不同摻砂率下非飽和膨脹土強度特性研究

王楊盛 莊心善

(湖北工業大學土木建筑與環境學院 湖北 武漢 430068)

前言

膨脹土具有浸水劇烈膨脹，失水發生強烈體縮的特點。此類土在天然狀態下一般強度較高，易被誤判為工程性質良好地基并對建筑物造成嚴重損害。孔令偉、郭愛國等[1]認為弱膨脹土可用于實際路堤工程，并針對其強度提出改良方法。楊俊等[2-4]對飽和含風化砂膨脹土在不同含砂率下進行膨脹率進行對比并對邊坡穩定性機理進行了研究，認為在路基填筑中有效的控制壓實度及其上覆荷載可有效抑制膨脹土膨脹變形。邊加敏、王保田[5]針對初始含水率對抗剪強度參數影響分析發現二者呈負相關。

本文采用合肥某路段膨脹土，在有側限及相同含水率條件下研究不同初始含砂率、不同初始干密度風化砂改良膨脹土式樣的強度參數關系。

1 試驗材料及基本方案

1.1 試驗材料基本物理性質

遵從就地取材原則，試驗土樣選自安徽合肥某段公路，此膨脹土顆粒均勻，結構較為緊密。土體自由膨脹率指標44%；根據《公路土工試驗規程》(JTG E40—2007)得出該土屬于弱膨脹土。風化砂同樣取自安徽合肥某公路，為控制粒徑對改良膨脹土的影響，將自然條件下風化砂進行篩分，取有效粒徑0.75mm～1mm范圍內風化砂進行土樣配制。

風化砂不均勻系數Cu=2.81，小于5，根據《公路土工試驗規程》(JTG E40—2007)知該風化砂屬于級配不良型。

結合《公路土工試驗規程》(JTG E40—2007)，按照規范標準條件進行擊實試驗，得出式樣不同摻砂率下最大干密度以及最優含水率為17.65%。

1.2 試驗方案

本實驗依據《公路土工試驗規程》(JTG E40—2007)標準將風化砂及膨脹土過2mm篩，放置在105℃～110℃烘箱烘烤24h至恒重并采用控制初始干密度為1.7g/cm3、含水率為18%條件下設定以8%等差值摻砂量配置風化砂摻入膨脹土并均勻混合放入直徑38mm的三瓣模將濕土分四層擊實，三瓣模擊滿后將三瓣模放入飽和器中飽和48小時。固結排水試驗進行了基質吸力(Ψ)控制為0kPa、100kPa、200kPa、300kPa、凈圍壓(σ3—ua)為50kPa、100kPa、200kPa；摻砂率為0%、8%、16%、24%、32%、40%，以0.005mm/min的剪切速率以目標軸向應變為20%時完成試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 應力—應變分析

從總體上看非飽和摻砂土樣與飽和風化砂改良膨脹土應力—應變曲線有著相同的趨勢：隨著應變的增大主應力差隨之增大且應力—應變曲線符合雙曲線模型并呈硬化型；初始切線彈性模量與應變為負相關關系；摻砂率16%時土體擁有最大主應力差，摻砂率大于32%后對偏應力有著較大折減。

從圖看出土體在飽和狀態下，應力—應變曲線拐點隨摻砂率增大呈后移但達到最優摻砂率16%后開始前移。當摻砂率0%時拐點出現在應變5.81%處，而隨著摻砂率增大至16%時拐點處為9.25%，當摻砂率達到32%及40%時拐點分別提前至2.81%與2.25%。

筆者認為應力—應變的曲線拐點與其摻砂量導致結構內部礦物成分改變從而使土體內部孔隙比產生變化有關；隨著摻砂率的增大土體內部結構砂顆粒與土顆粒達到最優排列方式但隨著砂含量繼續增大導致其最優排列破壞，孔隙比呈先減小后增大狀態，由于彈性模量是與孔隙比變化有關的函數，故模量拐點的在孔隙比最小時達到峰值頂點，隨著孔隙比到最大時彈性模量拐點最小。

取應變為15%時偏應力做出不同吸力下偏應力—摻砂率曲線如圖3，發現基質吸力與偏應力之間存在正相關關系，且在小于32%摻砂率下基質吸力對式樣偏應力的貢獻呈先增大后減小趨勢，當摻砂率大于32%時此關系不成立。

這是由于基質吸力所貢獻的表觀粘聚力對土體強度產生正影響，當基質吸力逐漸增大過程中式樣飽和度逐漸降低，隨著式樣進氣值增大，孔隙水變得不連續土體顆粒間凹液面數量減少而導致基質吸力無法對此類土體顆粒產生表觀粘聚力最終導致吸力對其抗剪強度貢獻減小。

土體飽和狀態下隨著摻砂率逐漸趨于最優，其強度呈現減速上漲，土體非飽和狀態下則為加速上漲。此現象表明土體摻砂后砂顆粒置換土顆粒所產生的強度貢獻小于土體間基質吸力產生表觀粘聚力對強度的貢獻。

(a)0kPa吸力圖2 不同摻砂率下應力—應變曲線

3 結論

(1)不同摻砂率下試樣應變的增大主應力差隨之增大且應力—應變曲線符合雙曲線模型并呈硬化型，且摻砂率16%時土體擁有最大主應力差，摻砂率大于32%后對抗剪強度折減系數較高。

(2)非飽和土摻砂后砂顆粒置換土顆粒所產生的強度貢獻小于土體間基質吸力產生表觀粘聚力對強度的貢獻。

圖3 不同吸力下偏應力—摻砂率曲線

[1] 孔令偉，郭愛國，陳善雄， et al.膨脹土的承載強度特征與機制[J].水利學報，2004，35(11):54～61.

[2] 楊俊，黎新春，張國棟，唐云偉，梁勇.風化砂改良膨脹土機理及邊坡穩定性分析[J].江蘇大學學報(自然科學版)，2014，35(5):600～604.

[3] 楊俊，楊志，張國棟，唐云偉，謝支鋼.初始干密度及摻砂比對膨脹土抗剪強度指標影響[J].地下空間與工程學報，2015，11(1):77～83.

[4] 楊俊，童磊，張國棟.初始含水率對風化砂改良膨脹土無側限抗壓強度的影響[J].地質科技情報，2014，33(6):213～218.

[5] 邊加敏，王保田.含水量對非飽和土抗剪強度參數的影響研究[J].地下空間與工程學報，2011，7(1):17～21,43.