控制吸力的非饱和土抗剪切度试验

2017-05-17何芳婵朱关震

河南水利与南水北调 2017年4期

关键词：粘聚力非饱和摩擦角

□何芳婵□朱关震

（1.河南省水利科学研究院；2.河南省水利工程安全技术重点实验室）

控制吸力的非饱和土抗剪切度试验

□何芳婵1，2□朱关震1

（1.河南省水利科学研究院；2.河南省水利工程安全技术重点实验室）

以河南南阳地区膨胀土为研究对象，使用可以控制吸力的非饱和土直剪仪进行不同吸力下的非饱和弱膨胀土的直接剪切试验。得出了不同吸力下（吸力范围为50-400kPa），膨胀土粘聚力和内摩擦角的变化趋势。试验结果表明，随着吸力的增大，膨胀土的粘聚力和内摩擦角均增大。其中，在吸力＜100 kPa时，粘聚力和内摩擦角的增长趋势随着随吸力的增大而加快，且该趋势接近线性变化。当吸力＞100 kPa时，粘聚力和内摩擦角的增长趋势随着随吸力的增大而有所减缓。

膨胀土；非饱和抗剪试验；物理力学指标；变化趋势

1 引言

膨胀土是粒度高分散，粘粒成分主要由亲水矿物（蒙脱石、伊利石、高岭石等）组成，具有剧烈的吸水膨胀和失水收缩两种变形特征的粘性土。中国铁路部门在总结膨胀土地区修建铁路时，有“逢堑必滑，无堤不塌”的说法。统计资料表明，中国有新老滑坡约30万处，其中灾害性的约有1.50万处，每年滑坡造成的损失高达100亿元以上。

目前在工程界广泛应用的土力学理论是经典饱和土力学。但这些理论成果、设计规范和经验方法仅适用于饱和土，一旦土体变为非饱和，饱和土力学中的基本原理和设计经验不再有效。基质吸力是指在非饱和土中，气-水分界面承受着大于孔隙水压力的孔隙气压力，孔隙气压力大于孔隙水压力的这个压力差值。基质吸力通常是描述非饱和土的力学性质的重要参数。文章通过使用非饱和土直剪仪，进行了不同吸力下的膨胀土直接剪切试验，对比分析了不同吸力下膨胀土粘聚力和内摩擦角的变化趋势。

2 实验方案及试验过程

试验采用杠杆式非饱和土直剪切仪完成。非饱和土直剪仪有剪切盒、压力室、轴压加载装置、水平加载装置、压力控制表、500KPa陶土板、数据采集系统等组成。根据基质吸力等于孔隙气压力和孔隙水压力的差值，试验过程中基质吸力通过孔隙气压力来控制，孔隙水压力约等于零，按零计算。试样的初始状态相同，制样时的初始含水率为21.50%，控制干密度1.55 g/cm3。试验过程包括制样、饱和试样、安装试样、吸力平衡、固结、剪切，其中制样和饱和试样在仪器外完成，安装试样、吸力平衡、固结、剪切在非饱和土直剪仪上完成。由于采用的是单联直剪仪，因此吸力平衡、固结阶段耗时较长。控制吸力为50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。受试验设备限制，最大吸力只能控制为400kPa。

试验所用土料选自河南南阳地区，土粒相对密度为2.76，液限含水率为52.71%，塑限含水率为23.70%，塑性指数29，为粘土。自由膨胀率为49%，根据《膨胀土地区建筑技术规范》（GBJ112-87），为弱膨胀土。土颗粒中，不同粒级土粒质量分数如表1所示。＜0.05×10-1mm粒径土颗粒质量分数为31.50%，＜0.02×10-1mm粒径土颗粒质量分数为21.10%。击实试验得到了最大干密度为1.54 g/cm3，对应的最优含水率为24.40%，土颗粒风干含水率为4.90%。

表1 不同粒级土粒质量百分数表

试样的饱和过程采用饱和架和抽气饱和缸完成，抽气饱和时间大约24 h。试样安装前需要进行陶土板饱和，可以将装有陶土板的剪切盒拆下来，进行抽气饱和，两天后再用无气水浸泡48 h。为了让土样能够良好地接触到陶土板，陶土板与试样之间不能放滤纸。试样安装好后，施加轴向压力和孔隙气压力到目标值，观察水管的出水量，以24 h内排出水量＜0.03 ml为固结完成和吸力平衡标准。剪切过程保持孔隙气压力和孔隙水压力不变，剪切速率为0.05×10-1mm/min。

3 试验结果分析

不同吸力下粘聚力和内摩擦角试验结果如表2所示，根据表2数据，绘制了粘聚力和内摩擦角随吸力变化关系曲线，见图1。从图上可以看出，随着吸力的增大，粘聚力和内摩擦角均增大。在吸力＜100 kPa时，粘聚力和内摩擦角随吸力变化增大较快，接近线性变化。当吸力＞100 kPa时，粘聚力和内摩擦角随吸力变化增大较慢。

表2 不同吸力下粘聚力和内摩擦角试验结果表

图1 粘聚力、内摩擦角随吸力变化关系曲线图

原因是在吸力＜100 kPa阶段，试样的水分随吸力的增大而损失地较快，随着试样水分的减少，试样产生了一定的体缩而变得更加密实，从而使粘聚力和内摩擦角增大。而在吸力＞100 kPa的阶段，由于前期的水分的大量损失，使得试样变得更加密实，在后期增大吸力时，水分流失的通道减少和减小，导致水分流失的速度相应的降低，进而减缓了粘聚力和内摩擦角随吸力增大而增大的速率。

通过对实验数据的分析可知：对膨胀土边坡来说，填土完成之后的缓慢干燥过程中，会因土体水分的蒸发而导致吸力逐渐增加，土体强度随之增大，有利于边坡稳定。但在干燥过程中，土体内又会产生裂缝，从而破坏了土体的整体性，为今后降雨入渗导致的边坡失稳提供通道。当降雨发生时，土体中的水分随之迅速增加，土体的饱和度大幅增加，基质吸力明显下降，土体的抗剪强度随之大幅降低。反复的干湿循环及膨胀土的湿涨干缩特性更使得会使土体变得松散，产生大量裂隙，自身强度降低。使得膨胀土地区的工程灾害频发。