合肥地区膨胀土应力应变曲线特征及其含水率影响分析

2015-02-21蒋晓庆

宿州学院学报 2015年4期

关键词：非饱和单轴抗剪

蒋晓庆

安徽广播电视大学开放教育学院,安徽合肥,230022

合肥地区膨胀土应力应变曲线特征及其含水率影响分析

蒋晓庆

安徽广播电视大学开放教育学院,安徽合肥,230022

通过单轴压缩试验，研究膨胀土应力—应变关系曲线特征、膨胀土的残余强度以及含水率与单轴抗剪强度的变化关系。试验结果表明，膨胀土应力—应变关系分为上升段和下降段，随着应变的增加，应力先逐渐增加，达到应力峰值之后，随着应变的增加，应力缓慢下降，发生应变软化现象。随着含水率的增加，膨胀土的抗剪强度降低；同时膨胀土存在残余强度，对于合肥地区的膨胀土，峰值强度与残余强度的差值不大，表明该地区膨胀土的胀缩性不大。

膨胀土；抗剪强度；应力—应变；含水率

1 问题的提出

膨胀土是自然地质过程中形成的一种多裂隙并具有显著胀缩性的土体，对各类浅表层轻型工程建设具有特殊的危害作用[1]。合肥地区广泛分布着中-弱强度膨胀土[2-3]，其危害不容忽视。例如，合肥地区的建筑物多发变形开裂，裂缝一般集中发生在外墙转角处，外墙两角下沉而出现上宽下窄倒“八字形”斜裂缝，倾角约45°。建筑物的地基承载力、挡土墙侧土压力、土坡稳定等问题，不仅与土的抗剪强度有关[4-6]，而且与膨胀土的残余强度也有关系。膨胀土的残余强度是指土样发生破坏之后，应力保持在一稳定值，此值称为残余强度。黄志芳通过常规三轴试验，研究超固结土的残余强度与土的颗粒形状、大小、矿物组成成分有关[7]。左蔚然等通过反复直剪试验，也得出膨胀土残余强度仅与粘土性质有关[8]。本文采用单轴压缩仪对原状膨胀土的抗剪强度进行室内试验，以膨胀土作为典型非饱和粘土，研究其应力-应变曲线的变化特性；同时探讨膨胀土的残余强度以及单轴抗剪强度与含水率关系。

2 试验过程

试验膨胀土土样取自大蜀山附近，共钻孔4个，取土样10个。采用长沙100型钻机取原状土，土样呈棕灰黄，含铁锰结核，深度控制在2.5～4.3 m。单轴压缩试验采用WDT-100微机控制试验机，试验装置最大加载能力100 KN，精度1%;采用应变速率控制加载方式，每组试样规格：D=50 mm，H=100 mm。由数据采集仪自动记录荷载和位移信息，最大径向变形超过20%时，单轴压缩仪会自动上升，同时停止工作。最后由计算机计算出相应的应力和应变，并绘出应力-应变关系曲线(图1和图2)。

3 结果分析

根据应力和应变关系曲线，作如下分析：

(1)图1和图2显示，膨胀土土样应力-应变曲线分为上升段和下降段。

图1 膨胀土不同含水率下应力-应变关系曲线

图2 膨胀土不同含水率下应力-应变关系曲线

(2)图1和图2显示的应力-应变曲线分为三个阶段。第一阶段：当应力较小时(σ≤40 KPa)，应力-应变关系接近直线，弹性模量大小主要集中在25～100 MPa。该阶段膨胀土的变形主要取决于粘土颗粒的弹性变形，土颗粒内部的微裂缝没有发展。第二阶段：随着应力的增加，应变的增幅越来越大，应力-应变关系成曲线，斜率逐渐减小。膨胀土表面出现裂缝，直至加载到抗压强度峰值，膨胀土土样发生破坏。第三阶段：应力超过峰值点以后，应力随应变的增加而下降，即应力-应变曲线形状为应变软化。这种软化现象是由于非饱和膨胀土基质吸力的存在，使得膨胀土土体的结构力增加，间接反映于土体的强度增加。在外力作用下，土体发生破坏，导致这种结构力损失，土体强度下降。图1和图2同时显示应力随应变的增加而缓慢下降，因此又属于弱应变软化。

(2)土样破坏之后，存在残余强度。膨胀土的残余强度与它的结构和应力历史没有直接联系，而与它的物质组成和粒度成分相关。表1显示，试验地区膨胀土的残余强度明显低于峰值强度。两者差值越大，说明胀缩性越强。表1显示，合肥地区膨胀土的峰值强度与残余强度差值不大，下降比例最大为34.6%，可以看出该地区的膨胀土胀缩性能不高。

(3)表1还显示，随着含水率的升高，单轴抗压破坏强度降低。一方面因为膨胀土胀缩特性，含水率越高，膨胀土越软，强度越低；另一方面结合土水特征曲线特性，随着含水率的升高，基质吸力降低，膨胀土抗剪强度降低。