控制吸力的非飽和土抗剪切度試驗

□何芳嬋□朱關震

（1.河南省水利科學研究院；2.河南省水利工程安全技術重點實驗室）

控制吸力的非飽和土抗剪切度試驗

□何芳嬋1，2□朱關震1

（1.河南省水利科學研究院；2.河南省水利工程安全技術重點實驗室）

以河南南陽地區膨脹土為研究對象，使用可以控制吸力的非飽和土直剪儀進行不同吸力下的非飽和弱膨脹土的直接剪切試驗。得出了不同吸力下（吸力范圍為50-400kPa），膨脹土粘聚力和內摩擦角的變化趨勢。試驗結果表明，隨著吸力的增大，膨脹土的粘聚力和內摩擦角均增大。其中，在吸力＜100 kPa時，粘聚力和內摩擦角的增長趨勢隨著隨吸力的增大而加快，且該趨勢接近線性變化。當吸力＞100 kPa時，粘聚力和內摩擦角的增長趨勢隨著隨吸力的增大而有所減緩。

膨脹土；非飽和抗剪試驗；物理力學指標；變化趨勢

1 引言

膨脹土是粒度高分散，粘粒成分主要由親水礦物（蒙脫石、伊利石、高嶺石等）組成，具有劇烈的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特征的粘性土。中國鐵路部門在總結膨脹土地區修建鐵路時，有“逢塹必滑，無堤不塌”的說法。統計資料表明，中國有新老滑坡約30萬處，其中災害性的約有1.50萬處，每年滑坡造成的損失高達100億元以上。

目前在工程界廣泛應用的土力學理論是經典飽和土力學。但這些理論成果、設計規范和經驗方法僅適用于飽和土，一旦土體變為非飽和，飽和土力學中的基本原理和設計經驗不再有效。基質吸力是指在非飽和土中，氣-水分界面承受著大于孔隙水壓力的孔隙氣壓力，孔隙氣壓力大于孔隙水壓力的這個壓力差值。基質吸力通常是描述非飽和土的力學性質的重要參數。文章通過使用非飽和土直剪儀，進行了不同吸力下的膨脹土直接剪切試驗，對比分析了不同吸力下膨脹土粘聚力和內摩擦角的變化趨勢。

2 實驗方案及試驗過程

試驗采用杠桿式非飽和土直剪切儀完成。非飽和土直剪儀有剪切盒、壓力室、軸壓加載裝置、水平加載裝置、壓力控制表、500KPa陶土板、數據采集系統等組成。根據基質吸力等于孔隙氣壓力和孔隙水壓力的差值，試驗過程中基質吸力通過孔隙氣壓力來控制，孔隙水壓力約等于零，按零計算。試樣的初始狀態相同，制樣時的初始含水率為21.50%，控制干密度1.55 g/cm3。試驗過程包括制樣、飽和試樣、安裝試樣、吸力平衡、固結、剪切，其中制樣和飽和試樣在儀器外完成，安裝試樣、吸力平衡、固結、剪切在非飽和土直剪儀上完成。由于采用的是單聯直剪儀，因此吸力平衡、固結階段耗時較長。控制吸力為50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。受試驗設備限制，最大吸力只能控制為400kPa。

試驗所用土料選自河南南陽地區，土粒相對密度為2.76，液限含水率為52.71%，塑限含水率為23.70%，塑性指數29，為粘土。自由膨脹率為49%，根據《膨脹土地區建筑技術規范》（GBJ112-87），為弱膨脹土。土顆粒中，不同粒級土粒質量分數如表1所示。＜0.05×10-1mm粒徑土顆粒質量分數為31.50%，＜0.02×10-1mm粒徑土顆粒質量分數為21.10%。擊實試驗得到了最大干密度為1.54 g/cm3，對應的最優含水率為24.40%，土顆粒風干含水率為4.90%。

表1 不同粒級土粒質量百分數表

試樣的飽和過程采用飽和架和抽氣飽和缸完成，抽氣飽和時間大約24 h。試樣安裝前需要進行陶土板飽和，可以將裝有陶土板的剪切盒拆下來，進行抽氣飽和，兩天后再用無氣水浸泡48 h。為了讓土樣能夠良好地接觸到陶土板，陶土板與試樣之間不能放濾紙。試樣安裝好后，施加軸向壓力和孔隙氣壓力到目標值，觀察水管的出水量，以24 h內排出水量＜0.03 ml為固結完成和吸力平衡標準。剪切過程保持孔隙氣壓力和孔隙水壓力不變，剪切速率為0.05×10-1mm/min。

3 試驗結果分析

不同吸力下粘聚力和內摩擦角試驗結果如表2所示，根據表2數據，繪制了粘聚力和內摩擦角隨吸力變化關系曲線，見圖1。從圖上可以看出，隨著吸力的增大，粘聚力和內摩擦角均增大。在吸力＜100 kPa時，粘聚力和內摩擦角隨吸力變化增大較快，接近線性變化。當吸力＞100 kPa時，粘聚力和內摩擦角隨吸力變化增大較慢。

表2 不同吸力下粘聚力和內摩擦角試驗結果表

圖1 粘聚力、內摩擦角隨吸力變化關系曲線圖

原因是在吸力＜100 kPa階段，試樣的水分隨吸力的增大而損失地較快，隨著試樣水分的減少，試樣產生了一定的體縮而變得更加密實，從而使粘聚力和內摩擦角增大。而在吸力＞100 kPa的階段，由于前期的水分的大量損失，使得試樣變得更加密實，在后期增大吸力時，水分流失的通道減少和減小，導致水分流失的速度相應的降低，進而減緩了粘聚力和內摩擦角隨吸力增大而增大的速率。

通過對實驗數據的分析可知：對膨脹土邊坡來說，填土完成之后的緩慢干燥過程中，會因土體水分的蒸發而導致吸力逐漸增加，土體強度隨之增大，有利于邊坡穩定。但在干燥過程中，土體內又會產生裂縫，從而破壞了土體的整體性，為今后降雨入滲導致的邊坡失穩提供通道。當降雨發生時，土體中的水分隨之迅速增加，土體的飽和度大幅增加，基質吸力明顯下降，土體的抗剪強度隨之大幅降低。反復的干濕循環及膨脹土的濕漲干縮特性更使得會使土體變得松散，產生大量裂隙，自身強度降低。使得膨脹土地區的工程災害頻發。

4 結論

在吸力＜100kPa階段，粘聚力和內摩擦角隨吸力變化增大較快，接近線性變化。是因為試樣的水分隨吸力的增大而損失地較快，隨著試樣水分的減少，試樣產生了一定的體縮而變得更加密實，從而使粘聚力和內摩擦角增大。

在吸力＞100kPa的階段，由于前期的水分的大量損失，使得試樣變得更加密實，在后期增大吸力時，水分流失的通道減少和減小，導致水分流失的速度相應的降低，進而減緩了粘聚力和內摩擦角隨吸力增大而增大的速率。

對膨脹土邊坡來說，填土完成之后的緩慢干燥過程中，會因土體水分的蒸發而導致吸力逐漸增加，土體強度隨之增大，有利于邊坡穩定。但在干燥過程中，土體內又會產生裂縫，從而破壞了土體的整體性，為今后降雨入滲導致的邊坡失穩提供通道。

［1］趙成剛，蔡國慶.非飽和土廣義有效應力原理［J］.巖土力學，2009，30（11）：3232-3236.

［2］張俊然，許強，孫德安.吸力歷史對非飽和土力學性質的影響［J］.巖土力學，2013，34（10）：2810-2814.

編輯：趙鑫

TU44

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1673-8853（2017）04-0074-02

2017-2-22