哈密重塑非飽和膨脹土三軸試驗研究

王 瑜，王偉星，劉 錕，王正成，褚紅梅

（中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

隨著科技的進步和土木工程的發展，由膨脹土所引發的工程問題逐步被認知，近年來國內外學者對膨脹土的非飽和強度特性進行了大量研究。陳立宏[1]利用線性回歸統計分析試驗資料，認為p-q 曲線法較包絡線法更為精確，但仍會高估內摩擦角、低估粘聚力；馮濤[2]通過超固結土的三軸試驗，得出土體的超固結特性會對三軸試驗結果產生影響；盧再華[3]對南陽膨脹土的排水剪切試驗，認為膨脹土在非飽和狀態下的內摩擦角近似等于飽和狀態下的有效內摩擦角,總粘聚力隨吸力增加而線性增大；謝定義[4]通過試驗從變形和強度兩個方面證明了土結構性參數具有明顯的合理性、廣泛性、靈敏性和穩定性；詹良通[5]研究了吸力變化對非飽和膨脹土變形和抗剪強度特性的影響；繆林昌[6]以南陽膨脹土的強度特性作為研究對象,依據常規三軸試驗結果提出了非飽和膨脹土的吸力強度與飽和度之間的非線性關系式；謝云[7]對重塑膨脹土膨脹力隨含水量和干密度的變化規律進行研究，提出膨脹力與初始含水量和干密度的關系式；劉金禹[8]利用Excel 的數據處理功能使得三軸試驗數據處理過程變得簡單；張宗堂[9]利用三軸試驗研究摻入石灰量改變膨脹土的強度和膨脹性；楊同[10]根據包絡線定理,通過求解三軸試驗應力圓包絡線,得到粘聚力c 與σc成正比,隨K 增大而下降，內摩擦角φ 只隨K 增大單調升高；李順群[11]、曹岳嵩[12]、張朝暉[13]對常規三軸試驗中土樣的固結速率、破壞標準及破壞形式進行了研究、分類；申春妮[14]通過室內試驗總結了非飽和土樣的抗剪強度的影響因素。

通過對哈密地區高速鐵路地基中的弱-中等膨脹土的重塑非飽和試樣的強度進行試驗及理論分析研究，通過理論推導將試驗結果應用于實際工程中，為處理實際問題提供理論參考。

2 數據處理相關理論

目前對于三軸試驗數據處理的方法大致有以下幾種：包絡線法、矩法、線性回歸法、p-q 曲線法等。本文采用包絡線法和p-q 曲線法對重塑土樣三軸數據進行處理并對比分析。

包絡線法是將幾個相應不同圍壓破壞的莫爾圓以（(σ1+σ3)/2，0）為圓心，(σ1-σ3)/2 為半徑繪制在τ1-σ 坐標系中，然后通過尋找這些圓的公切線來確定抗剪強度參數。

p-q 曲線法是將三軸試驗數據繪制在p-q 坐標系中（其中p=(σ1+σ3)/2，q=(σ1-σ3)/2），建立數學模型，利用最小二乘法對p、q 進行回歸，得出破壞主應力線及其截距a 和斜率k，從而通過下列關系式計算土的抗剪強度參數。

q=a+pk

φ=sin-1k

c=a/cosφ

3 土樣準備、試驗過程及結果

3.1 土樣制備及過程

3.1.1 試驗設計及土樣制備

本次試驗土樣取自新疆哈密某高速鐵路路基膨脹性泥巖，由于原狀三軸試驗所需切削土樣中含有砂石，且硬度較大，不易在少擾動條件下切削制取三軸土樣，故本文采用重塑樣試驗。

重塑樣采用原狀土烘箱中烘干12h，破碎過篩，選取大于0.5mm 的土顆粒，在干燥器中待其冷卻至室溫，按照設計的不同含水率（本次試驗設計含水率分別為8.5%、10%、12%、14%，其中含水率選取的依據是天然含水率為3.77%，而室內擊實試驗測得最優含水率為16%，為了更好的根據重塑土樣試驗結果得出天然狀態下膨脹土的抗剪強度，在天然含水率和最優含水率之間設置一定的含水率梯度，又考慮到室內三軸試樣的制取難度，綜合設定上述含水率梯度）配制。配好土樣后，在陰涼濕潤處靜置24h。采用輕型三軸制樣器，按照設計的干密度（本文中試驗設計干密度為最大干密度的90%，即1.60g/cm3進行制樣）。試樣為高度12.5cm，直徑6.18cm 三軸圓柱土樣。制樣后，采用保鮮膜密封，靜置待用[15]。

3.1.2 試驗儀器及試驗過程

本次試驗采用南京土壤儀器廠生產的常規靜三軸儀，在土樣不飽和、不固結情況下，進行不排水試驗。加載速度采用1.25mm/min，記錄間隔8s 記錄量力環中千分表讀數。

3.2 泥巖的基本物理特性

由基本室內物理、力學試驗得到該泥巖原狀土樣各種指標見表1、2、3。

表1 泥巖主要礦物成分

由表1 可知哈密膨脹性泥巖石英和斜長石含量較多，蒙脫石、伊利石和高嶺石含量不多，使得泥巖表現出弱-中膨脹。

由表2 可知哈密膨脹性泥巖為天然含水率較小、硬度較大、膨脹力較小、自由膨脹率較小的砂質黏土，也說明該土樣具有一定的膨脹特性。

表2 泥巖的基本物理特性

由表3 可知哈密膨脹性泥巖為顆粒比較細的粒組為主，所以吸水特性明顯，即土樣表現為具有一定的膨脹性的親水性膨脹土。

表3 泥巖粒度分析結果

3.3 試驗結果

試驗中對土樣施加0kPa、50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa 圍壓，進行不固結不排水進行豎向加載試驗。試驗結果（取含水率為14%為例）如下：

由圖1 可得，當土樣含水率為14%、干密度為1.60g/cm3時，土樣的粘聚力為61.79kPa、內摩擦角21.02°。

圖1 土樣含水率為14%時的應力圓

在初始干密度相同時隨著含水率增大，由p-q曲線法所得的土樣內摩擦角與包絡線所得結果趨勢大致相同，但p-q 曲線法所求內摩擦角較大，且下降趨勢大致呈線性分布，如圖2 所示。

圖2 內摩擦角對比圖

在初始干密度相同的條件下隨著含水率增大，由p-q 曲線法所得的土樣粘聚力與包絡線所得結果下降趨勢大致相同，但p-q 曲線法所求內摩擦角較大，如圖3 所示。

圖3 粘聚力對比圖

根據陳立宏等學者認為p-q 曲線高估內摩擦角、低估粘聚力的理論，由包絡線法所的結果較為接近真實內摩擦角，由p-q 曲線法所得的粘聚力較為接近真實值。又因為人為因素對包絡線法所得結果影響較大，故而p-q 曲線法更為合理，本文選取p-q 曲線法所得結果進行分析。

由圖4 可知隨著含水率增大過程中，內摩擦角逐漸減小，且關系曲線大致為線性。

圖4 含水率對內摩擦角的影響

由圖5 可知隨著含水率增大過程中，粘聚力先是下降，且下降速度逐步減小，達到含水率為12%左右，粘聚力達到最小值，隨后，隨著含水率變大，粘聚力再次逐步變大。

圖5 含水率對粘聚力的影響

4 試驗結果分析

由圖1 至圖5 所示對哈密泥巖的非飽和重塑土樣進行非飽和不排水不固結剪切試驗可知：圖2 和圖4 都證明，隨著含水率增大，重塑膨脹土樣的內摩擦角度逐漸變小；圖3 和圖5 也都證明，隨著含水率增大過程中，重塑膨脹土土樣的粘聚力先下降至最小，之后隨含水率的增加粘聚力略有增大，分析原因為：

1）隨著含水率增大，哈密非飽和重塑膨脹土樣的內摩擦角度逐漸變小。在不飽和土樣中，隨著含水率增大，土顆粒外包裹的水膜厚度越來越厚，使得土顆粒間的咬合作用力大大減小，內摩擦角也相應減小，且大致為線性關系。

2）隨著含水率增大過程中，非飽和重塑膨脹土土樣的粘聚力先下降后上升。不飽和土樣中，含水率增大，土顆粒間的水膜逐漸變大，使得土顆粒的咬合作用力和庫侖力都相應減小，所以粘聚力出現陡降現象。但是含水率繼續增大，土樣逐步接近可塑狀態，土的粘聚力略有提升。

另外，對不飽和重塑膨脹土樣在一定圍壓下，施加一定的豎向應力，土樣的體積先壓縮后膨脹，形成鼓狀，圓柱體土樣中間首先出現斜裂紋，隨軸向應變增加，裂紋逐漸擴展，直至形成貫通的剪切面，土樣破壞。

5 結論

對哈密泥巖的非飽和重塑土樣進行不排水不固結剪切試驗，可以得到以下規律：

1）隨著含水率的增大，非飽和重塑土樣的內摩擦角度逐漸變小。

2）隨著含水率增大過程中，非飽和土樣的粘聚力先下降后上升。且一開始下降速度較快，下降速度逐漸變小，直到粘聚力達到最小時下降速度為零。然后，粘聚力逐漸變大。在12%附近粘聚力最小，但是此規律由于本文試驗數據有限，對于其他土樣尚待研究。

3）從以上研究結果可知，在實際工程中，為了保證膨脹土的強度，應控制邊坡土體含水量，并做好邊坡的防排水工程，保證邊坡土體含水率不發生大的變化，才能有效地提高邊坡安全性。