南水北调中线工程禹州段膨胀土的非饱和性质研究

黄志全，李明霞，刘莹莹

(华北水利水电大学 资源与环境学院，河南 郑州 450045)

在自然界和工程实践中遇到的绝大部分土都是非饱和土，非饱和土与饱和土的最大区别就在于前者有基质吸力.而膨胀土就是一种典型的非饱和土，因此研究基质吸力对膨胀土抗剪强度的影响，对工程实践具有重要的意义.

早在1956 年，Donald［1］通过一系列控制孔隙水压力的直剪试验发现，在基质吸力小于101 kPa 范围内，细砂、粗粉土的抗剪强度随基质吸力增长而提高.扈胜霞等［2］对非饱和原状黄土的研究结果表明:基质吸力对有效内摩擦角影响不大，但对黏聚力影响显著.黄志全等［3］对三门峡地区黄土状粉质黏土的研究结果表明:基质吸力的变化规律与土的基本状态有着密切关系，尤其是在相同含水率、相同围压、不同干密度的状态下，基质吸力会随着饱和度的增加出现先增后减的变化规律.文献［4－7］的研究结果表明:非饱和粉质黏土、黄土、粉细砂、砂质粉土和粉质黏土的抗剪强度中的φb并不是一个常量，随基质吸力的增大而减小，并且总是小于φ'.以上的一些研究结果都是针对粉质黏土、黄土、粉土或砂土，其他种类的土(如膨胀土)是否同样符合上述规律，需要进一步研究.

笔者以南水北调中线工程禹州段膨胀土为研究对象，研究基质吸力对其抗剪强度的影响.

1 膨胀土基本物理力学性质

试验土样均取自南水北调工程中线禹州段，取样位置埋深约4 m，呈红褐色，偶见少量钙质结核.颗粒分析结果表明:试验用土以0.005～0.050 mm 粒组含量为主，占总含量的63.5%，0.100～0.250 mm 粒组含量为6.6%，0.075～0.100 mm 及0.050～0.075 mm 粒组含量分别为3.3%和6.4%，小于0.005 mm 的粒组占20.2%;液限为40%，塑限为22%，属于低液限粉质黏土;土样自由膨胀率为42%，属于弱膨胀土.天然含水率为18%，天然干密度为1.61 g/cm3，相对密度为2.72.

2 非饱和试验

GDS 非饱和三轴试验系统是传统三轴试验的扩展，增加了控制孔隙气压和孔隙水压的功能，而且轴压和围压、孔隙气压和水压可以同时变化.GDS非饱和三轴试验系统可以研究地下水位以上的土体特性，可以模拟现场土体的非饱和状态.

2.1 试验方案

非饱和膨胀土的三轴剪切试验分成4 组(控制基质吸力分别为0，50，100，200 kPa)，每个基质吸力作用下控制净围压分别为100，200，300 kPa，共制备12 个压实试样进行三轴试验.该试验包括吸力平衡、等吸力固结和等吸力剪切3 个阶段.首先在仪器上对制备好的试样进行反压饱和，随后在保持试样中孔隙水压力为零的条件下，施加孔隙气压力改变土体中的基质吸力，使其达到设定的值;之后保持基质吸力不变，缓慢施加围压至试验预定的固结压力;最后，施加轴向压力对试样进行剪切，剪切速率设定为0.008 mm/min.针对试样在剪切过程中不同的破坏形式，采用不同的破坏标准，由于试验中试样是应变硬化的试样，取轴向应变为15%时对应的应力为破坏值.

2.2 试验仪器

非饱和膨胀土所采用的试验仪器为GDS 非饱和三轴试验系统，如图1 所示.该试验仪器由3 部分构成.①压力控制系统.由轴压控制器、围压控制器、反压控制器和气压控制器4 部分组成，压力由液压系统传递.②数据采集系统.包括8 通道数据采集板和转换器.③测压系统.包括内置水下的荷重传感器+RFM(远程反馈模版)、轴向位移传感器和孔压传感器.

图1 GDS 非饱和三轴试验系统组成

2.3 制样过程

按照《土工试验规程》(SL237—1999)配置一定含水率土样，放置在保湿器中静置24 h，采用压实方法制备三轴试样.按照设计的干密度和制样器的体积计算出所需土样的质量，将其平均分成3 份.采用千斤顶静力压实的方法分3 层压实，每压实一层后要用道具把表面刮毛，最后一层压实后，用刮刀把上、下表面刮平.制出的三轴试样的直径和高度分别为50 mm 和100 mm，其干密度为1.69 g/cm3.试样经抽气饱和后放入保湿器中备用.

2.4 试验步骤

进入GDS 软件和非饱和试验模块4D Unsaturated，设定保存路径、土样参数、初始值、试验阶段.

第1 步:反压饱和.安装试样，进入试验的饱和阶段，设定围压和反压进行饱和.

第2 步:吸力平衡.试样饱和后，根据设定的试验方案，设定目标围压、反压和气压力值，通过控制孔隙气压和孔隙水压来改变试样中的原有吸力，并使目标吸力在整个试样中分布均匀，让试样在此状态下进行吸力平衡.平衡的标准为2 h 内的体积变形量小于0.01 mm3或者24 h 内测得试样排水或吸水量小于试样体积的0.02%.此阶段是应力控制.

第3 步:等吸力固结.进入等吸力固结阶段，保持基质吸力不变，缓慢施加围压至试验预定的固结压力，固结时间至少为24 h.此阶段也是应力控制.

第4 步:等吸力剪切.按预先设定的剪切速率，施加轴向压力对试样进行剪切，当试样轴向应变达到18%时，试验结束.此阶段改为应变控制.

需要遵循原则的是:围压必须高于孔隙气压和孔隙水压;孔隙气压必须高于孔隙水压;孔隙气压与孔隙水压之差不能超过底座上陶土板的进气值.

3 试验结果分析

孔隙气压力(ua)是基于外界气压下土颗粒孔隙中的相对气压，它对土颗粒间的力学作用有贡献.孔隙水压力(uw)指的是基于外界气压下土颗粒间的水压力.某一单元土体中平均孔隙水压力与平均孔隙气压力之差(ua－uw)称为基质吸力，它表示土体吸水的能力.

Fredlund 于1978 年提出了非饱和土抗剪强度公式:

公式中抗剪强度由3 部分组成:第1 部分为土样黏聚力c'对抗剪强度的影响项;第2 部分为作用力和内摩擦角对抗剪强度的影响项(σ－ua)tanφ;第3 部分为基质吸力对抗剪强度的影响项(ua－uw)tanφb.将第1 部分和第3 部分合并成一项，即总内聚力

则非饱和土的抗剪强度公式可简化为类似于饱和土抗剪强度公式的形式，即

因此基质吸力对抗剪强度的影响包含在基质吸力对总内聚力的影响内.若分析基质吸力对抗剪强度的影响，则可以转化为分析其对总内聚力的影响.

根据非饱和三轴试验数据绘制的摩尔－库仑破坏包络线，对非线性包络线采用简化成一条直线包络线的方法处理［8］.试样在不同基质吸力情况下库仑强度包络线如图2 所示，从图中可以确定膨胀土的总内聚力和有效内摩擦角.当基质吸力分别为0，50，100，200 kPa 时，黏聚力分别为17.9，29.7，38.6，56.4 kPa，有效内摩擦角分别为14.5°，13.9°，13.3°，12.6°.

黏聚力与有效内摩擦角随基质吸力的变化曲线分别如图3 和图4 所示.

由图3 可知，黏聚力随着基质吸力的增大而增大，且增幅十分明显.这是因为试验中所测得的黏聚力是总内聚力，它包含土体的有效内聚力和基质吸力对强度的增强力，从公式(2)可知这种增强力随着基质吸力的增大而呈线性增加状.试验结果就是总内聚力随基质吸力的增大而增大，且增大幅度也逐渐变大，基质吸力对强度的增强力就是非饱和土强度要大于饱和强度的原因.

由图4 可知，随着基质吸力的增大，土体有效内摩擦角有减小的趋势.但是这种减小幅度非常小，因此可以认为基质吸力对有效内摩擦角几乎没有影响.

膨胀土的抗剪强度随基质吸力和围压的变化曲线如图5 所示.基质吸力试验结果表明:非饱和膨胀土的抗剪强度不仅取决于所承受的围压，而且还与基质吸力大小密切相关，且随围压和基质吸力的增大而增强.由土结构直接产生的吸力称为结构吸力，它主要来源于土颗粒间的胶结作用、齿合力、表面力、磁性力、离子—静电力和偶极力等.结构吸力为土颗粒之间的内部拉应力，相当于土体外受压应力，它对抗剪强度的贡献即是内聚力的一部分.从结构吸力的角度也可以解释黏聚力随吸力增大而增加的现象.

图5 不同基质吸力作用下，围压与抗剪强度的关系曲线

4 结语

通过对南水北调中线工程禹州段膨胀土的非饱和性质研究，得到如下结论.

1)非饱和膨胀土的黏聚力随基质吸力的增大呈非线性增大状，且增幅明显.

2)非饱和膨胀土的有效内摩擦角随着基质吸力的增大，有减小的趋势，但是这种减小幅度非常小，因此可以认为基质吸力对有效内摩擦角几乎没有影响.

3)非饱和膨胀土的抗剪强度不仅取决于所承受的围压，而且还与基质吸力的大小密切相关，且抗剪强度随围压和基质吸力的增大而增强.

［1］Donald I.Shear strength measurements in unsaturated noncohesive soils with negative pore pressures［C］∥Proceedings of the 2nd Australia-New Zealand Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering，Christchurch.New Zealand:Technical Publications Ltd.，1956.

［2］扈胜霞，周云东，陈正汉.非饱和原状黄土强度特性的试验研究［J］.岩土力学，2005，26(4):660－663.

［3］黄志全，陈宇，宋日英，等.三门峡地区黄土状粉质黏土非饱和性质试验研究［J］.岩土力学，2010，31(6):1759－1762.

［4］黄志全，陈贤挺，刘丰收，等.基质吸力对小浪底水库1#滑坡非饱和土强度影响试验研究［J］.中国水运，2007，7(7):123－125.

［5］闫亚景，文宝萍，计博勋.基质吸力对非饱和重塑黄土抗剪强度的贡献［J］.工程地质学报，2011，19(6):865－874.

［6］林鸿州，李广信，于玉贞，等.基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响［J］.岩土力学，2007，28(9):1931－1936.

［7］孟黔灵，姚海林，邱伦锋.吸力对非饱和土抗剪强度的贡献［J］.岩土力学，2001，22(4):423－426.

［8］黄志全，陈贤挺，姜彤，等.小浪底水库1#滑坡体非饱和土强度特性试验研究［J］.岩土力学，2009，30(3):640－644.