制樣方法對膨脹土抗剪強度的影響研究

畢大君，孫輝

（1.安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，安徽 合肥 230001；2.大連市勘察測繪研究院有限公司，遼寧 大連 116000）

0 前 言

膨脹土是以蒙脫石或蒙脫石一伊利石為主要礦物成分的高塑性黏土，黏粒含量高，自由膨脹率大于等于40%；主要由蒙脫石、伊利石類強親水礦物組成；同時具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特征的粘性土[1-2],土體含水量增加，其體積發生膨脹并產生膨脹力，土體失水時，其體積收縮并形成收縮裂縫；土體脹縮變形可隨環境濕熱變化往復發生，導致其強度衰減；屬于液限高于40%的高液限黏土。由于其顯著的脹縮性，常常給膨脹土地區的工程建設造成嚴重的破壞，給人民的財產造成巨大損失。因此,全面認識膨脹土與含水量的關系對于保證路基的填筑質量具有重要意義。為此，國內外許多科研工作者基于Mohr-Coulomb準則對膨脹土的強度特性進行研究，取得了許多重要成果[3-4]。本文也正是在前人的基礎上，通過選取合肥地區典型膨脹土進行抗剪強度實驗，定量研究不同的土樣制備方法在以含水量為過度量，對膨脹土的抗剪強度的影響。確定膨脹土抗剪強度較好的實驗時土樣制備方法。

本次試驗我們對土的基本性質做了試驗，了解到土的基本物理性質，如表1是合肥市某地區膨脹土的基本物理性質指標。

合肥市某地區膨脹土的基本物理性質指標 表1

試驗中，我們測定兩種制樣方法（風干法和靜壓法）制得的土樣在不同含水率下抗剪強度的對比關系。為了在縮限和飽和含水率之間，含水率控制在ω1=16%，ω2=18%，ω3=20%，ω4=22%和ω5=24%。

風干法就是對原狀土先飽和再自然風干。首先將取回的原狀土(制成環刀樣)分為五組，一組5個土樣,各土樣之間的密度差保證在0.03g/cm3之內。將其中1組土樣進行飽和后，將其放在避光的位置自然風干，根據計算在預定的一段時間內監測含水率的變化，如達到我們所需的含水率就將其進行直剪試驗。以同樣的方法，分別對后面的四組土樣進行試驗。同時，我們測定了抗剪土樣后的含水率，與預期要得到的含水率誤差在1%內。

靜壓法：將取來的重塑土進行烘干后使其含水率ω0=0.0%，將其碾碎過2mm篩，經公式

式中：ω—天然含水率；ρ—天然密度。

已知每個環刀的體積V0=60.0 cm3，由公式

得到每個環刀樣干土的質量為87.6g。再由公式

得到該含水率下一個土樣所需的水。經過以上的公式得出制備一個土樣所需的各種參量后，根據以上的參數及所需的土樣數進行調土，為了讓水分更均勻，用保鮮袋將其密封好，放到密封箱中進行密封24h。24h小時后，用固結儀來靜壓土樣。以此方法來做其他各組含水率的試驗。

1 直接剪切試驗

由莫爾庫侖定律可知，土的抗剪強度主要表現在黏聚力和內摩擦角上的，即

快剪試驗，試驗時在試樣上施加垂直壓力后，拔去固定銷釘，立即以0.8mm的剪切速度進行剪切，使試樣3min至5min內剪破。試樣每產生剪切位移0.2mm～0.4mm時，測記測力計和位移讀數，直至測力計讀數出現峰值，或繼續剪切至剪切位移為4mm時停機，記下破壞值，當剪切過程中測力計讀數無峰值時，應剪切至剪切位移為6mm時停機，該試驗所得的強度稱為快剪試驗強度，相應的指標稱為快剪強度指標，以cQ,φQ 表示[5]。

2 試驗與成果分析

2.1 風干法抗剪實驗

當進行抗剪試驗時，土樣面積不斷減小引起的剪應力與正應力不均勻現象,對試驗參數會有一定的影響，但對于圓樣，只要位移不超過試樣直徑的7.725%，近似計算的剪切應力誤差不會超過10%；位移超過半徑7.725%后，在不考慮正應力偏轉條件下，直剪試驗剪應力誤差遠大于獲得的強度參數(凝聚力分量與摩擦分量)誤差,近似計算時，應考慮試樣面積對剪應力-位移變化規律的影響,但基本可忽略對強度參數的影響[6]。因此，以上得到的參數可以不用處理。

從以上圖形中和表2可知，當含水率變小時，峰值強度指標都在不斷的變大，并且峰值強度隨著含水率的變小出現有峰值驟降的過程，說明含水率對峰值強度影響很大，而且是線性影響的，這與基質吸力與含量水成反比的規律一致。

2.2 靜壓法直剪試驗

從表3中可知，靜壓法抗剪強度也是隨含水率的變小而增大的。在黏聚力上體現很明顯。

風干法峰值強度指標 表2

靜壓法抗剪峰值強度指標 表3

3 結 論

綜合上述可得：不同的制備土樣方法對土的抗剪強度是有影響的。從表2、表3可知從含水率上考慮，當含水率比較大時，風干法土的抗剪強度比靜壓法土的抗剪強度要小，主要是靜壓法制備的土樣顆粒很細，而我們知道土中存在著毛細管水，土顆粒愈細，毛細管水上升愈高，即毛細現象愈強。土中的孔隙水僅存在于土粒接觸點周圍，彼此是不連續的。這時，由于孔隙中的氣與大氣聯通存在毛細現象，因此，孔隙水的壓力將小于大氣壓力。于是，將引起迫使相鄰土粒相互擠緊的壓力，這個壓力稱為毛管水壓力。毛管水壓力的存在，增加了粒間錯動的摩擦阻力。當含水率比較小時，風干法土的抗剪強度比靜壓法土的抗剪強度要大很多，特別是表現在土的黏聚力上，而內摩擦角沒有太大影響。這可以這樣解釋:起始含水率較低的非飽和膨脹土抽氣飽和時膨脹性強，所產生的膨脹力大，由于環刀的限制，試樣不能自由膨脹，這相當于給試樣施加了一個與膨脹力大小相等的約束力,而外力約束能明顯提高膨脹土的抗剪強度[7]；對于靜壓法，主要是已經破壞了土的結構性。

[1]賈東亮，丁述理，杜海金，等.膨脹土工程性質的研究現狀與展望[J].河北建筑科技學院學報,2003(1).

[2]孫長龍.膨脹土性質研究綜述[J].水利水電科技進展,1995(6).

[3]Bishop A W，Alpan I，Blight G E eta1.Factors Controlling the shear strength of partly saturated cohesive soils[A].In：ASCE Research Conference on the Shear Strength of Cohesive Soils[C].Univ.of Colorado，1960.

[4]Fredlund D G，Morgenstem N R，Widger R A.The shearstrength of unsaturated soils[J].Canadian Geotechnical Journal，l978(15).

[5]盧廷浩.土力學[M].南京：河海大學出版社，2002.

[6]徐志偉，周國慶，劉志強，等.直剪試驗的面積校正方法及誤差分析[J].中國礦業大學學報,2007(5).

[7]韓華強，陳生水.膨脹土的強度和變形特性研究[J].巖土工程學報,2004(3).