裂隙對膨脹土剪切強度影響試驗研究

李方成

（中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，武漢430071）

裂隙對膨脹土剪切強度影響試驗研究

李方成

（中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，武漢430071）

裂隙對膨脹土邊坡及地基的穩定性往往具有控制作用。本文以廣西省百色市膨脹土為研究對象，制備不同裂隙面厚度及傾角（與剪切面夾角）的重塑試樣并開展環剪試驗，對比分析不同條件下的試驗結果發現：隨著裂隙面厚度及傾角的降低，試樣的峰值及殘余抗剪強度均呈下降趨勢。對比兩種因素試驗結果，裂隙面傾角對膨脹土體的抗剪強度影響更為突出。

裂隙；膨脹土；抗剪強度；厚度；角度

1 引言

類似于巖體，膨脹土體的強度也分為3部分；土塊強度、裂隙（結構面）強度以及土體強度[1]。裂隙面的分布范圍、間距、傾斜度、排列方向、形狀和裂隙面的粗糙程度、起伏程度、裂隙間完整土塊的性質等因素都對土體強度產生影響，由于裂隙分布的不均勻性，使膨脹土土體的抗剪強度具有強烈的向異性[2]。對于膨脹土邊坡，裂隙面的性質往往控制著邊坡的穩定性。在工程實踐中，當采用土體的抗剪峰值強度進行設計時往往偏于保守，而膨脹土邊坡的破壞總是由土體的峰值強度向殘余強度衰減的過程。因此，土體的殘余強度對邊坡的穩定性具有重要影響。

以廣西省百色市某變電站處地基膨脹土為研究對象，通過對其進行環剪試驗，分析裂隙面間距、傾斜度等對膨脹土體抗剪強度的影響，為膨脹土邊坡穩定性分析提供參考建議。

2 環剪試驗

2.1 試驗材料

試驗用土為廣西省百色市中膨脹土，呈黃褐色夾灰綠色，結構致密，其中，灰綠色黏土多以薄層狀分層面聚集，厚度多在1～5mm，通過XRD試驗測得黏土礦物含量為40%～50%，比重為2.68，天然狀態下含水率為23.2%～28.4%，液限為58.6%，塑限為26.7%。試驗前將土樣烘干碾碎，并過2mm篩備用。

2.2 試驗方案

本次試驗采用德國ARS型全自動閉合回路控制環剪儀，剪切盒內環直徑為100mm，外環直徑為150mm，有效高度為30 mm，其剪切面積為98.17cm2。剪切速率由高精度電機控制，其剪切速率和軸向壓力可線性或跳躍增加，剪切縫的大小在剪切開始前需人為調節。試驗機提供最大軸向壓力10kN，最大剪切應力1000kPa，最大剪切速率為32mm/min，最大軸向位移25mm。

本次研究通過控制裂隙的厚度d和裂隙與剪切面的角度θ制備不同的環剪試樣（見表1），在法向壓力為100kPa、200kPa、 300kPa、400kPa下進行環剪試驗，利用原生裂隙面充填物質進行填充。

表1 試驗試樣

3 試驗結果分析

3.1 裂隙面厚度對抗剪強度影響分析

在萬達茂施工時一次因交通意外下頜骨受傷，住院期間，各部門人員每天把現場的情況匯報過來，其間說不清的地方，急得他瞪著雙眼“嗚嗚”直叫，要來紙筆進行交流。手術第二天，便偷偷溜出病房，回到了施工現場，協調施工。至于期間被醫生護士批評了多少次，誰也記不清了。

圖1為裂隙面角度為30°時不同裂隙厚度下試樣的抗剪強度曲線，試樣的峰值強度及殘余強度均隨裂隙厚度的增加呈減小的趨勢，但殘余強度降低程度相對較小。當厚度為1mm時，試樣的粘聚力和內摩擦角分別為31.7kPa、9.4°，當厚度增加至3mm時，試樣的黏聚力和內摩擦角分別降低8.5%和3.3%，隨著厚度增加至5mm時，試樣粘聚力降低至25.3 kPa，降幅達20.2%。這是由于裂隙中的灰綠色填充物質抗剪強度參數往往低于兩側膨脹土強度[3]，因此裂隙中填充物質的厚度的增加降低了整體強度。而對于最終的殘余強度，厚度變化對其并沒有明顯影響。

圖1 不同裂隙厚度下抗剪強度曲線

表2 不同厚度試樣抗剪強度指標

3.2 裂隙面角度對抗剪強度影響分析

已有統計表明：膨脹土裂隙面傾角主要以緩傾角（＜30°）和中傾角（30～60°）為主[4]。因此，本次試驗選取裂隙面傾角為30°和60°。圖2為裂隙厚度為1mm時，不同裂隙傾角試樣的抗剪強度曲線，如圖所示，隨著裂隙面傾角的增加，試樣的抗剪強度參數總體上呈增加的趨勢，且當裂隙面傾角由30°增加到60°時，試樣的峰值粘聚力和內摩擦角分別增加了10.4%和16%，相較于裂隙面厚度對殘余強度的影響，裂隙面角度對殘余強度的影響較大，殘余粘聚力和殘余內摩擦角分別增加了23%和14%。

圖2 不同裂隙傾角下抗剪強度曲線

4 結論

本次研究通過對比不同裂隙面厚度及裂隙面傾角試樣的環剪試驗結果，得出了如下結論：

1）隨著裂隙面厚度的增加，由于裂隙面中填充物質的潤滑作用，試樣的抗剪強度參數呈降低趨勢，但殘余強度參數下降不明顯；

2）在中傾角范圍內，試樣的峰值及殘余抗剪強度參數均隨著傾角的增加而增大；

3）綜合兩種因素的試驗結果，裂隙面的傾角對膨脹土體的抗剪強度影響更為突出。

【1】劉特洪.工程建設中的膨脹土問題[M].北京:中國建筑工業出版社，1997.

【2】胡波，龔壁衛，程展林.南陽膨脹土裂隙面強度試驗研究[J].巖土力學，2012,33（10）：2942-2946.

【3】黃志全，張瑞旗，張曉麗等.膨脹土裂隙面抗剪強度及影響因素試驗研究[J].2015，45（9）:99-103.

【4】鄒維列，張俊峰，王協群.脫濕路徑下重塑膨脹土的體變修正與土水特征［J］.巖土工程學報，2012，34(12):2213-2219.

圖4 全長不密實錨桿波形示意圖

3.4 長度不足錨桿

如果錨桿長度不足，錨桿底部反射信號表現為正相位，尤其在出現多個相位相同的反射波信號時，頻譜表現為等間隔多峰形態。此時錨桿長度會明顯小于設計長度，并且錨固砂漿注滿度也不符合設計要求，見圖5。

圖5 長度不足錨桿波形示意圖

4 總結與討論

1）錨桿反射波信號可能產生于錨桿中部或錨桿底端，用錨桿底端的反射信號來確定錨桿長度，用錨桿中部反射信號來計算錨桿錨固的缺陷位置，因此判斷反射波信號的位置及特性對于檢測錨桿長度及密實度是非常重要的。

2）通過聲波法隧道錨桿錨固密實性的檢測發現，在錨固狀態的錨桿體系（錨桿與粘結劑復合體）的應力波縱波速度還與黏結劑性質、孔徑及注漿密實度有關，一般低于自由裸露的錨桿桿體速度。自由裸露狀態的錨桿應力波縱波速度與錨桿材質、直徑及應力波頻率有關，一般為5000～5300m/s。一般注漿比較密實的錨桿應力波速度范圍為4500～4900m/s，大多為4700m/s左右；密實度極差的錨桿速度與自由裸露錨桿相近，約在5000m/s左右[2]。

3）外露過長錨桿與孔口不密實類似，計算長度等于外露長度。將極大干擾有效信號，導致分析困難，甚至無法檢測。

【參考文獻】

【1】DL/T 5424—2009水電水利工程錨桿無損檢測規程[S].

【2】JGJ/T 182—2009錨桿錨固質量無損檢測技術規程[S].

【收稿日期】2016-08-08

Experimental Study on the Influence of Cracks on Shear Strength of Swelling Soil

LI Fang-cheng
(Central Southern China Electric Power Design Institute Co.Ltd.of China Power Engineering Consulting Group,Wuhan430071,China)

Cracks has a good control to the stability of the slopes and foundation of the swelling soil.Taking the swelling soil in Baise,Guangxi as the study object,we prepared remoulded specimens with different thickness and angle and made ring-shear tests.The results under different conditions showed that,with the thickness and angle going down,both the peak and residual shear strength reduced.From the two experimental results,we can see the angle of the cracks has more distinct influence on the shear strength of the swelling soil.

crack;swelling soil;shear strength;thickness;angle

TU443

A

1007-9467（2016）08-0066-02

2016-08-06

李方成（1985～），男，湖北仙桃人，工程師，從事巖土工程與勘察研究。