不同制样方法对非饱和膨胀土抗拉强度的影响

王福

（河南白龟山水库管理局，河南 平顶山 462500）

1 引言

蒙脱石和伊利石等具有较强亲水性的矿物存在于膨胀土中，导致膨胀土具有吸水膨胀、失水收缩的特性。这种特性容易受到外界因素的影响，使道路、房屋和其他基础设施建设常常受到非常重大的影响，严重的会危及人身安全。在工程应用中，常会出现基床翻浆冒泥、路基下沉、边坡滑坡等重大危害，给公路建设和人身安全造成极大破坏。

目前试验室内制备重塑土样的方法主要为击样法（压样法），但是这种方法制备的土样在结构性方面失真较严重。不同的制样方式对土体的微观结构及宏观力学特性影响巨大。目前室内试验研究用的非饱和土试样主要有原状样、击实样和泥浆样。其中击实试样因制样方便，可以配制成不同含水率和密度等特定状态下的试样，也是目前在非饱和土的水力-力学特性试验研究中用得最多的试样。

土的抗拉强度在工程设计中可以发挥重要的作用。单轴拉伸试验、三轴拉伸试验可以直接测定土体的抗拉强度，径向劈裂试验、弯曲梁试验和环状试样法可以间接测定抗拉强度。除此之外，还有很多直接或间接测量抗拉强度的方法。但是径向劈裂试验操作简单方便，因此选用了径向劈裂试验进行试验研究。在岩土工程领域可视化模型试验研究中，粒子图像测速技术得到了有效应用。

因此以南阳膨胀土为研究对象，进行基于PIV技术的劈裂试验，分析不同制样方式下非饱和膨胀土的力学特性变化规律，从而为解决膨胀土难题提供深层次的处理方案和工程实践的科学指导依据。

2 膨胀土物理性质指标

试验所用的膨胀土取自河南省南阳市宛城区红泥湾镇第一初级中学附近，取土深度约为6 m。将现场取的扰动膨胀土烘干，并碾碎过筛处理，配置重塑土样，进行膨胀土的物理性质指标试验。该土的物理性能指标列于表1。粒径分布级配曲线试验可知膨胀土的颗粒粒径主要集中在0.001～0.1 mm，约占土体总质量的90%。根据颗粒分析试验和液塑限试验结果，该试验土为低液限黏土（CL）。根据膨胀性分类标准，该试验土为弱膨胀土。

表1 膨胀土的物性指标表

3 试验设备

3.1 试验设备简介

试验所用径向劈裂试验设备，其由三个系统组成：加载测试系统、数据收集系统和PIV系统。具体图像设置和参数见参考文献。选择应变控制类型施加载荷，速度为7 mm/min。每秒拍摄七张照片，以记录整个过程中的变形。试验拍摄范围为38.50 cm×38.50 cm，初始试样尺寸d0为6.18 cm和h0为2 cm。

3.2 试样制备

首先将烘干膨胀土过筛，然后将其与蒸馏水混合，按照目标含水率进行配土，用塑料袋密封配土，然后放入保湿缸进行充分滋润。用千斤顶静压法制备四个初始含水率为20%，初始干密度为1.68 g/cm3的重塑试样，使其自然风干之后，控制目标含水率为8%、12%、16%、20%（简称制样方式一），并用游标卡尺量测其直径d，高度h，得到干密度。然后依据干化试样的干密度，直接采用静压法制备四个相同干密度、含水率的试样。最后采用静压法制备初始干密度为1.68 g/cm3，初始含水率分别为8%、12%、16%，20%的试样。准备由三种不同制样方式制成的非饱和膨胀土样，探究不同制样方式下非饱和膨胀土抗拉强度的规律。

4 试验结果

如图1和图2所示，膨胀土劈裂试验荷载-位移关系曲线存在不同的阶段：OA段，试样内部微小孔隙被逐渐压实，荷载-位移关系曲线斜率逐渐增大；AB 段，试样内部趋于密实，开始弹性变形，曲线斜率近乎不变，在此阶段达到荷载峰值；BC段，在达到峰值后，进入失稳破坏阶段，试样表面开始出现清晰可见的裂隙，随着位移的微量增加荷载曲线急剧跌落；CD 段，劈裂裂隙在试样表面及内部发育。随之试样呈现出一定的残余强度。裂隙伴随应力增加呈现继续发育趋势直至贯通试样，最后导致其完全破坏。

图1 三种制样方式荷载-位移曲线图

图2 不同含水率条件下的三种制样方式荷载-位移曲线图

在采用静压法直接制成四组相同干密度的试样结果中，可以观察到含水率越大，试样的峰值荷载越低，位移越大，且含水率为8%的试样，在达到峰值荷载之后，曲线突变，试样脆性大，整个破坏过程非常短暂，而随着含水率增大，曲线趋于光滑，表明含水率对抗拉强度的影响较大。峰值荷载随含水率的增加而降低。同时，当含水率一定时，干密度越大，峰值荷载越大。但是随着含水率增大，两条荷载-位移曲线峰值之间差距逐渐缩小，表明随着含水率的增加，干密度对抗拉强度的影响逐渐变小。

制样方式对荷载-位移曲线的影响如图2 所示，在初始干密度和含水率均相同的情况下，制样方式一的峰值荷载高于制样方式二，可见影响膨胀土抗拉强度的因素不仅仅是含水率和初始干密度，制样方式也会对膨胀土的抗拉强度产生比较大的影响，含水率为20%、16%、12%、8%时，制样方式一对比制样方式二峰值荷载分别增加了5.42%、66.86%、116.76%、89.97%，说明膨胀土抗拉强度不仅受宏观条件控制（如：含水率，初始干密度），同时受土体本身的微观结构控制，膨胀土的荷载-位移关系曲线呈现应变软化现象。干化膨胀土的集聚体体积比静压法制样膨胀土的大，集聚体间孔隙较少，导致干化膨胀土的抗拉强度比静压法制样膨胀土的高。随着重塑膨胀土初始干密度增大，其内部集聚体间孔隙会逐渐减小，而且干化膨胀土在自然风干过程后，土颗粒呈现片状，而采用静压法直接制成的土样中，土颗粒呈现颗粒状，孔隙数量相较于干化试样明显增多，膨胀土的抗拉强度相对较低。

5 结论

①试样破坏的过程分为四个阶段：OA 段为应力接触调整阶段（I）；AB 阶段为应力近似线性增加阶段（II）；BC 部分为拉伸破坏阶段（III）；CD 部分为残余阶段（IV）。②非饱和膨胀土应力-应变曲线的峰值随初始干密度增高而增高。w＜wc 时，峰值荷载随着含水率的增加而增大。但当含水率较高时，峰值荷载随含水率的增加而减小。③制样方式对膨胀土土样的抗拉强度影响较大，制样方式一的荷载-位移曲线峰值荷载最高，其次是制样方式二，制样方式三的峰值荷载最低。

收稿日期：2022-5-15