黏粒含量对磁县段膨胀土抗剪强度影响的试验研究*

张晓丽　周　进　黄志全　王　伟　张瑞旗

(华北水利水电大学资源与环境学院　郑州　450011)



黏粒含量对磁县段膨胀土抗剪强度影响的试验研究*

张晓丽周进黄志全王伟张瑞旗

(华北水利水电大学资源与环境学院郑州450011)

利用电动应变控制式直剪仪及直剪/残余剪切试验仪对南水北调磁县段不同黏粒含量的原状膨胀土进行快剪、饱和快剪、饱和固结快剪和反复直剪试验，研究黏粒含量对其抗剪强度的影响。研究表明：饱和后试样的抗剪强度明显降低，固结后强度提高，且饱和作用对黏粒含量较大的中膨胀土强度的削弱作用更为显著，固结作用对黏粒含量较小的弱膨胀土强度的“治愈”作用更显著； 随黏粒含量的增大，黏聚力逐渐减小，内摩擦角则先减后增，其临界值在32%左右； 峰值强度后的抗剪强度降低幅度随黏粒含量的增加而增大； 土体的峰值强度τf随黏粒含量则先减后增，变化趋势比较平缓； 残余强度τr随黏粒含量增加逐渐减小，成指数关系； 残余强度内摩擦角φr与黏粒含量成对数关系，黏聚力cr则比较离散。

原状膨胀土反复直剪黏粒含量峰值强度残余强度

0　引　言

膨胀土因具有胀缩性、裂隙性和超固结性，较一般的黏性土更为复杂(刘特洪， 1997； 缪林昌等， 2002； 陈尚法等，2010)。关于膨胀土的强度指标的影响因素以及试验方法，国内外已有大量的研究，并提出了许多重要的结论。戴福初等(1998)对黏性土的残余强度的试验方法和影响因素进行分析表明，残余强度与有效法向应力间成非线性关系； 与单剪测试结果相比，多级剪测试结果明显偏高。缪林昌等(2006)通过不同干密度、不同吸力的非饱和膨胀土的三轴试验，发现非饱和重塑膨胀土的吸力强度与吸力的双曲线特性。黄志全等(2008)以南阳膨胀土为例，

表1　试验土样的基本物理参数Table1　Basic physical parameter of tested soils

土样编号颗粒级配液塑限指标压缩指标砂粒粉粒黏粒液限塑限塑性指数压缩系数压缩模量颗粒大小/mm0.25～0.0750.075～0.005<0.005WL17WPIPa1-2Es1-2/%/%/%/%/%/MPa-1/MPa121.763.215.136.722.514.20.13811.24213.762.320.737.519.418.10.1649.7433.962.633.562.732.130.60.15212.1043.350.845.969.236.133.10.11514.72

通过原位直剪试验，研究了南阳膨胀土的抗剪强度特性，并提出了膨胀土抗剪强度的修正公式。赵文建等(2009)通过对百色击实重塑膨胀土抗剪强度研究发现：随干密度增大，膨胀土峰值强度增加，残余强度变化不显著。徐彬等(2011)通过对膨胀土干湿循环过程中的抗剪强度研究发现含水率、密度及裂隙是影响其强度的3个因素。许成顺等(2013)通过对黏性土进行环剪试验发现应力历史对黏性土的影响不太明显，黏土的峰值强度与超固结比正相关； 残余强度随塑性指数增大而降低。赵鑫等(2014)通过对南水北调中线南阳段膨胀土进行大型直剪试验，结果表明裂隙的发育程度、裂隙面的起伏程度、倾角均对膨胀土抗剪强度影响很大。强菲等(2014)在黄土的完全软化强度与残余强度的分析中发现黏粒含量对两种强度差值的影响随预压固结应力的减小呈乘幂性增大。抗剪强度指标对地基处理及边坡稳定分析等至关重要，然而对膨胀土强度影响较大的黏粒含量方面的研究较少，因此针对不同黏粒含量下的抗剪强度进行研究有实际工程意义。本文以南水北调河北磁县段的膨胀土为研究对象，该区域分布的膨胀土主要是第三系中新统黏土、黏土岩，强度等级以中强为主(何运龙等， 2014)。本文采用电动应变控制式直接剪切仪及直剪/残余剪切试验仪对不同黏粒含量的膨胀土在不同法向应力和不同状态下进行抗剪强度试验，分析研究该区域膨胀土抗剪强度特性，为该地区的膨胀土工程中参数选取提供一定的参考依据。

1　试验方案设计

1.1土的基本物理性质指标

试验土样取自南水北调中线工程河北磁县段，所取土样为边长20cm的正方体，密封保存。本次试验选用土样分别编号为1、2、3、4。其中试样1、2主要呈黄褐色，夹少量灰绿色，含有少量的钙质结核和动植物残渣。试样3、4原状土呈灰绿色和黄褐色，以灰绿色为主，裂隙发育，且裂隙面光滑。试验土样的基本物理指标(表1)。

试验结果表明，土的液、塑限和膨胀率随黏粒含量的增加而增大，且随黏粒含量继续变大，膨胀率的增大幅度相对变缓。试样2、4的黏粒含量分别较试样1、3的黏粒含量大，而其自由膨胀率却相对偏小。这说明黏粒含量只在一定程度上反映土体的膨胀潜势。对于土体膨胀性的判别还应综合土体液限、塑性指数、自由膨胀率以及胀缩率等其他指标。由现行的膨胀土判别标准可以判定本文试验土样1、2为弱膨胀土， 3、4为中膨胀土。

2　膨胀土抗剪强度试验

本次试验采用多样剪，将4种不同黏粒含量的原状膨胀土样，分别进行快剪，饱和快剪，饱和固结快剪，饱和固结直剪/残余剪5种剪切试验。饱和试样采用真空抽气饱和，饱和后固结12h进行剪切试验。每组试样分别在100kPa、200kPa、300kPa及400kPa的法向应力下进行剪切试验。

2.1快剪试验

试验采用电动应变控制式直接剪切仪，按照土工试验规范操作(中华人民共和国标准缩写组，1999)，以0.8mm·min-1的剪切速率分别进行直接快剪、饱和快剪和饱和固结快剪试验。快剪试验数据(图1，表2)。

图1　不同状态下试样的抗剪强度Fig. 1　The shear strength of samples under different conditionsa.试样1； b.试样2； c.试样3； d.试样4

表2　快剪试验抗剪强度指标Table2　Shear strength index of quick shear test

土样编号快剪饱和快剪饱和固结快剪黏聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)黏聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)黏聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)174.0018.9041.0012.2065.0024.50271.0018.1040.0012.3067.0024.10358.0214.2031.166.8342.3712.30440.5224.5422.1012.3036.0018.00

由图1可以知，饱和快剪试验所得抗剪强度明显低于快剪试验结果。这是因为试样在饱和过程中，土颗粒间孔隙被水填充，在固体颗粒间起到润滑作用，同时亲水矿物吸水后膨胀变形，原结构遭到破坏，导致土体的抗剪强度降低。而固结作用引起的强度提高现象，是因为固结过程中由于竖向荷载的作用使得土颗粒间的孔隙压缩、减少，孔隙水(气)被排除，土体被压密，土颗粒靠近并重新分布，土颗粒间的咬合作用更加显著，从而使得土体有效应力增大，抗剪强度得到提高。本文试验中试样1、2、3、4饱和后抗剪强度分别降低为快剪强度的59%、61%、53%、50%，饱和固结后的抗剪强度分别为饱和快剪强度的1.88、1.90、1.52、1.53倍。由表2可知，弱膨胀土试样1、2的饱和固结快剪强度φ值较其快剪的大，c值则相对较小。而中膨胀土试样3、4饱和固结快剪强度c值、φ值较其快剪均变小。由此分析饱和作用对黏粒含量较大的中膨胀土强度的削弱作用更为显著； 固结作用对黏粒含量较小的弱膨胀土强度的“治愈”作用更显著。因此膨胀土黏粒含量较大时，含水率对土体的强度影响显著，含水量越大，工程性质就越差。

图2　黏聚力c、内摩擦角φ与黏粒含量的关系曲线Fig.2　The relation curves of cohesion c，internal friction angle φ with clay content

由图2 可发现，无论是直接快剪还是饱和或饱和固结快剪，土体的黏聚力均随黏粒含量的增加而降低。而内摩擦角随黏粒含量的增加出现先减小后增大现象，表明黏粒含量对土体摩擦角的影响存在一个临界值，为32%左右。在之后的残余强度试验中，饱和固结后的试样在反复直剪试验中得到的峰值强度和残余强度的黏聚力随黏粒含量的增加出现同样现象。因此在工程建设中可通过改良土体的黏粒含量小于32%，以提高土体的抗剪强度。

2.2反复直剪试验2.2.1试验仪器及原理

反复直剪试验使用直剪/残余剪切试验系统ShearTrac-Ⅱ(Geocomp)，在慢速排水条件下，对试样进行反复剪切至剪应力达到稳定值，测得土体残余剪切强度。

本文试验设定首次剪切速率为0.04mm·min-1，剪切6mm后，以0.4mm·min-1的速率退回原位，然后重复上述两步骤，共4个来回，最终剪切位移48mm。试验取第1次剪切的剪应力的峰值作为土体的峰值抗剪强度，取第4次剪切过程中4mm处(总剪切位移40mm处)对应的剪应力作为残余强度。

2.2.2试验结果对比与分析

由反复直剪试验测得试样的峰值强度与残余强度指标(表3，表4，图3)。

表3　不同压力下试样的抗剪强度Table3　Shear strength of samples under different pressures

P/kPa1234τfτrτfτrτfτrτfτr /kPa/kPa/kPa/kPa/kPa/kPa/kPa/kPa100.0114.773.6109.477.398.755.0111.157.3200.0152.2115.9166.6135.3151.796.6147.080.5300.0191.0172.7181.9155.6181.697.9187.892.3400.0256.9210.5256.2193.5225.1126.3244.1108.3

表4　峰值强度与残余强度指标Table4　Peak strength and residual strength index

试样编号峰值强度残余强度cpφpcrφr/kPa/(°)/kPa/(°)162.3524.9636.3323.63261.1724.1348.1918.84361.9622.2641.1212.00462.5523.7443.389.30

图3　峰值强度τf、残余强度τr与黏粒含量的关系曲线Fig. 3　The relation curve of peak strength τf， residual strength τr with clay content

已有研究认为当边坡出现滑动时，边坡的稳定性基本上是由岩土体的残余强度决定的(左巍然， 2007； 谭文辉等， 2007； 李青云等， 2009)。而残余强度与黏土的应力历史和结构性无关，只与黏土颗粒的形态、大小、含量及矿物成分等因素有关(刘特洪， 1997； 徐彬等， 2011)。

如图4，以试样3在400kPa竖向压力下的剪应力-位移曲线为例。可发现第2、3、4次剪切过程抗剪强度依次降低，其他3组试验结果也有类似特征。这是因为每次剪切初期需克服剪切带上颗粒的逆向排列，以及颗粒间黏结引起的剪阻力。而剪切后期，主要克服剪切面间的摩擦阻力，此时剪切带附近的土颗粒在转动和拨动的过程中，不断地发生破裂及重排列现象，剪切带逐渐趋于光滑，同时多次剪切后剪切带的土颗粒粒径变小。剪切面的吸附电位增加引起水分转移，使得剪切带含水率增大。剪切带上的黏粒吸水产生膨胀，使颗粒间距离增大，使得剪切带处局部孔隙比较大，从而大大减小了土体的抗剪强度，因此每剪切一次土体的抗剪强度便会衰减掉一部分。

由表3可知，试样1、2、3、4的残余强度τr分别约为其峰值强度τf的80%、70%、60%、50%，可以发现强度降低幅度随黏粒含量的增加而明显增大。这是因为该区中强膨胀土中黏土颗粒中多以蒙脱石矿物为主，颗粒多呈细小鳞片状或扁平板状，在剪切过程中此类颗粒沿剪切方向易发生高度的定向重分布排列，使得抗剪强度大幅度降低。峰值强度τf与黏粒含量成二次多项式关系，变化趋势比较平缓； 残余强度τr随黏粒含量增加逐渐减小，两者成指数关系(图3)。

由表3和表4可知，试样1、2、3、4的残余强度φr值与峰值强度φf之比φr/φf分别为94.67%、78.10%、53.90%、39.20%，随着黏粒含量的增大，土体残余强度φr较峰值强度φf有显著降低。但cr/cf值则比较离散。综上可知黏粒含量主要通过影响内摩擦角φ值来影响土体的抗剪强度。黏粒含量较大的中等或强膨胀土的强度衰减程度较大，残余强度较小。而膨胀土边坡的长期稳定性主要取决于土体的残余强度，因此可以通过掺入生石灰、水泥等来控制膨胀土的膨胀性来提高土体的长期强度(薛新华等， 2013； 汪明武等， 2014)。

图4　试样3在400kPa竖向压力下的应力-位移曲线Fig. 4　The curve of shear stress and displacement when samples 3 under 400kPa vertical pressure

由图3 可以看出，随竖向压力的增大，膨胀土峰值强度和残余强度均有一定的提高。竖向压力越大，对土体的压密固结作用越显著，土体的延性就得到提升。但随黏粒含量增大，膨胀土残余强度增大幅度有所减小。因此，膨胀土工程中，可以考虑适当的增大竖向荷载来提高土体稳定性，但对于黏粒含量较大的膨胀土的增强效果不是很明显。

3　结　论

(1)土的液、塑限和膨胀率随黏粒含量的增加而增加，其中塑性指数与黏粒含量呈对数关系； 黏粒含量对膨胀土强度影响十分显著，随黏粒含量的增大，3种快剪条件下的黏聚力均逐渐减小，内摩擦角则先减后增，其临界值在32%左右。

(2)饱和后土体的抗剪强度降低，固结后强度升高，且饱和作用对黏粒含量较大的中膨胀土强度的削弱作用更为显著； 固结作用对黏粒含量较小的弱膨胀土强度的“治愈”作用更显著。 膨胀土黏粒含量较大时，含水率对土体的强度影响显著，含水量越大，工程性质就越差。

(3)峰值强度后的抗剪强度降低幅度随黏粒含量的增加而明显增大。因此需通过掺入生石灰、水泥等其他物质控制膨胀土的膨胀性来提高土体的长期强度。

(4)残余强度τr随黏粒含量增加逐渐减小，呈指数关系。同时残余强度φr与黏粒含量成对数关系，cr则比较离散。黏粒含量主要通过影响残余强度的φr值来影响土体的抗剪强度。

(5)竖向压力越大，膨胀土峰值强度和残余强度均有一定的提高，但对于黏粒含量较大的黏土效果不明显。

以上结论，是对于特定区域原状膨胀土进行研究所得。因原状样的不均匀性，以及各试样间个别物理参数的差异性，使得试验所得数据有个别奇异点，但其规律性还是比较明显的，具有一定的参考价值。对于其他不同区域，不同类型的膨胀土有待进一步研究。

Chen S F，Wen S Y，Leng X H，et al. 2010. Treatment measures for expansive-soil canal slope of Phase I Works of Middle Route Project of S-N Water Diversion[J]. Yangtze River， 41(16)： 65～68．

Dai F C，Wang S J，Lee C F. 1998. The drained residual strength of volcanics-derived soil sampled on Lantau Island Hong Kong[J]. Journal of Engineering Geology，6(3)： 223～228．

He Y L，Liu X Q，Xi G Z，et al. 2014. Research on field identification method of swelling rock(soil) in Ci County of Hebei[J]. South to North Water Transfers and Water Sscience & Technology，12(3)： 198～200，137．

Huang Z Q，Wu L F，Wang A M，et al. 2008. Stability analysis of expansive soil slope based on in-situ shear test[J]. Rock and Soil Mechanics，29(7)： 1764～1768．

Li Q Y，Cheng Z L，Ma Q，et al. 2009. Study on the failure mechanism and treatment technology of the expansive soil slope of MRP[J]. South to North Water Transfers and Water Science & Technology，7(6)： 13～19．

Liu T H. 1997. Expansive soil problems in engineering construction[M]. Beijing： China State Construction Engineering Press： 31～90.

Miao L C，Cui Y，Chen K J，et al. 2006. Test on strength of unsaturated remolded expansive soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，28(2)： 274～276．

Miao L C，Liu S Y. 2002. Soil-water characteristics and shear strength of expansive soil[J]. SHUILI XUEBAO，7： 87～92．

Ministry of Water Resources of the People’s Republic of China. 1999. Code for soil test method(GB/T50123-1999)[S]. Beijing： China Planning Press.

Qiang F，Li P，Li T L. 2014. Comparative test study between fully softened and residual strengths of loess[J]. Journal of Engineering Geology，22(5)： 832～838．

Tan W H，Ren F H，Miao S J. 2007. Influence of parameters of peak strength and residual strength on the reinforcement of slopes[J]. Rock and Soil Mechanics，28(S1)： 616～618．

Wang M W，Li J，Xu P，et al. 2014. Cloud model for shrinkage-swelling property classification of untreated and lime-treated expansive clays[J]. Journal of Southeast University，44(2)： 396～400．

Xu B，Yin Z Z，Liu S L. 2011. Experimental study of factors influencing expansive soil strength[J]. Rock and Soil Mechanics，32(1)： 44～50．

Xu C S，Yin Z Q，Du X L，et al. 2013. Experimental study of shear strength of clay[J]. Shuili Xuebao， 44(12)：1433～1438．

Xue X H，Yang X G. 2013. Indoor-test research on improvement of expansive soil[J]. High Speed Railway Technology，4(6)： 33～36．

Zhao W J，Zhan W T，Ni X，et al. 2009. Shear strength of baise remolded expansive soil[J]. Rock and Soil Mechanics，30(S2)： 244～248.

Zhao X，Yang Y H，Zhu Y J. 2014. Analysis of impact of crack surface on shear strength of strong expansive soil[J]. Rock and Soil Mechanics，35(1)： 130～133．

Zuo W R，Yang H P，Liu P. 2007. Study on the determ ination of residual strength for expansive soil[J]. Journal of Changsha Communications University，23(1)： 23～27．

陈尚法，温世亿，冷星火，等. 2010. 南水北调中线一期工程膨胀土渠坡处理措施[J]. 人民长江，41(16)： 65～68．

戴福初，王思敬，李焯芬. 1998. 香港大屿山残坡积土的残余强度试验研究[J]. 工程地质学报，6(3)： 223～228.

何运龙，刘晓琪，郄国增，等. 2014. 河北磁县膨胀岩(土)现场鉴别方法[J]. 南水北调与水利科技，12(3)： 198～200，137．

黄志全，吴林峰，王安明，等. 2008. 基于原位剪切试验的膨胀土边坡稳定性研究[J]. 岩土力学，29(7)： 1764～1768．

李青云，程展林，马黔，等. 2009. 膨胀土(岩)渠道破坏机理和处理技术研究[J]. 南水北调与水利科技，7(6)： 13～19．

刘特洪. 1997. 工程建设中的膨胀土问题[M]. 北京：中国建筑工程出版社： 31～90．

缪林昌，崔颖，陈可君，等. 2006. 非饱和重塑膨胀土的强度试验研究[J]. 岩土工程学报，28(2)： 274～276．

缪林昌，刘松玉. 2002. 南阳膨胀土的水分特征和强度特性研究[J]. 水利学报，7： 87～92.

强菲，李萍，李同录. 2014. 黄土完全软化强度与残余强度的对比试验研究[J]. 工程地质学报， 22(5)： 832～838．

谭文辉，任奋华，苗胜军. 2007. 峰值强度与残余强度对边坡加固的影响研究[J]. 岩土力学，28(增刊)： 616～618．

汪明武，李健，徐鹏，等. 2014. 膨胀土与石灰改良膨胀土胀缩性的云模型评价[J]. 东南大学学报，44(2)： 396～400．

徐彬，殷宗泽，刘述丽. 2011. 膨胀土强度影响因素与规律的试验研究[J]. 岩土力学，32(1)： 44～50．

许成顺，尹占巧，杜修力，等. 2013. 黏性土的抗剪强度试验研究[J]. 水利学报，44(12)： 1433～1438．

薛新华，杨兴国. 2013. 膨胀土改良的室内试验研究[J]. 高速铁路技术，4(6)： 33～36．

赵文建，湛文涛，倪啸，等. 2009. 百色重塑膨胀土抗剪强度的试验研究[J]. 岩土力学，30(增2)： 244～248．

赵鑫，阳云华，朱瑛洁，等. 2014. 裂隙面对强膨胀土抗剪强度影响分析[J]. 岩土力学，35(1)： 130～133．

中华人民共和国国家标准编写组. 1999. 土工试验方法标准(GB/T50123-1999)[S].北京：中国计划出版社．

左巍然，杨和平，刘平. 2007. 确定膨胀土残余强度的试验研究[J]. 长沙交通学院学报，23(1)： 23～27.

EXPERIMENTAL STUDY ON EFFECT OF CLAY CONTENT ON SHEAR STRENGTH OF EXPANSIVE SOIL AT CI COUNTY

ZHANG XiaoliZHOU JinHUANG ZhiquanWANG WeiZHANG Ruiqi

(InstituteofResourcesandEnvironment，NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower，Zhengzhou450011)

In order to study the effect of clay content on the shear strength of expansive soil， this paper conducts quick shear， saturated quick shear， saturated consolidated quick shear and repeated direct shear tests with electric strain controlled direct shear apparatus， residual shear test， and direct shear/residual shear test apparatus on the undisturbed expansive soils at Ci County Hebei of South-to-North Water Diversion. The soils have different clay contents. Studies show that： in the direct shear test， the shear strength of the expansive soil significantly reduces after the soil is saturated， and increases after it is consolidated. The effect of saturation on the strength of the expansive soil of larger clay content is more significant. The “cure” effect of consolidation on the strength of weak expansive soil of lesser clay content is more significant. As the clay content increases， the cohesion gradually decreases， and internal friction angle first decreases and then increases. The critical value is about 32%.In the repeated direct shear test， the shear strength after peak intensity increases as the clay content increases. The change trend is relatively flat. The residual strengthτrdecreases exponentially as the clay content increases. While the internal friction angleφrof the residual strength has a logarithmic relation with clay content. The cohesioncrhas an irregular relation with the clay content．

Natural expansive soils， Repeated direct shear， Clay content， Peak intensity， Residual strength

10.13544/j.cnki.jeg.2016.01.014

2015-06-01;

2015-08-27.

河南省科技创新人才计划(154100510006)，河南省重点科技攻关项目(152102210111)，新疆维吾尔自治区科技援疆(201491105)，华北水利水电大学研究生教育创新计划基金(YK2014-10)资助.

张晓丽(1989-)，女，硕士生，主要从事岩土体结构稳定性方面研究. Email: 958282196@qq.com

简介： 黄志全(1970-)，男，教授，博士生导师，主要从事岩土力学、边坡与滑坡工程方面的研究和教学工作. Email: huangzhiquan@ncwu.edu.cn

TU443

A