膨胀土干湿交替作用下残余强度试验方案分析

王 卉

（安徽省水利水电勘测设计院 合肥 230088）

1 前言

多年来，勘察单位一直利用“排水反复直接剪切试验”获得膨胀土的残余强度值。该试验方法通过对膨胀土原状试样反复慢剪3～6次后，将破坏曲线上的最终稳定值作为膨胀土的残余强度。其特点是试验过程较为简单，试验结果易于获取。但与膨胀土在自然条件下的抗剪强度衰减过程是不符的。从而造成室内“排水反复直接剪切试验”的残余强度值多数偏大。为使试验数据尽可能接近真值，有必要研究可行的试验方案。

为实现室内干湿交替试验，现设计三套方案：方案一，用原状土筒取样在室内对土样进行干湿交替试验；方案二，取50cm×50cm×50cm立方体土样在室内完成试验；方案三，现场与室内共同完成试验。

2 方案一

用原状土筒取样在室内对土样进行干湿交替试验，试验前先测试样的天然含水率、湿密度，计算孔隙比、饱和度等指标；做天然土样的固结快剪试验，确定天然土样抗剪强度参数C、Φ值；做颗粒分析和液塑限试验，以确定土类（定名）和天然土样的强度状态。

2.1 干湿交替试验

2.1.1 土样第一次烘干

试验是在室内测得模拟膨胀土样在自然界中经数次风干和雨淋后土样的残余强度值；同一土样至少做三次烘干、三次饱和，也可根据情况视膨胀土样破坏程度定烘干和饱和的次数。

考虑到膨胀土经烘培过后有可能有土样剥落、断裂等情况发生，试验土样先不切入环刀内，而是用土筒中的原状土样进行烘培。为使土样尽可能受热均匀，因高温可能会破坏土样的内部结构，所以烘箱的温度初步控制在60℃、80℃和100℃三个温度值。由于是初次对膨胀土的试验分析，膨胀土样经烘箱烘培过后的一系列变化都是未知的，等试验数据出来后，再根据情况分项作进一步的分析。

土样分别在三个温度下烘培8～24h。土样烘干后放入干燥缸内自然冷凉，测试土样在以上三个不同温度下的试样含水率。同时测得土样烘干后的密度，以计算土样的干密度、饱和度、孔隙比等指标。初次试验结果出来后，最终确定合适温度。

2.1.2 土样第一次饱和

将干燥缸内自然冷却的土样放在特制的饱和器内，用真空抽气饱和法给土样饱和，用真空缸抽除缸内及土中气体，土样在饱和缸内静置24h。

测第一次饱和后试样的含水率、密度，计算孔隙比和饱和度指标值，同时做固结快剪试验确定C、Φ值；土样固结时间为4h，也可根据具体情况而定；每组试验取4个试样在4种不同垂直压力下进行剪切试验，最大压力不超过200kPa，如果土质松软可分级施加荷重，以防试样挤出。

2.1.3 土样第二次烘干

将第一次饱和后的膨胀土样从饱和器中取出，再次放入烘箱内进行烘干，烘箱的温度调整到最终确定的合适温度。将烘干后的试样放入干燥缸内，冷凉后测第二次烘干土样含水率、密度，计算孔隙比和饱和度值。

2.1.4 土样第二次饱和

将第二次烘干后的土样装入特制饱和器内，再次给土样抽气饱和。饱和后测土样第二次饱和后的含水率、密度，计算孔隙比、饱和度，做固结快剪试验确定C、Φ值，土样固结时间为4h。

2.1.5 土样第三次烘干、饱和

方法同第二次烘干、饱和。重复2.1.3和2.1.4。试样饱和后测土样第三次饱和后的含水率、密度并计算孔隙比和饱和度指标，做固结快剪试验确定C、Φ值。

以上三次抗剪强度参数值是土样经每一次饱和过后的固结快剪试验的抗剪强度参数值，残余强度值在最后一次固结快剪峰值后按《土工试验规程》要求确定。土样三次或多次干湿交替过后，把多次经饱和过后的固结快剪试验数据进行比较分析，看强度参数C、Φ值的变化情况，对数据进行列表、比对。

2.2 残余抗剪强度值的确定

残余强度值的确定用两种试验方法取得，进行数据的比较，选取残余值最小的试验方法。

2.2.1 排水反复直接剪切试验

固结排水和固结快剪试验：把经过数次干湿交替过后的土样切入环刀内，待固结稳定后，再快速施加剪应力使试样剪切破坏，确定固快抗剪强度峰值。反复直接剪切试验是在慢速条件下，对试样反复进行剪切至剪应力达到稳定值，以求得土的残余抗剪强度参数C、Φ值。

2.2.2 三轴压缩试验——固结排水剪（CD）

用三轴压缩试验方法测定土的抗剪强度。分别在不同恒定周围压力下，施加轴向压力，进行剪切直至破坏，然后求得抗剪强度参数C、Φ值。

试验前，土样进行数次干湿交替，用真空抽气饱和法给土样饱和；给土样做固结排水剪（CD）试验，试样在4种不同周围压力作用下排水固结，然后在允许试样充分排水的情况下增加轴向压力直到破坏。

分析：（1）土样在经历第一次烘干和饱和后，有可能会出现土样强度破坏严重的情况，所以根据实际情况来确定试验土样是做三次烘干饱和还是两次，也可能做了三次之后试样的强度衰减较慢，而可能要做四次、五次甚至多次烘干饱和过程，视情况而定。（2）如何给土样饱和是个问题，土样烘干过后土样尺寸（体积）会发生变化，给土样饱和需要在土样有侧限的条件下饱和。

3 方案二

取50cm×50 cm×50cm立方体土样在室内完成试验。

3.1 干湿交替试验

3.1.1 土样第一次烘干

将50cm×50cm×50cm土样放在特制铁皮盒内，在第一次烘干前先测土样的天然含水率、密度，计算孔隙比、饱和度，然后将土样放入三个不同温度下烘培至干。方法步骤同2.1.1。

3.1.2 土样第一次饱和

测第一次饱和后试样的含水率、密度，计算孔隙比和饱和度指标值，同时做固结快剪试验确定C、Φ值。

3.1.3 土样第二次烘干

方法同3.1.1，根据土样干湿交替后的情况，确定做几次干湿交替，将最后一次饱和后的土样切入环刀内，测土样含水率、湿密度，计算干密度、饱和度和孔隙比等指标值；做第二次饱和后试样的固结快剪试验确定C、Φ值。

3.1.4 土样第二次饱和

方法同3.1.2。

3.1.5 土样第三次烘干、饱和

方法同 3.1.1、3.1.2。

3.2 残余抗剪强度值的确定

3.2.1 排水反复直接剪切试验

固结排水和固结快剪试验，方法同2.2.1。

3.2.2 三轴压缩试验——固结排水剪（CD）

在经过数次干湿交替饱和后的大样上切取3～4个三轴试样，在应变控制式三轴仪上，做固结排水剪（CD）试验，以确定抗剪强度指标C、Φ值，方法同2.2.2。

分析：此方法土样尺寸相对过大，在给土样烘干的过程中，由于土体过大，土样内部不容易烘干，存在内部土样烘干了，而外围的土样可能会出现剥落、松散等现象。

4 方案三

在现场通过数次淋水试验和太阳暴晒，完成干湿交替作用后，再将土样运回室内，继续测定残余强度值。

4.1 干湿交替试验

4.2 残余抗剪强度值的确定

土样经过多次干湿交替之后，在原位将土样切入环刀内，或将现场干湿交替后的土样取回室内，在室内做反复直接剪试验、用三轴仪做固结排水剪、确定抗剪强度参数C、Φ值。

4.2.1 排水反复直接剪切试验

固结排水和固结快剪试验：将现场每一次饱和过后的土样取回室内，在室内做固结快剪实验确定抗剪强度参数C、Φ值。做反复慢剪试验以确定土样的残余抗剪强度指标C、Φ值，方法同2.2.1。

4.2.2 三轴压缩试验——固结排水剪（CD）

把现场经过每一次（做几次干湿交替就取回几次）饱和后的的土样取回试验室内，在土样上切取3～4个三轴试样，做固结排水剪（CD）试验，以确定C、Φ值。方法同2.2.2。

分析：此方法舍去了在室内给土样干湿交替的繁复过程和特制饱和容器的制作，可减少在室内进行干湿交替过程中试验的误差。土样在现场完成干湿交替后，取回室内用环刀将土样直接切取，方便了室内做反复直接剪切试验和三轴试验前给土样饱和的制备过程，但是土样在现场每一次饱和后，要将土样送回室内，增加了土样在运输过程中对土样的扰动。

5 结语

综上所述，三种试验方案中，第一种虽然复杂麻烦，但是最具研究价值，且具推广性，可节约大量时间；第二种试验方案，有利有弊，虽然免去了饱和容器的制作，但是土样50cm×50cm×50cm体积过大，在烘箱中烘培的时间不好掌握，而且在给土样漂淋饱和的时候，土样又过于偏小，有可能会让土样遇水崩解，因为土样周围的侧限不够大，也有可能出现土样漂淋饱和的时间周期过长，影响工期；第三种试验方案，是现场与室内配合完成，试验结果较接近真实，但是土工试验要等到开工阶段才能进行，影响工期