膨脹土的強度與力學(xué)特性試驗

1、<p>　　膨脹土的強度與力學(xué)特性試驗</p><p>　　摘要：膨脹土的強度既是膨脹土體抵抗剪切破壞能力的表征，也是計算路塹、路堤等斜坡穩(wěn)定性的重要參數(shù)。它較之普通粘性土要更為復(fù)雜得多，這是因為膨脹土是多裂隙結(jié)構(gòu)的土體，而且在多數(shù)情況下裂隙的分布具有隨機性。不同地區(qū)膨脹土的抗剪強度值變化很大，同一地區(qū)膨脹土的抗剪強度值相差也很懸殊。這種現(xiàn)象一方面是因為組成各地膨脹土的物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)的不同所產(chǎn)生的，另一

2、方面與膨脹土的含水量、密度、外部壓力（現(xiàn)在上覆壓力和先期固結(jié)壓力），以及環(huán)境條件等也有密切關(guān)系。同時膨脹土富含親水性粘土礦物，遇水軟化，導(dǎo)致強度大幅度衰減。因此，膨脹土的強度隨各種外界條件而變，這就增加了強度研究的復(fù)雜性。大量膨脹土邊坡和路基的失穩(wěn)導(dǎo)致各種病害，進一步表明了研究膨脹土抗剪強度的極端重要性。正是基于工程實踐的需要開展了對非飽和膨脹土的強度特性的研究。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：膨脹土強度與力學(xué)

3、特性試驗 </p><p>　　中圖分類號： TU528 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： </p><p><b>　　1.1 概述 </b></p><p>　　在工程實踐中，路塹、邊坡或基坑的開挖，起初掘進十分困難，但隨著開挖的進展，卻時有隨挖隨塌的現(xiàn)象發(fā)生；新挖出的邊坡土體，數(shù)小時內(nèi)即可見到有裂隙，一晝夜之后即發(fā)生大塊坍塌；每經(jīng)歷一次干濕季

4、節(jié)循環(huán)，土層形狀都會變化，即使多年穩(wěn)定的邊坡也仍有滑坡產(chǎn)生；坡面表土溜塌、滑動則更是周而復(fù)始地反復(fù)出現(xiàn)。這些現(xiàn)象都進一步揭露了原始結(jié)構(gòu)土體的高強度特性，以及開挖土體的強度衰減特性。 </p><p>　　1.2 試驗方案設(shè)計 </p><p>　　本次研究采用三軸壓縮試驗。試驗裝置為GDS三軸試驗系統(tǒng)，由英國GDS公司研制生產(chǎn)。該系統(tǒng)測量、控制精度高，可直接由計算機通過專用GDSLAB軟件

5、控制試驗進行并自動記錄數(shù)據(jù)。GDS三軸儀主要由壓力室、軸向加壓設(shè)備、圍壓施加系統(tǒng)、體積變化和孔隙壓力測量系統(tǒng)組成。不同于一般三軸系統(tǒng)的是GDS中增加了計算機控制與分析系統(tǒng)。它的原理是在恒定周圍壓力(即小主應(yīng)力)σ3下，逐漸增加大主應(yīng)力σ1進行剪切直至破壞。三軸試樣統(tǒng)一采用直徑39.1mm±0.1mm，高度8mm±0.1mm的土樣，圍壓分別取25kPa， 50kPa，100kPa。 </p><p&

6、gt;　　膨脹土的強度與力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、試驗方法及主要儀器見表1-1：其中，單軸固結(jié)儀的杠桿比為1：12，需分級加荷；為使儀器各部分緊密接觸，將吊盤作為預(yù)壓荷載，其中吊盤的重量相當(dāng)于0.319kg砝碼，試驗中不考慮該預(yù)壓荷載。 </p><p>　　表1-1 強度與力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、試驗方法及主要儀器 </p><p>　　1.3 膨脹土的超固結(jié)性 </p><p>　　

7、超固結(jié)性是膨脹土的重要特性之一。膨脹土的超固結(jié)性，是土體在地質(zhì)歷史過程中曾經(jīng)經(jīng)受過比上覆壓力更大的荷載作用，并已經(jīng)達到完全或者部分固結(jié)的特征。 </p><p>　　1.3.1 超固結(jié)性產(chǎn)生的原因 </p><p>　　組成膨脹土的顆粒在沉積過程中，在重力的作用下逐漸堆積，土體將隨著堆積物的加厚產(chǎn)生固結(jié)壓密。由于自然環(huán)境的變化和地質(zhì)作用的復(fù)雜性，土在自然界的沉積作用下，并不一定都處于持續(xù)的

8、堆積加載過程，而是常常因地質(zhì)作用而發(fā)生卸載作用，于是土體由于先期固結(jié)所形成的部分結(jié)構(gòu)強度，阻止了卸載可能產(chǎn)生的膨脹而處于超固結(jié)狀態(tài)。引起膨脹土的超固結(jié)性原因有風(fēng)化、沖刷、剝蝕地質(zhì)作用，冰川消融，地下水位長期下降，物理化學(xué)作用，上覆壓力卸除等很多因素，有的是單一因素形成，有的則是多因素綜合作用的結(jié)果。但是一般來講，主要還是由于上部卸載作用造成。 </p><p>　　1.3.2 先期固結(jié)壓力（） </p>

9、;<p>　　膨脹土的超固結(jié)性對于工程產(chǎn)生的影響是顯著的。為了正確判定路基、邊坡的天然固結(jié)狀態(tài)，同時能夠比較準(zhǔn)確的估算土體在新的外加荷載作用下，膨脹土路基的沉降量，以及分析它們的強度特性，在工程實踐中，采用測定膨脹土的先期固結(jié)壓力來進行研究。 </p><p>　　目前國內(nèi)外最普遍的方法是采取原狀土試樣室內(nèi)單向壓縮試驗，求得壓力p與孔隙比e關(guān)系作出e～lgp關(guān)系曲線，由卡薩格蘭德法得出先期固結(jié)壓力。

10、 </p><p>　　圖1-1 K4+160土樣的e～logP曲線和求Pc的圖解 </p><p>　　圖1-2 K5+120土樣的e～logP曲線和求Pc的圖解 </p><p>　　圖1-3 K91+700土樣的e～logP曲線和求Pc的圖解 </p><p>　　表1-2 超固結(jié)性指標(biāo) </p><p>　　K

11、4+160 K5+120 K91+700 </p><p>　　PO（kPa） 43 47 48 </p><p>　　PC（kPa） 120 260 480 </p><p>　　OCR 2.79 5.53 10 </p><p>　　由圖1-1、1-2、1-3可分別求出土樣的先期固結(jié)壓力，再求出現(xiàn)在的上覆壓力，即可得到土樣的超固結(jié)比：（表

12、1-2）?？梢钥闯鋈叨紝儆诔探Y(jié)土。 </p><p>　　土樣K91+700初始孔隙比小，天然干密度大，具有明顯的超固結(jié)性特征。即超固結(jié)性決定了膨脹土天然孔隙比小，密實度大，初始結(jié)構(gòu)強度高等特點；土樣K4+160和K5+120的網(wǎng)狀裂隙發(fā)育結(jié)構(gòu)決定了它們天然孔隙比相對于弱膨脹土較大，密度和結(jié)構(gòu)強度相對不高的特點，超固結(jié)性也不十分明顯。 </p><p>　　1.3.3 壓縮指標(biāo) <

13、;/p><p>　　壓縮性是指土在上部荷重作用下產(chǎn)生體積壓縮的性質(zhì)，也是表現(xiàn)膨脹土超固結(jié)性的一種方法。通常認為土的壓縮主要是由于土中孔隙體積的減小，常用壓縮系數(shù)(a1-2)和壓縮變形模量(E1-2)來表示。膨脹土的壓縮性按表1-3來評定。土樣的壓縮指標(biāo)見表1-4。 </p><p>　　表1-3 土的壓縮性評價標(biāo)準(zhǔn) </p><p>　　a1-2<0.1 MPa-

14、1 0.1MPa-1≤a1-2<0.5 MPa-1 a1-2≥0.5 MPa-1 </p><p>　　壓縮性 低壓縮性土 中壓縮性土 高壓縮性土 </p><p>　　表1－4 土樣的壓縮指標(biāo) </p><p>　　1.4 脹縮指標(biāo)與抗剪強度關(guān)系探討 </p><p>　　脹縮等級與宏觀、微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，即脹縮等級越強的膨脹土，其微

15、裂隙、微孔隙發(fā)育、顆粒定向度高，結(jié)構(gòu)性也強；粘粒含量高，親水性強，遇水強度迅速衰減。不同的圍壓下，土的抗剪強度分別隨脹縮總率、塑性指數(shù)、自由膨脹率的增加而減少。因此，脹縮等級越強的土，其抗剪強度越弱。 </p><p>　　1.5 影響膨脹土抗剪強度的因素 </p><p>　　影響膨脹土抗剪強度的因素較復(fù)雜，諸如結(jié)構(gòu)特征、物質(zhì)成分、顆粒組成、含水量大小、水文地質(zhì)條件等。繆林昌[2]、朱建

16、強[20]等人曾對“膨脹土的強度與含水量關(guān)系”作了深入研究，他們用大量試驗證明：膨脹土因富含親水性粘土礦物成分，其抗剪強度與土的含水量變化的關(guān)系尤為密切，且膨脹土的抗剪強度隨含水量的增加而降低。本節(jié)就不再詳細說明。 </p><p>　　1.5.1 膨脹土的物質(zhì)成分對抗剪強度的影響 </p><p>　　膨脹土中的粘土礦物成分類型及其含量，不僅決定著膨脹土的親水性，塑性和膨脹性等，而且明顯

17、地影響著膨脹土的抗剪強度特性。表1-5顯示了該地區(qū)膨脹土的各種類型礦物成分。強、中、弱類膨脹土的蒙脫石含量依次遞減，而本章中也曾得出K4+160、K5+120、K91+700抗剪強度依次減小的結(jié)論。因此當(dāng)膨脹土中蒙脫石的含量增加時，土的抗剪強度則降低。所以在實際工程中為了提高膨脹土的抗剪強度，通常采用在膨脹土中摻合非膨脹土（如砂土、粘砂土等)或?qū)ε蛎浲吝M行改性處理等辦法，以降低土中親水性粘土礦物成分含量的比例，增加粗顆粒成分的比例，從而

18、達到提高抗剪強度的目的。 </p><p>　　表1-5 土樣礦物成分鑒定表 </p><p>　　1.5.2 結(jié)構(gòu)與構(gòu)造對抗剪強度的影響 </p><p>　　天然狀態(tài)膨脹土的抗剪強度特比在許多方面部與土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造有關(guān)。大量實踐證明[2]，當(dāng)天然土體在開挖過程中和開挖以后的很短時間內(nèi)，開挖面上即可見到有各個方向的裂隙張開，使土體內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生重分布，從而影響著土體的

19、抗剪強度。無論是土體失水產(chǎn)生的收縮裂隙，還是大氣營力形成的風(fēng)化裂隙，以及開挖由張力形成的卸荷裂隙，都破壞了土的均一性和連續(xù)性，而使膨脹土的抗剪強度表現(xiàn)為各向異性。由于裂隙的出現(xiàn)，使應(yīng)力集中，容易在表土層內(nèi)形成一個特殊力學(xué)分布區(qū)，產(chǎn)生強度軟弱帶。而且，在剪切過程中進一步觀察裂隙同剪切破壞的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)當(dāng)土中裂隙傾斜面與施加的剪切應(yīng)力方向一致時，試樣最易破壞，測得的抗剪強度也最低；但當(dāng)土中裂隙面與剪切應(yīng)力方向垂直，或試樣無明顯張開裂隙時，則試

20、樣不易被剪損，此時土的抗剪強度較高；若裂隙不規(guī)則或剪切方向與裂隙面斜交，破壞情況較復(fù)雜，抗剪強度值可能介于兩者之間。此外，裂隙面的起伏和粗糙程度對膨脹土抗剪強度也有明顯影響，一般平坦而光滑裂隙面要比起伏而粗糙裂隙面的強度要低得多。 </p><p>　　1.5.3 壓力對抗剪強度的影響 </p><p>　　膨脹土的強度受超固結(jié)性的影響：它的抗剪強度隨先期固結(jié)壓力的增加而增加。廖世文曾提出

21、膨脹土的抗剪強度有隨土層深度加大而增高的規(guī)律。一方面表明表層因大氣風(fēng)化營力作用而解體，使強度降低；另一方面也清楚反映出，從地表向下隨著深度增加，土的自重壓力增大，抗剪強度提高。 </p><p><b>　　1.6 本章小結(jié) </b></p><p>　　膨脹土粘粒含量高，親水性蒙托石與伊蒙混層礦物總含量大于50％，遇水導(dǎo)致強度大幅度衰減；顆粒結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜；裂隙分布帶

22、有隨機性；以及膨脹土與水系相互作用和膠結(jié)物質(zhì)的存在，形成了復(fù)雜的物理現(xiàn)象和物理化學(xué)現(xiàn)象，所以膨脹土的變形和強度等性狀比普通粘土復(fù)雜得多。 </p><p>　　超固結(jié)是膨脹土的顯著特點，超固結(jié)膨脹土在成土過程中形成的先期固結(jié)壓力，改變了土體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，它也是對土的應(yīng)力－應(yīng)變－強度特性影響很大的因素之一。通過本章對強度與力學(xué)的試驗研究，得到以下結(jié)論： </p><p>　?、佼?dāng)采用三種不

23、同固結(jié)排水條件進行三軸壓縮試驗時，它們的總應(yīng)力破壞包線會因為孔隙水壓力的變化而有所不同。取值范圍分別是： ，，；，， 。 </p><p>　?、诋?dāng)采用相同固結(jié)排水條件時，在應(yīng)力－應(yīng)變曲線中，從峰值強度達到穩(wěn)定強度狀態(tài)時所需的變形，均比達到峰值強度時的變形要大好幾倍，充分反映了西－漢高速公路沿線膨脹土的超固結(jié)特性，而且，超固結(jié)性越明顯，從峰值強度達到穩(wěn)定強度狀態(tài)時所需的變形越大，抗剪強度也越大。 </p&g

24、t;<p>　?、蹚母魍翗拥膽?yīng)力－應(yīng)變圖中可以看出，天然狀態(tài)下的膨脹土是軟化型的。 </p><p>　?、芘蛎浲恋膲嚎s性、超固結(jié)性、抗剪強度指標(biāo)隨裂隙的分布而不同，裂隙越發(fā)育其壓縮性越高，超固結(jié)性越弱、抗剪強度指標(biāo)越小。強膨脹土的網(wǎng)狀裂隙發(fā)育結(jié)構(gòu)決定了它們天然孔隙比大，密度和結(jié)構(gòu)強度不高的特點。 </p><p>　　⑤影響膨脹土抗剪強度的因素有：結(jié)構(gòu)特征、物質(zhì)成分、顆粒組