基于反复直剪试验的强膨胀土强度特性研究

李云鹏，林一芃，张晶旭

河北省地质矿产勘查开发局国土资源勘查中心(河北省矿山和地质灾害应急救援中心)，河北 石家庄 050081

0 引言

膨胀土是实际工程中的一种特殊土体，因富含蒙脱石、伊利石、高岭石等亲水性黏土矿物，具有吸水膨胀、失水收缩的膨胀特性，除此之外膨胀土还具有裂隙性、超固结性等特性。膨胀土的诸多特殊性质导致的土体强度衰减问题，引起学者的广泛关注。例如：张晓丽[1]、戴福初等[2]对不同黏粒含量膨胀土进行快剪、反复直剪试验，对比不同条件下的快剪试验数据，提出了饱和、固结环节在不同黏粒含量膨胀土中发挥的作用，梳理出黏粒含量与峰值、残余强度及其强度指标的关系。赵鑫等[3]对南阳强膨胀土进行大剪试验，研究结果表明裂隙面的发育程度、倾角、起伏度对膨胀土抗剪强度都有影响。黄志全等[4]通过直剪试验、三轴试验对裂隙面强度进行研究，指出了裂隙面倾角和填充黏土厚度均对抗剪强度指标起到负面影响，且倾角的影响更为突出。胡旭辉等[5]通过开展干湿循环条件下的直剪试验，研究发现强度衰减主要集中在前3次的干湿循环过程，之后逐渐趋于稳定，且黏聚力呈现的衰减规律比内摩擦角更明显，研究结果针对实际工况中强度参数的选取给出了合理建议。杨和平等[6]在干湿循环效应对膨胀土的强度影响进行过类似的研究，结果证实无论是原状样还是重塑样，干湿循环后的强度衰减主要为黏聚力值的明显降低。蒋晓庆等[7]通过残余强度试验仪对膨胀土进行反复剪切试验，证明了弱膨胀土残余强度受到初始含水率和竖向应力的影响，并对不同竖向应力作用下含水率与强度的关系进行线性拟合，所得结果对于边坡稳定性分析及滑坡防治具有一定的参考价值。

关于膨胀土抗剪强度的影响因素，以往学者在裂隙、干湿循环、竖向应力、黏粒含量、含水率等方面的研究取得了丰硕的成果，得出了很多重要的结论。文章拟聚焦于含水率的变化对膨胀土强度的影响，在前人已有结论的基础上对含水率的影响效果进一步探究，以期更好的描述膨胀土抗剪强度与含水率之间的关系。作者以南水北调中线工程邯郸段强膨胀土为研究对象，通过反复剪切试验，对不同初始含水率重塑膨胀土的峰值强度和残余强度变化情况进行研究，分析含水率的变化对于膨胀土强度的影响特征，期望为该地区工程建设中强度参数的选取提供一定的参考依据。

1 膨胀土反复直剪试验

1.1 试验土样

本次试验用土取自南水北调中线工程邯郸段，取土深度1.6～1.8 m。土样基本物理性质指标严格依据《土工试验方法标准》(GB/T50123—2019)进行测试，测得各项指标见表1，由表1可知土样天然含水率为26%，干密度为1.51 g/cm3，渗透系数为4.62×10-8，渗透性差，起隔水作用，自由膨胀率为90%，根据《膨胀土地区建筑技术规范》(GB50112—2013)将该土样膨胀性等级定为强膨胀土。图2为膨胀土的粒径级配曲线，由图2可知土样的黏粒含量为33.7%，粉粒含量为59.7%，砂粒含量为5.1%，黏粒含量较高，颗粒分布均匀，级配较差。

图1 强膨胀土粒径级配曲线Fig.1 Particle size distribution curve of strong expansive soil

图2 剪切前后样品图Fig.2 Sample images before and after cutting

表1 强膨胀土土样基本属性Table 1 Basic properties of strong expansive soil samples

1.2 试验方案

本次试验采用ZJ型四联应变控制式直剪仪(四联剪)，剪切盒内可制备尺寸为直径61.8 mm，高度为20 mm的重塑土试样。上下剪切盒在工作时水平进行剪切，仪器可同时剪切4个不同竖向应力的试样，自动采集剪切位移数据，同时根据钢环变形情况，通过钢环系数求得对应的剪应力。

试验制备重塑土样，依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)进行样品制备与方案设计，根据土体的粒径分布情况，选取小于2 mm的土颗粒进行试验，将样品烘干、碾碎后，过筛得到试验用土，控制试样密度为1.7 g/cm3，制备15%、20%、25%、饱和(BH)4组含水率条件的环刀样，每组需制备4个试样，控制竖向应力分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。将试样压入剪切盒，设置剪切速率为0.02 mm/min，反推速率为0.6 mm/min，每次剪切位移控制在6 mm以内，在反复剪切试验过程中，一般剪切4～5次就会出现相邻两次剪应力—位移曲线相近的情况，本试验以第一次剪切强度为峰值强度，第5次剪切强度为残余强度，经过5次反复剪切后总剪切位移可达到30 mm左右，剪切前后的土样照片见图2。

2 试验结果分析

2.1 剪应力—剪切位移关系

绘制剪应力—剪切位移关系曲线如图3所示，初始含水率相同时，试样的峰值强度随竖向应力的增大而增大，以含水率20%为例，每级竖向应力的峰值强度相比于前一级压力的峰值强度上升幅度分别为12.3%、14.6%、29%。这点与蒋晓庆等[7]利用全自动残余强度仪对弱膨胀土强度随竖向应力的变化规律所得结论是一致的，由于竖向应力的增加可以促进土粒的相互咬合，对土体的压密作用显著，增加剪切面的摩擦力，从而提高了强度。含水率达到饱和后，峰值强度较不饱和土样显著降低，不同竖向应力的剪切峰值也相差不大，说明饱和含水率膨胀土受竖向应力影响不再明显。

图3 剪应力—剪切位移曲线Fig.3 Shear stress-shear displacement curve

第1次剪切时15%含水率不同竖向应力下的应力—位移曲线均出现了不同程度的应变软化现象，竖向应力越低时，软化现象越明显。随着含水率的增长，竖向应力相同时试样的峰值强度逐渐降低，剪切强度趋于稳定不再发生软化，达到“稳态强度”，对此缪林昌等[8]分析其原因为膨胀土含水率上升，土体的结构力降低，土体在外力作用下出现破坏后，相应的强度下降趋势没有结构力大时明显，因此看不到明显的软化。竖向应力为200 kPa时，含水率上升时的峰值强度相比于前一含水率的峰值强度下降幅度分别为14.9%、43.5%、65.7%。曲线变化特征说明初始含水率对于强膨胀土的峰值强度影响显著，含水率越大，峰值强度越低。对于峰值强度随着含水率的上升而降低，应变软化向弱硬化现象的发展，可以解释为含水率较低时土体结构较为完整，剪应力小于剪切强度时土体结构承担了一部分剪应力，当剪应力超过其抗剪强度，土体结构遭到破坏导致峰值后出现应变软化现象。但随着含水率增加，结构性遭到破坏致使峰值后段不再出现应变软化。

第5次剪切时，残余强度较峰值强度均有明显的降低。以含水率15%为例，100～400 kPa竖向应力的残余强度较峰值强度下降幅度分别为41%、27.1%、7.6%、12.4%。以竖向应力300 kPa为例，15%含水率到饱和含水率的残余强度较峰值强度下降幅度分别为7.6%、9.1%、14%、44.2%。残余强度与竖向应力和含水率的对应关系与峰值强度曲线特征类似，对此不再赘述分析。不同的是，对比峰值强度曲线，图3(a)、3(b)应力—位移曲线显示反复剪切过程中应变软化现象消失，出现了明显的应变硬化现象，张晓丽、戴福初等在膨胀土剪切强度试验研究中也得出了相似特征的曲线，Bishop[9]曾在环剪试验中提出剪应力随剪切位移持续增大是由于挤压和机械摩擦造成，作者分析认为Bishop的观点同样可以解释本试验中曲线的变化特征，而图4(c)、4(d)未现应变硬化可以理解为含水率的提高促进滑动、减少摩擦，下文中峰残内摩擦角随含水率的变化特征可以验证分析。

图4 不同含水率的强度包线Fig.4 Strength envelopes with different moisture contents

2.2 含水量对膨胀土抗剪强度的影响

绘制不同含水率的峰值强度及残余强度包线如图4所示，根据摩尔库伦准则，得到不同含水率的峰残抗剪强度指标c、φ值如表2和图5所示。试验结果表明，含水率对峰残强度指标均有较大影响，指标与含水率的关系整体上呈负相关。对于非饱和膨胀土，峰值黏聚力水敏性较内摩擦角更强，含水率至25%时，黏聚力仅为37.1 kPa，下降幅度达76.9%，峰值内摩擦角下降幅度为22.5%。在塑限含水率(22.2%)之前，峰值黏聚力随含水率增大下降缓慢，大于塑限含水率时，随含水率的增大快速下降；在试样饱和前，内摩擦角随含水率下降缓慢，试样含水率饱和时，内摩擦角明显降低。

图5 抗剪强度指标分布Fig.5 Distribution of shear strength indicators

表2 抗剪强度参数Table 2 Shear strength parameters

总体上，在含水率较低时(15%)的峰值与残余黏聚力差值较大，为105.2 kPa，下降幅度达到65.4%，随含水率的增大，其差值越来越小，至含水率饱和时，差值为-0.5 kPa；含水率15%、20%时的残余内摩擦角大于峰值内摩擦角，可以验证图4(a)、4(b)应力—位移曲线逐渐显示出的应变硬化现象。峰残内摩擦角在含水率达到饱和时快速减小，此时的膨胀土强度主要由内聚力提供。

2.3 竖向应力对剪切面摩擦系数的影响

摩擦系数f是指两表面间的摩擦力和作用在其一表面上的垂直力之比值，它可以表征物体表面的粗糙度，在直剪试验中用剪应力与竖向压力之比表示。邯郸膨胀土直剪试验结果表明(图6、图7)，无论是峰值强度还是残余强度，摩擦系数f均随竖向压力的增大而逐渐减小，当竖向应力增大到300 kPa，峰残强度的摩擦系数基本稳定，不再发生变化。竖向压力越小剪切面越粗糙，随竖向压力增大，颗粒趋向于使剪切面更光滑的状态定向排列。整体上，摩擦系数随含水率的增大呈减小趋势，且竖向应力对摩擦系数的影响随含水率的增大而逐渐减小，当含水率达到饱和时，竖向压力对摩擦系数的影响已经很小，此时各竖向压力下的摩擦系数f均小于0.5。

图6 摩擦系数随垂向压力变化曲线Fig.6 Curve of friction coefficient with vertical pressure variation

图7 摩擦系数随含水率变化曲线Fig.7 Curve of friction coefficient changing with water content

3 结论

通过反复直剪试验对南水北调中线工程邯郸渠坡膨胀土抗剪强度及其影响因素进行了研究，得到以下结论和认识：

(1)竖向应力和初始含水率对于强膨胀土的峰值强度和残余强度都有影响，竖向应力与强度值呈正相关，初始含水率与强度值呈负相关。竖向应力增加可以促进土颗粒的咬合作用进而使强度增强，初始含水率增长可以破坏土中的胶结物质，促进相对滑动进而使强度减弱。对此，膨胀土工程中可以使用较大的竖向应力来提高土体稳定性，且应当充分考虑含水率的升高对膨胀土强度的显著影响。

(2)强膨胀土的峰值抗剪强度指标和残余抗剪强度指标均随含水率整体呈降低的趋势，含水率变化主要通过影响黏聚力来影响非饱和膨胀土的抗剪强度，膨胀土饱和时黏聚力和内摩擦角对膨胀土的抗剪强度影响都很显著。对于研究区强膨胀土而言，可能存在一个使强度指标加速变化的含水率临界值(20%到25%之间)，当含水率超过临界值后，强度指标变化非常明显，对于研究区膨胀土随临界含水率发生强度骤降的情况应当提起足够的重视。

以上研究结果是对于特定地区的重塑强膨胀土进行试验所得，试验中使用的ZJ型四联应变控制式直剪仪，仪器操作简单便捷，但仪器的数据采集功能存在一定的缺陷，试验结束后不能获取中间过程(第2、3、4次)的剪切原始数据，在进行数据分析时不能更完善的说明五次剪切过程的变化规律。且因人为制得重塑样品的差异性，使得实验数据出现了个别奇异点，但整体的规律较为明显，对于膨胀土强度特性研究以及工程中强度参数选取具有一定的参考价值。