5 dry-wet cycles

（2）由圖 1 可見，若采用正應力100～400 kPa的常規試驗方法，可以得到該膨脹土樣的黏聚力c =26.9 kPa，內摩擦角φ= 15.9°，由該強度參數計算正應力處在0～60 kPa范圍的邊坡淺層膨脹土的抗剪強度顯然是偏大的。從本次試驗結果來看，0～60 kPa的黏聚力c ≈ 6 kPa，內摩擦角φ= 30.9°。因此，測定低應力條件下的強度參數用于膨脹土邊坡的穩定分析才是合理的。

3.2 初始含水率和上覆壓力對膨脹變形的影響

初始干密度均為1.50 g/cm3，初始含水率分別為12%、14%、16%、18%和20%的南陽膨脹土試樣在不同上覆壓力下壓縮穩定后的浸水膨脹率如圖 2所示。從圖可以看出，（1）相同初始干密度和初始含水率狀態下，由于上覆壓力的存在，抑制了膨脹土的膨脹量。上覆壓力越大，抑制作用越大，使膨脹率越低，甚至產生壓縮。

膨脹土浸水飽和后，膨脹率與壓力的關系曲線如圖3所示。由圖可以看出，當壓力達到膨脹力大小時，膨脹率為0（即不產生膨脹變形），繼續增大壓力，將產生壓縮變形；隨著膨脹率的增大，膨脹壓力不斷減小。因此，對于膨脹土渠坡，如果允許膨脹土產生一定的膨脹變形，則可顯著減小對坡面混凝土襯砌板的膨脹壓力。先受壓力作用再浸水飽和與先浸水飽和再受壓力作用兩種不同應力路徑下，膨脹土的膨脹率與壓力關系曲線有所不同，但曲線的走勢與圖3中的曲線都是一樣的[13]。因此，可以應用土工泡沫（EPS）優良的變形性能吸收膨脹土的一部分膨脹變形，達到減小作用在混凝土襯砌板上的膨脹壓力的目的。

圖2 不同上覆壓力下膨脹率隨初始含水率的變化Fig.2 Changes of expansion ratio with initial moisture content under different overburden pressures

圖3 膨脹土的膨脹率與壓力關系曲線Fig.3 Curve of expansion ratio vs overburden pressure

此外，EPS具有優良的隔熱性能，也常被用著渠道防凍工程的保溫板[16－17]，同時，EPS保溫板還有一定的防水隔滲能力。溫度變化對非飽和土力學性能的影響要比對飽和土的影響大得多，原因是非飽和土中含有氣相和收縮膜。由熱力學膨脹理論可知，氣、膜兩相的宏觀性質（如體積、抗剪強度）隨溫度的變化要比固、液兩相隨溫度的變化顯著得多。非飽和土中吸力的熱動力學定義本身就是溫度的函數。溫度升高，土-水特征曲線左移，說明土的持水能力降低，在含水率不變時，基質吸力隨溫度升高而降低[18－20]。對于非飽和土，溫度升高對其宏觀力學性質的影響表現為：彈性變形范圍減小，壓縮性增大，抗剪強度降低。但也有一些試驗結果顯示，溫度升高引起基質吸力和抗剪強度提高[21－22]。可見發揮EPS板的減載、防水和保溫性能，對減小膨脹力、保持吸力進而維護渠坡穩定有十分積極的作用。

（2）同一上覆壓力下，膨脹土的有荷膨脹率隨著初始含水率的增大而減小，并呈較好的線性關系，線性回歸方程為

式中：δep為試樣充分吸濕后的膨脹率(%)；w0為初始含水率(%)；A、B為擬合參數。當土性和初始干密度一定時，A、B與上覆壓力 p 有關，見表2。

表2 擬合參數A、B隨上覆壓力的變化Table2 Change of A,B with overburden pressure

擬合本次試驗數據可得

將式（2）代入式（1），可得

即為初始干密度一定時，考慮初始含水率、上覆壓力雙因素影響的膨脹率表達式。

（3）采用靜止側壓力系數k0（ k0=1-sin φ′，φ′ 為15.1°）近似計算試樣圍壓 σ2=σ3=k0σ1，可以發現，各初始含水率下，其體積膨脹率（在固結試驗條件下可取為豎向線膨脹率）與平均應力σm的對數有如式（4）所示的近似線性關系，見圖4，擬合的相關性系數見表3。

圖4 不同初始含水率下體積膨脹率與平均應力的關系Fig.4 Relationships between volume expansion ratio and average stress under different initial water contents

表3 各初始含水率下式（4）擬合的相關性系數Table3 Correlation coefficients of fitting with equation (4)

式中：εv為試樣充分吸濕所引起的體積膨脹應變(%)；σm為試樣平均應力(kPa)；a、b為與土性及初始含水率有關的擬合參數。

式（4）為膨脹土一維壓縮后浸水膨脹的應力-應變關系，與文獻[15]采用三軸試驗所得到的關系一致，可見這一規律具有普遍性。

初始干密度一定時，式（4）的參數a、b隨初始含水率而變化，根據試驗數據，可得擬合關系式為

將式（5）代入式（4），可得到考慮初始含水率影響的膨脹土體積應變率與平均應力的擬合關系式：

即為考慮了初始含水率影響的南陽中膨脹土一維固結后浸水膨脹的應力-應變關系。

3.3 初始干密度和上覆壓力對膨脹變形的影響

初始含水率為16%，初始干密度分別為1.40、1.45、1.50、1.55、1.60 g/cm3的南陽膨脹土試樣，在不同上覆壓力下壓縮穩定后的浸水膨脹率如圖 5所示。

圖5 不同上覆壓力下膨脹率隨初始干密度的變化Fig.5 Changes of expansion ratio with initial dry density under different overburden pressures

由圖5可以看出，（1）同一初始干密度下，上覆壓力越大，有荷膨脹率越低；（2）同一上覆壓力下，初始干密度越大，有荷膨脹率也越大。膨脹后土體強度降低，壓縮性增大，更容易破壞、失穩。這對邊坡和坡腳處上覆壓力很小甚至無上覆壓力的土更為嚴重。Head[23]早在1980 年就提出了“適當壓 實”（proper compaction）的概念。他指出：適當壓實的土抗剪強度高，穩定性好；壓縮性低，靜載下沉降小；CBR值高，重復荷載下變形小；滲透性低；吸水傾向小；凍結和凍脹的可能性也小。他同時指出：不“過分壓實”（over-compaction）與“適當壓實”同樣重要。過分壓實不僅存在能量浪費問題，而且對于細粒土，壓實度過高，土體更易于吸水膨脹[24]。表明隨著干密度（壓實度）的增加，濕化變形潛勢降低，但在低壓力范圍內的膨脹潛勢卻增大，這與Rao等[25]的結論是一致的。因此，對膨脹土邊坡的淺層部分和坡腳，壓實度不應過高。（3）不同上覆壓力下的膨脹率與起始干密度均具有良好的線性關系，即

式中：m、n為擬合參數。當土性和初始含水率一定時，與上覆壓力有關，由試驗數據擬合可得

將式（8）代入式（7），可得考慮起始干密度、上覆壓力雙因素影響的膨脹率表達式：

4 結 論

（1）膨脹土強度隨豎向應力增大表現出明顯的兩階段特性，低應力狀態下與高應力狀態下的強度參數差別很大。對于以淺層滑動為常見的膨脹土邊坡，應采用低應力狀態下的強度參數用于穩定分析。

（2）隨著膨脹率的增大，膨脹力不斷減小。因此在膨脹土渠坡的混凝土襯砌板下設置具有優良壓縮性能的土工泡沫（EPS），允許渠坡膨脹土產生一定的膨脹變形，即可顯著減小膨脹土對混凝土襯砌板的膨脹力。同時，土工泡沫還有防水保溫作用，從而保持膨脹土的基質吸力，維護渠坡的穩定。

（3）同一上覆壓力下，初始干密度越大，膨脹土的有荷膨脹率也越大。由于膨脹后土體強度降低，壓縮性增大，更容易破壞、失穩。因此對于上覆壓力較小的邊坡淺層和坡腳的壓實度不應過高。

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