膨脹力表征非飽和膨脹土強度特性的試驗研究

張金存，程謙恭，李星，姚遠，羅浩

(西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 四川 成都 610031)

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膨脹力表征非飽和膨脹土強度特性的試驗研究

張金存，程謙恭，李星，姚遠，羅浩

(西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 四川 成都 610031)

為了研究非飽和膨脹土的膨脹力代替基質(zhì)吸力表征抗剪強度的可行性，開展南寧重塑非飽和弱膨脹土室內(nèi)土-水特性試驗、抗剪強度試驗、膨脹力試驗等一系列試驗研究。研究結(jié)果表明：基于Fredlund and Xing模型對土水特征曲線進行擬合，確定土-水特征預(yù)測方程，建立基質(zhì)吸力與抗剪強度及膨脹力間的相互關(guān)系；在確定基質(zhì)吸力換算依據(jù)的基礎(chǔ)上，建立膨脹力與強度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型；改進非飽和膨脹土抗剪強度預(yù)測方程，得出用膨脹力代替基質(zhì)吸力進行抗剪強度預(yù)測的方法，并驗證可行；確定南寧高速鐵路路堤填筑現(xiàn)場的強度預(yù)測方程，可為高速鐵路路堤填料的強度預(yù)測提供參考。研究結(jié)果有一定的工程應(yīng)用價值。

非飽和膨脹土;基質(zhì)吸力;膨脹力;抗剪強度理論

膨脹土是一種具有脹縮性、超固結(jié)性和多裂隙性，工程性質(zhì)極差的特殊土類，常對各類工程建設(shè)造成巨大的危害，且其危害往往具有多發(fā)性、反復(fù)性、和長期潛在性[1]。典型的非飽和土，其力學(xué)性質(zhì)很難用經(jīng)典土力學(xué)加以解釋，應(yīng)遵循非飽和土力學(xué)理論，而非飽和土力學(xué)尚不完善，正處在進一步發(fā)展狀態(tài)中。前輩學(xué)者關(guān)于非飽和膨脹土的研究取得大量成果，但非飽和土與特殊土研究起步晚、情況復(fù)雜，雖有Bishop等[2]提出的非飽和土抗剪強度有效應(yīng)力理論和Fredlund等提出的非飽和土抗剪強度雙應(yīng)力變量理論，但未建立一個統(tǒng)一的理論體系，又因現(xiàn)有非飽和土強度理論中基質(zhì)吸力的量測要求高、周期長，難以在工程實例中廣泛應(yīng)用。故尋找其他參量代替基質(zhì)吸力成為非飽和土強度理論研究的方向。20世紀90年代盧肇鈞院士等[3]做過相關(guān)研究，提出了非飽和膨脹土強度理論數(shù)學(xué)模型。但當(dāng)時國內(nèi)測試基質(zhì)吸力的試驗設(shè)備較為簡陋，測量結(jié)果的可靠性有待驗證。故盧肇鈞院士[4]關(guān)于膨脹力預(yù)測膨脹土非飽和強度的研究中并未直接測量基質(zhì)吸力，而是用一種理論與數(shù)據(jù)統(tǒng)計的方法將土體總粘聚力與真粘聚力相減得到土的吸附強度。隨著非飽和土力學(xué)研究的進一步發(fā)展，許多學(xué)者利用基質(zhì)吸力量測技術(shù)的不斷更新，采用新儀器和新方法對膨脹土的非飽和特性進行了大量和廣泛的研究，但少有學(xué)者對膨脹力代替基質(zhì)吸力進行強度預(yù)測這一研究進行進一步的驗證或修正。本文以現(xiàn)場高速鐵路膨脹土填筑路堤為工程背景，基于對基質(zhì)吸力的直接量測，驗證用膨脹力代替基質(zhì)吸力進行非飽和膨脹土強度預(yù)測的可靠性。通過膨脹力與基質(zhì)吸力、抗剪強度間相互關(guān)系，建立膨脹力代替基質(zhì)吸力進行非飽和膨脹土抗剪強度預(yù)測的數(shù)學(xué)模型。為南寧現(xiàn)場填筑非飽和改良膨脹土高速鐵路路堤穩(wěn)定性研究提供室內(nèi)試驗依據(jù)，為工程問題的處理提供參考。

1　試樣制備及試驗方案

1.1試樣制備

試驗用土取自廣西南寧樞紐屯里動車運用所附近3 km處，取土地緊鄰動車所鐵路線，北部距既有湘桂線約100 m。土體呈灰綠、灰黃和棕紅色，呈塊狀，含少量黑褐色鐵錳結(jié)核，呈硬塑狀態(tài)。土體干燥狀態(tài)下較硬，遇水迅速軟化，表面發(fā)育密集的網(wǎng)狀裂隙，裂隙面光滑，具典型膨脹土特征。進行擊實及自由膨脹率等相關(guān)試驗測試得其基本物性參數(shù)值見表1。通過原狀膨脹土基本參量測試，測得試驗用土最優(yōu)含水率為15%～16%、最大干密度為1.78 g/cm3、自由膨脹率為54%，根據(jù)文獻[5]和[7]，判定該土為弱膨脹土。

表1　試驗用土參數(shù)

1.2試驗方案

1.2.1土水特性試驗

土水特征曲線(SWCC)[8]其主要包含2個關(guān)鍵值：進氣值(ua-uw)b和殘余含水率θr，且兩特征點將土-水特征曲線分成邊界效應(yīng)階段、過渡階段、非飽和殘余階段，對非飽和土而言，旨在研究非飽和土所處兩特征點間的過渡階段。

土水特性試驗選用美國soilmositure公司產(chǎn)的GEO-Experts壓力板儀，陶土板進氣值為5bar(500 kPa)。按照《土工試驗方法標準》GB/T50123-1999用靜壓力法制備直徑70 mm，高20 mm的環(huán)刀樣，每組2個試樣以備平行試驗，采用真空抽氣法飽和。試樣在預(yù)固結(jié)后以1，25，50，100，150和200 kPa 6基質(zhì)吸力加載并卸載，模擬一次干濕循環(huán)。每級基質(zhì)吸力加載后穩(wěn)定時間為7～10 d，試驗測試1個土樣，歷時3個多月。

1.2.2抗剪強度試驗

非飽和土由于第四相(收縮膜)的存在，其性質(zhì)與飽和土間存在很大的區(qū)別。隨著非飽和土力學(xué)的發(fā)展，非飽和土的抗剪強度預(yù)測由最初的近似應(yīng)用飽和土Mohr-Coulomb理論確定，到通過試驗研究各類非飽和土的抗剪強度，再到總結(jié)出各種參量表示的抗剪強度方程，并將相關(guān)理論應(yīng)用于工程實踐。雖有陳敬虞等[2]對非飽和土強度理論的研究進展做過相應(yīng)的總結(jié)。Sheng等[9]對國外現(xiàn)有非飽和土抗剪強度標準做過相應(yīng)研究，廣泛介紹各理論之間的聯(lián)系與區(qū)別，并分析預(yù)測非飽和土抗剪強度理論發(fā)展的進一步方向。同時Schnellmann等[10]也總結(jié)了國外近二十年來發(fā)表過的非飽和土抗剪強度理論。非飽和土強度理論雖經(jīng)歷了一個長期發(fā)展的過程，至今仍未形成一個統(tǒng)一理論，但所有理論基本都是以Bishop或Fredlund提出的模型為基礎(chǔ)建立的。本文試驗采用直剪和三軸兩種方案進行。

直剪試驗采用ShearTrac-II全自動直剪儀分別以50,100,150,200 kPa的豎向壓力值進行不固結(jié)不排水UU快剪試驗。配制含水率分別為14.19%,15.12%,15.86%,16.23%和17.22%的土樣，每4個樣1組，共5組。制樣與前面相同，為減小尺寸效應(yīng)影響，按輕型擊實標準對所配含水率土樣擊實成大環(huán)刀樣，抽氣飽和后用標準環(huán)刀削取尺寸為φ61.8 mm×20 mm的環(huán)刀樣，在保濕缸中靜置24 h。三軸試驗所制土樣含水率分別為：10.89%，13.1%，14.38%，15.32%和17.08%。采用應(yīng)變控制式三軸儀以50，100和150 kPa的圍壓進行不固結(jié)不排水(UU)三軸剪切。制樣與前面試驗相同。

1.2.3膨脹力試驗

關(guān)于室內(nèi)土樣膨脹力的測試方法主要包含：常體積固結(jié)法、自由膨脹固結(jié)法、天然含水量固結(jié)法和雙固結(jié)法4種方法。通過試驗總結(jié)對比[11]，本文采用常體積法測試不同初始含水率狀態(tài)下試樣的膨脹力，該方法試驗數(shù)據(jù)比較可靠，室內(nèi)多采用這種方法測試土樣膨脹力。試驗在WG型固結(jié)儀上采用平衡荷載法測量6種不同初始含水率試樣膨脹力，制樣方法與前面相同，按《土工試驗方法標準》GB/T50123-1999進行試驗，因試驗穩(wěn)定時間較長，且固結(jié)儀在穩(wěn)定狀態(tài)受外界震動影響非常靈敏，排除測試結(jié)果不穩(wěn)定影響，最終測得15個不同初始含水率土樣的膨脹力。每個樣的測試時間為2 d。

2　試驗成果分析

2.1土水特性分析

試驗土樣經(jīng)一次干濕循環(huán)后測得試樣密度為2.04 g/cm3，含水率為16.4%。試驗實測結(jié)果如圖1。在一次干濕循環(huán)過程中，相同吸力情況下，脫濕過程土樣含水率明顯高于吸濕過程，表明非飽和膨脹土存在明顯的水力滯后性，即土-水特征曲線出現(xiàn)滯回圈。由圖1可知，測得的非飽和膨脹土的土-水特征曲線具有明顯的轉(zhuǎn)折點，能清晰的反映邊界效應(yīng)階段和過渡階段。第一階段：當(dāng)基質(zhì)吸力小于25 kPa時，隨基質(zhì)吸力的增加土樣含水率降低緩慢，曲線較平緩，吸力的增加對土樣含水率的影響不明顯。此時土中氣相呈封閉氣泡狀懸浮于水中隨水一起流動[12]，土樣處于邊界效應(yīng)階段，土體接近飽和。第二階段：當(dāng)基質(zhì)吸力大于25 kPa時至試驗結(jié)束，隨基質(zhì)吸力的增加土樣含水率急劇減小，曲線呈近似一斜線段，含水率變化受吸力增加影響劇烈。該階段土體孔隙中的氣相部分連通，空氣開始進入土體，并逐漸占據(jù)土體內(nèi)較大空隙通道[12]。隨基質(zhì)吸力增加飽和度快速減小，土體性質(zhì)變化迅速，處于過渡階段，實際工程中非飽和膨脹土絕大多數(shù)處于這一階段。因陶土板進氣值為500 bar，無法表征非飽和殘余階段狀態(tài)。

圖1　干濕循環(huán)脫濕、吸濕過程土-水特征實測曲線Fig.1 Actual curve of soil and water characteristic by dry-wet circulation

為研究用膨脹力代替基質(zhì)吸力進行強度預(yù)測的可行性，可利用非飽和土SWCC曲線特征方程來表征土體任意狀態(tài)下的含水率與基質(zhì)吸力間的關(guān)系。前人提出了很多種數(shù)學(xué)方程，并做了大量關(guān)于非飽和土SWCC曲線數(shù)學(xué)模型的研究。sillers W.S.等對現(xiàn)階段數(shù)學(xué)模型的研究分成共8類，其中Fredlund and Xing模型[13]因?qū)λ蓄愋屯馏w在整個吸力階段的SWCC曲線預(yù)測都十分相符，故在對非飽和土土-水特征曲線數(shù)學(xué)擬合時這一模型得到廣泛應(yīng)用，其表示形式為：

(1)

式中:ψ為基質(zhì)吸力;ψr為殘余含水率對應(yīng)的吸力值；θs為飽和體積含水率；a為表征進氣值大小的參數(shù)；m和n為擬合參數(shù)，為形狀系數(shù)(m表征殘余基質(zhì)吸力、n表征進氣值拐點后曲線斜率)，反映含水率隨基質(zhì)吸力變化的程度。

為了Fredlund and Xing模型擬合達到良好的擬合效果，需將土體重力含水率轉(zhuǎn)換為體積含水率。采用Fredlund and Xing模型對壓力板儀法脫濕與吸濕曲線擬合，結(jié)果如圖2，兩條曲線擬合特征值見表2。

表2干濕循環(huán)下土-水特征曲線擬合參數(shù)

Table 2 Fitting parameters of dry-wet circulation with soils and water characteristic

參數(shù)θsψranm脫濕30.610005001.1385.887吸濕3010005000.63823.931

圖2　干濕循環(huán)脫濕、吸濕過程土-水特征擬合曲線Fig.2 Fitting curve of soil and water characteristic by dry-wet circulation

由表2和圖2可知，脫濕和吸濕擬合相關(guān)系數(shù)的平方分別為0.978和0.985，均取得很好的擬合相關(guān)度，擬合曲線與實際土-水特征曲線較為相符，說明該模型可較好表征曲線特性。兩過程的擬合曲線表征土樣的 ψr，θs和a的三個特征值基本一致，而擬合參數(shù)m和n不同，出現(xiàn)這一規(guī)律的主要原因為在干濕循環(huán)的過程中存在水力滯后性。在相同基質(zhì)吸力下，脫濕過程土體含水率會高于吸濕過程，導(dǎo)致吸濕過程SWCC曲線較為平緩，曲線過渡區(qū)斜率減小，擬合參數(shù)n降低；而其曲線擬合采用相同的殘余基質(zhì)吸力進行，曲線斜率趨于平緩，使得m值減小。將脫濕與吸濕過程即土體一次干濕循環(huán)過程中所有的數(shù)據(jù)采用Fredlund and Xing模型進行擬合，得SWCC曲線如圖3，擬合特征值見表3。

表3　土-水特征曲線擬合參數(shù)

圖3　干濕循環(huán)全過程土-水特征擬合曲線Fig.3 Fitting curve of soil and water characteristic by a complete dry-wet circulation

由表3和圖3可知，其進氣值(ua-uw)b和殘余含水率θr分別為50kPa和6%，擬合相關(guān)系數(shù)的平方為0.909 5，擬合相關(guān)度非常好，可用該模型進行后續(xù)抗剪強度預(yù)測。

2.2抗剪強度試驗分析

直剪試驗結(jié)果表明，僅低含水率土樣在較低豎向壓力下發(fā)生脆性剪切破壞，其余均發(fā)生塑性破壞。為表征土樣在不同含水率和不同豎向壓力下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，建立應(yīng)力與應(yīng)變間的關(guān)系曲線。限于篇幅，以含水率為15.12%土樣在不同豎向壓力下和在150 kPa圍壓下不同含水率土樣為例，如圖4(a)和4(b)。由圖4可知，相同含水率條件下，土樣抗剪強度隨加載豎向應(yīng)力增加而增加，且抗剪強度在低豎向壓力下增幅較大，高豎向壓力下增幅較小。相同豎向應(yīng)力下，土樣抗剪強度隨含水率增加而減小，不同圍壓間抗剪強度隨含水率減幅基本相同。由于重塑土土體具有各向異性特征，以及人為預(yù)先設(shè)定剪切破壞面來簡介模擬土體破壞情況，導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)部分相交，但抗剪強度變化規(guī)律明顯。

(a)含水率15.12%；豎向壓力150 kPa圖4　直剪試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of directing shear test

三軸試樣結(jié)果表明，土樣均產(chǎn)生鼓脹變形，在任意圍壓下發(fā)生塑性破壞。限于篇幅，同直剪試驗，在此僅以含水率為13.01%土樣在不同豎向壓力下和在100 kPa圍壓下不同含水率土樣為例，以軸向應(yīng)變ε為橫坐標，主應(yīng)力差(σ1-σ3)為縱坐標，建立應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，如圖5(a)和5(b)。由圖5(a)可知，土樣軸向應(yīng)變從0增至3%時，土樣處于彈性變形階段，三組主應(yīng)力差值增幅基本相同；軸向應(yīng)變從3%增至10%時，土體處于塑性變形階段，三組主應(yīng)力差值增長速率不同，隨圍壓增加而增加；軸向應(yīng)變從10%增至試驗結(jié)束，土樣發(fā)生蠕變。相同含水率土樣在不同圍壓下，隨圍壓增大，曲線起始段基本相同，而破壞時主應(yīng)力差值增大這一規(guī)律。由圖5(b)可知，通過對比相同圍壓下不同含水率土樣強度變化趨勢，可知所有土樣都隨著含水率的增大，其破壞時的主應(yīng)力差值均呈減小趨勢，即抗剪強度減小。

根據(jù)非飽和強度理論[14]，強度試驗所得總粘聚力C由有效粘聚力和吸附強度組成，即：

總結(jié)不同含水率土樣的抗剪強度參數(shù)值，建立總黏聚力與基質(zhì)吸力間的相互關(guān)系，整合試驗結(jié)果并進行擬合，得直剪與三軸試驗與基質(zhì)吸力相關(guān)的強度包絡(luò)線如圖6，抗剪強度參數(shù)值見表4。

(a)含水率13.01%；(b)圍壓100 kPa圖5　三軸試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curve of triaxial test

φ'/(°)φb/(°)c'/kPa直剪22.73418.31534.753三軸17.4374.29031.192

由圖6和表4可知，總黏聚力與基質(zhì)吸力呈線性關(guān)系，直剪和三軸試驗擬合相關(guān)系數(shù)的平方分別為0.988和0.926，相關(guān)性非常好，與總黏聚力隨基質(zhì)吸力增大而增大這一規(guī)律相符，表明該線性擬合效果良好。兩方案結(jié)果中φb均比φ'小，符合土體強度參數(shù)規(guī)律，此外，直剪試驗結(jié)果φ'、c'和φb均比三軸試驗結(jié)果大，這主要是因為直剪試驗中認為預(yù)先確定土體破壞面相關(guān)，試驗結(jié)果與其他前輩學(xué)者研究成果規(guī)律相符，與徐彬等(2011)[15]結(jié)果一致。

(a)直剪；(b)三軸圖6　總內(nèi)聚力與基質(zhì)吸力關(guān)系Fig.6 Relationship between total cohesion and the matrix suction

2.3膨脹力試驗分析

建立的膨脹力與初始體積含水率相互關(guān)系如圖7(a)。由圖7(a)知，土樣膨脹力較低，膨脹力在10～45 kPa間，與弱膨脹土特征一致，膨脹力隨初始含水率的增大而減小。采用指數(shù)函數(shù)對膨脹力與初始體積含水率進行擬合，得膨脹力與體積含水率間相關(guān)擬合方程：

Ps=3.79+358.63e-0.131 2θ

(3)

其擬合相關(guān)系數(shù)平方達0.937，相關(guān)性良好。

采用土-水特性試驗研究中建立的SWCC曲線預(yù)測方程對土樣基質(zhì)吸力進行預(yù)測，計算試樣對應(yīng)體積含水率下的基質(zhì)吸力。以前述的指數(shù)函數(shù)為基礎(chǔ)，進行擬合，結(jié)果見圖7(b)，得到基質(zhì)吸力與膨脹力間相關(guān)擬合方程：

(4)

其相關(guān)系數(shù)平方為0.926，相關(guān)性較好，可用該函數(shù)表征土體膨脹力與初始基質(zhì)吸力間的關(guān)系。

(a)膨脹力-體積含水率擬合；(b)膨脹力-基質(zhì)吸力擬合圖7　體積含水率-膨脹力、膨脹力-基質(zhì)吸力擬合曲線Fig.7 Fitting curve of misture and expansion force and the matrix suction

3　土水特性與強度關(guān)系分析

3.1驗證基質(zhì)吸力換算可行性

為驗證用膨脹力代替基質(zhì)吸力預(yù)測非飽和膨脹土強度的可行性，進行了可靠性試驗，建立預(yù)測的抗剪強度理論方程，并對其進行修正?；趬毫Π鍍x法SWCC曲線，建立SWCC曲線預(yù)測方程，綜合分析該預(yù)測方程測結(jié)果可行，預(yù)測效果良好。依托抗剪強度試驗結(jié)果，通過SWCC曲線預(yù)測方程，建立基質(zhì)吸力與抗剪強度間的相互關(guān)系。

基于建立的SWCC曲線預(yù)測方程對膨脹力試驗所用土樣基質(zhì)吸力進行預(yù)測。采用指數(shù)函數(shù)y=A×10Bx對土體基于預(yù)測方程換算的基質(zhì)吸力與膨脹力間的相互關(guān)系擬合，結(jié)果見圖7(b)所示。得膨脹力與基質(zhì)吸力的擬合方程為式(4)，其擬合相關(guān)系數(shù)平方為0.926，相關(guān)性較好。其擬合方程參數(shù)A為11.892， B為0.042，其相關(guān)系數(shù)平方為0.926，擬合相關(guān)性較好，擬合效果良好。且這一結(jié)果與文獻[19]中研究成果一致，更與文中的對微觀結(jié)構(gòu)的分析相符。因此，表明該結(jié)果驗證可行。

3.2膨脹力代替基質(zhì)吸力表征抗剪強度

基于前述研究結(jié)果， SWCC曲線模型預(yù)測基質(zhì)吸力可行性較高，預(yù)測效果良好。因此在用膨脹力代替基質(zhì)吸力表征抗剪強度預(yù)測理論中，采用其SWCC曲線預(yù)測方程作為預(yù)測模型，用式1換算基質(zhì)吸力，抗剪強度試驗強度參數(shù)見表2，其預(yù)測方程為：

(5)

采用膨脹力代替基質(zhì)吸力對非飽和膨脹土抗剪強度進行預(yù)測的實質(zhì)為用膨脹力代替非飽和土吸附強度。非飽和土的吸附強度：

(6)

為整個強度公式的一部分，因此非飽和土雙應(yīng)變強度理論公式表現(xiàn)形式可改寫為：

(7)

基于此， 為建立膨脹力與吸附強度間的相互關(guān)系，采用盧肇鈞院士[3-4]提出的線性關(guān)系對本文研究的膨脹力與吸附強度關(guān)系進行線性擬合，其結(jié)果見圖8。

由圖8可知，直剪和三軸兩試驗結(jié)果采用線性擬合y=a+bx得吸附強度與膨脹力間關(guān)系如下：

直剪：

τus= -15.162 + 1.629×Ps

(8)

三軸：

τus= -3.436 + 0.369×Ps

(9)

雖然直剪和三軸的擬合相關(guān)系數(shù)平方均達到了0.932，相關(guān)性良好。但試驗土樣的基本屬性不因試驗方法不同而發(fā)生變化，該線性擬合結(jié)果表明，同一土體在試驗中其吸附強度隨膨脹力的變化規(guī)律不同，即直剪和三軸試驗兩條擬合直線的斜率不同，這一規(guī)律與實際不符，故該擬合關(guān)系無法表征膨脹力與吸附強度間的相互關(guān)系。

因此，基于前述建立的膨脹力與基質(zhì)吸力間的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，尋求其他方法建立膨脹力與吸附強度間的關(guān)系，其結(jié)果如圖9。

(a)直剪；(b)三軸圖8　膨脹力與吸附強度線性關(guān)系Fig.8 Iinear relationship between expansion force and adsorption intensity

由圖9可知，土體膨脹力與吸附強度呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，即y=alg(bx)，得

直剪：

τus=76.235×lg(0.090PS)

(10)

三軸：

τus=17.273×lg(0.090PS)

(11)

兩者的擬合相關(guān)系數(shù)平方均達0.916，相關(guān)性較高，擬合結(jié)果可行。對比兩種試驗所得關(guān)系形式，參數(shù)b相同，即直剪試驗與三軸試驗所測吸附強度隨膨脹力變化的對數(shù)形式相同；直剪試驗a值比三軸試驗a值大，即直剪試驗測得強度值比三軸試驗高。這與土體抗剪強度測試方法對應(yīng)規(guī)律完全相符，在對土體的抗剪強度測試中，直剪試驗只是由于試驗設(shè)計原因?qū)е聹y試結(jié)果偏大，并不改變土體的特性，而這里正好顯示直剪試驗關(guān)系只是對應(yīng)三軸試驗關(guān)系的成比例增大，參數(shù)a變大，參數(shù)值b相同。因此表明擬合結(jié)果可行。

基于SWCC曲線預(yù)測方程得到用膨脹力代替基質(zhì)吸力進行非飽和膨脹土強度預(yù)測的方程為：

(12)

并得出南寧非飽和膨脹土強度理論參數(shù)值見表5。

(a)直剪；(b)三軸圖9　膨脹力與吸附強度對數(shù)關(guān)系Fig.9 Iogarithmic relationship between expansion force and adsorption intensity

Table 5 Parameters of strength equation formed by expansion force

c'/kPaφ'/(°)Aλ直剪34.75322.73476.2350.090三軸31.19217.43717.2730.090

4　結(jié)論

1)通過土水特性試驗研究，試驗測得相同基質(zhì)吸力情況下，非飽和弱膨脹土含水率在吸濕過程明顯低于脫濕過程，即土樣在干濕循環(huán)過程中存在明顯水力滯后性，土-水特征曲線存在滯回圈。

2)采用Fredlund and Xing模型對土水特征曲線進行預(yù)測，得到壓力板儀法對應(yīng)SWCC曲線模型預(yù)測方程，其預(yù)測效果良好。

3)土樣在抗剪強度試驗中表現(xiàn)為塑性破壞，抗剪強度隨含水率增加而減小。基于壓力板儀發(fā)SWCC曲線預(yù)測方程，經(jīng)換算表征出南寧弱膨脹土抗剪強度、膨脹力與基質(zhì)吸力間的相互關(guān)系。

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The experimental study on the expansion force characterizing unsaturated expansive soil strength properties

ZHANG Jincun，CHENG Qiangong，LI Xing，YAO Yuan，LUO Hao

(Faculty of Geosciences and Environmental Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu610031，China)

In order to study the feasibility of that the expansion force of unsaturated expansive soil is used as the substitute of matric suction to characterize shear strength，soil-water characteristics test，shear strength test and swelling force test of Nanning unsaturated expansive soil samples were carried out.Some results were achieved: 1) based on the Fredlund and Xing model，the soil-water characteristic prediction equation was obtained，thus，the relationship between matric suction and shear strength was built；2) after determining the baseline of matric suction conversion，the mathematic model of expansion force and shear strength was built；3) the way of using expansion force instead of matric suction to predict the shear strength was obtained by modifying the prediction equation of unsaturated expansive soil，besides，the feasibility was confirmed；4) the shear strength prediction equation of embankment of Nanning high speed railway was built，which is valuable to the construction of embankment of high speed railways.These results may be useful to the high speed railway construction.

unsaturated expansive soil；matric suction；expansion force； shear strength theory

2015-11-22

國家自然科學(xué)基金資助項目(41502289，41530639，41372292)

程謙恭(1962-)，男，甘肅靜寧人，教授，博士，從事地質(zhì)工程與巖土工程方面的研究;E-mail：chengqiangong@home.swjtu.edu.cn

U416

A

1672-7029(2016)09-1702-09