工程科学与技术   2018, Vol. 50 Issue (6): 123-131
南水北调中线段原状膨胀土抗剪强度试验研究
戴福初1,2, 董文萍1, 黄志全1, 张晓丽1, 王安明1, 曹世超1     
1. 华北水利水电大学 资源与环境学院,河南 郑州 450045;
2. 北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京 100124
基金项目: 国家重点基础研究发展计划资助项目(2014CB744700);河南省重点科技攻关项目资助(152102210111);河南省科技创新人才计划资助项目(154100510006);国家自然科学基金重点资助项目 (U1704243);国家自然科学基金资助项目(41741019);华北水利水电大学博士研究生创新基金资助项目
摘要: 膨胀土的抗剪强度除了受含水率、干密度、正压力、干湿循环、裂隙等因素影响外,同时受到黏粒含量和塑性指数的影响。现有研究对于黏粒含量和塑性指数的考虑不足,不能系统、客观地反映某一个地区内膨胀土抗剪强度的规律性变化。以南水北调中线段某一个县的21种原状膨胀土为基础,作者研究了膨胀土中黏粒含量对其自由膨胀率、塑性指数的影响,并利用电动应变控制式剪切仪和ShearTrac Ⅱ反复直剪仪分别以0.8和0.02 mm/min的剪切速率开展了原状膨胀土的快剪(包括快剪、饱和快剪、饱和固结快剪)试验和残余剪试验,分析了黏粒含量、塑性指数对快剪强度摩擦角、残余强度摩擦角的影响。研究结果表明:自由膨胀率随黏粒含量的增加逐渐增大并趋于平缓;塑性指数随黏粒含量的增加逐渐增大,当黏粒含量增大到33%时,塑性指数开始趋于平缓;试样抽气饱和后,强度明显降低,表现为饱和快剪强度摩擦角小于快剪摩擦角,固结对试样起到了“治愈”作用,强度明显提高,表现为饱和固结快剪摩擦角高于饱和快剪摩擦角;随着黏粒含量、塑性指数的增加,快剪摩擦角、饱和快剪摩擦角、饱和固结快剪摩擦角均随之减小,当黏粒含量、塑性指数达到临界值(临界值分别为32%和24%)后,摩擦角变化趋于平缓;残余强度摩擦角随黏粒含量的增加逐渐减小并趋于平缓,但是随着塑性指数的增加,残余强度摩擦角逐渐减小后是否趋于平缓尚有待进一步的研究。
关键词: 膨胀土    黏粒含量    塑性指数    快剪强度摩擦角    残余强度摩擦角    
Study on Shear Strength of Undisturbed Expansive Soil of Middle Route of South-to-North Water Diversion Project
DAI Fuchu1,2, DONG Wenping1, HUANG Zhiquan1, ZHANG Xiaoli1, WANG Anming1, CAO Shichao1     
1. Inst. of Resources and Environment,North China Univ. of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China;
2. Key Lab. of Urban Security and Disaster Eng. of Ministry of Education, Beijing Univ. of Technol., Beijing 100124, China
Abstract: The shear strength of expansive soil is not only influenced by the water content, dry density, vertical stress, wetting-drying cycle, crack and other factors, but also influenced by the clay content and plasticity index. However, the existing studies rarely considered the clay content and plasticity index, and thus could not systematically and objectively reflect the regularity of shear strength of expansive soil in a certain area. In order to study the effect of clay content on the free expansion ratio and plasticity index, the effect of clay content and plasticity index on the quick shear strength friction angle (including quick shear, saturated quick shear, saturated and consolidated quick shear) and residual strength friction angle of 21 expansive soils at a county of Middle Route of South-to-North Water Diversion Project, shear tests were conducted on undisturbed soil using electric strain controlled direct shear apparatus at 0.8 mm/min and ShearTrac Ⅱ reversal direct shear apparatus at 0.02 mm/min. It was founded that the free expansion ratio gradually increases with increase of clay content and then changes gently. The plasticity index exhibits a logarithmic growth relation with clay content and then changes gently as clay content increased to 33%. The shear strength of samples significantly reduces after saturating, ie. The friction angle of saturated quick shear is less than the quick shear friction angle. There is a " cure” effect of consolidation on the samples, the strength is obviously improved, ie. The friction angle of saturated and consolidated quick shear is larger than the saturated quick shear friction angle. The friction angle of quick shear, saturated quick shear, saturated and consolidated quick shear decreases with increase of clay content and plasticity index, and then changes gently with critical value about 32% and 24% ,respectively. The friction angle of residual strength decreases with increase of clay content and then changes gently. With the increase of plasticity index, the friction angle of residual strength decreases, but it is not clear whether the friction angle changes gently after decreasing. Further research is being carried out by the project team.
Key words: expansive soil    clay content    plasticity index    quick shear strength friction angle    residual strength friction angle    

膨胀土是富含蒙脱石、伊利石和高岭石等亲水性黏土矿物的一种特殊性土体,具有胀缩性、超固结性和裂隙性特征,吸水膨胀、失水收缩的特性使其对周围环境和外部压力等条件极其敏感。膨胀土既具有一般黏土的共性,但又区别于一般黏土[12]

关于膨胀土抗剪强度的影响因素、试验方法的研究,许多学者已经取得了非常多有意义的成果。赵鑫等[3]对南水北调中线南阳段强膨胀土开展了大剪切试验,研究结果表明裂隙面的发育程度、倾角、裂面的起伏程度对强膨胀土的抗剪强度有很大的影响。肖杰等[4]以南宁外环膨胀土为研究对象,研究了低应力条件下土样的初始干密度、无荷、有荷因素对膨胀土抗剪强度的影响。黄志全等[5]以南阳膨胀土为研究对象,在原位剪切试验的基础上提出了膨胀土抗剪强度的修正计算公式。徐丹等[6]研究了含水率、正压力及干湿循环次数对膨胀土剪切强度的影响。李新明等[7]研究了膨胀土在干湿循环前后干密度对其抗剪强度影响,研究表明当压实度较高时,干湿循环前后重塑膨胀土强度参数随干密度单调增加,而残余强度参数与干密度关联性不强。李晶晶等[8]基于原位孔内剪切试验,对南阳某堑坡膨胀土开展了不同法向应力水平及成孔后注水浸泡等工况下的现场剪切试验,结果表明浸水对抗剪强度影响很大,最大降幅达 56.9%,预加载荷对浸水软化效应具有一定抑制作用,但当预加载荷超过某一应力水平时抑制效果减弱。戴福初等[9]对残余强度的研究结果表明黏粒含量、塑性指数越大,残余强度越小。许成顺等[10]研究了不同塑性指数下饱和黏土的强度变化规律,结果表明随着塑性指数的增大,残余强度逐渐减小,但峰值强度变化不规律。以往的研究重点多集中在含水率、干密度、正压力、干湿循环、裂隙等因素对土体抗剪强度的影响,而黏粒含量、塑性指数对于土体抗剪强度的研究,多采用不同地区或人为调配的土样,不能系统、客观地反映某一地区土体随黏粒含量和塑性指数改变抗剪强度的变化规律。

作者利用电动应变控制式剪切仪和ShearTrac Ⅱ反复直剪仪针对南水北调中线段某县原状膨胀土开展了系统的室内试验研究,探讨了黏粒含量对自由膨胀率、塑性指数的影响以及黏粒含量、塑性指数对原状膨胀土快剪强度(包括快剪、饱和快剪、饱和固结快剪)摩擦角和残余强度摩擦角的影响,研究成果客观、系统反映了当地膨胀土抗剪强度的变化规律,为边坡稳定性的分析及综合治理提供了重要的理论依据。

1 土样基本物理性质及试验方案 1.1 基本物理性质

南水北调中线某县段区域膨胀土主要为第三系中新统黏土、黏土岩,原状土块为20×20×20 cm3正方体,共21种,多呈褐色夹白色,少量因为地下水淋滤作用呈灰绿色(图1(a)),灰绿色土体裂隙发育,节理面光滑完整(图1(b)(c)),少量土体含腐蚀物质(图1(d))。土样包含低液限黏土和高液限黏土,属于弱膨胀土到中等膨胀土,基本物理性质指标见表1,颗粒分布见表2

图1 原状样 Fig. 1 Undisturbed samples

表1 土样基本信息及物理指标 Tab. 1 Basic information and physical indices of samples

表2 土样颗粒分布 Tab. 2 Particle sizes distribution of samples

1.2 试验方案

对于快剪试验(包括快剪、饱和快剪、饱和固结快剪),作者采用电动应变控制式剪切仪开展研究,试样直径61.8 mm,高20 mm,剪切速率均取为0.8 mm/min。以1#土样为例,1#-1~1#-4这4个试样分别在100、200、300、400 kPa法向应力下直接开展剪切试验,即为快剪;1#-5~1#-8这4个试样进行真空抽气饱和后在相应法向应力下直接开展剪切试验,即为饱和快剪;1#-9~1#-12这4个饱和试样在相应法向应力下竖向固结稳定(竖向沉降位移24 h内不超过0.01 mm)后再进行剪切,即为饱和固结快剪[1112]

对于残余剪切试验,环剪仪能够模拟大位移条件下的剪切,并且剪切完成后土颗粒会最大程度地平行于剪切方向,但试样要求为环状,原状样制取过程中易受扰动,影响残余强度的准确性[1315]。而反复直剪仪所需试样较小,且剪切过程中土体挤出量非常少,因此采用ShearTrac Ⅱ反复直剪仪开展残余强度的研究,剪切仪构造见图2

图2 反复直剪仪设备示意图 Fig. 2 Sketch of reversal direct box shear test apparatus

试样直径63.5 mm,高25.4 mm,以1#土样为例,1#-13~1#-16这4个试样真空抽气饱和,分别在100、200、300、400 kPa法向应力下固结稳定(竖向沉降位移24 h内不超过0.01 mm)后开展剪切试验,首次剪切速率为 0.02 mm/min(根据固结试验得出的固结系数而决定),剪切至8 mm 时以同样的速率退回原位,重复上述步骤,共剪切4个来回,最终剪切位移64 mm,取第4次剪切应力稳定值作为残余强度,无稳定值时取剪切位移4 mm处剪应力值。为避免速率效应对残余强度产生影响,所有试样均采用此剪切方案。剪切试验过程中将剪切盒充满水,避免剪切时间较长导致饱和样水分蒸发造成残余强度值偏高的可能。

其余2#~21#土样快剪和残余剪切试验方案与1#土样相同,试验方案如表3所示。

表3 膨胀土剪切试验方案 Tab. 3 Shear test scheme of expansive soil

2 试验结果分析 2.1 黏粒含量对自由膨胀率、塑性指数的影响

膨胀土土颗粒间普遍存在微裂隙和微孔隙,具有高度分散性,有利于水分的渗入和流失,这些土颗粒富含蒙脱石、伊利石和高岭石等亲水性黏土矿物,使得膨胀土极易遇水膨胀、失水收缩。

自由膨胀率是指土颗粒在无结构力影响下的膨胀潜势,虽然不能完全代表土体的膨胀潜势,但仍然能从直观上反映土体的膨胀性指标。黏粒含量越高,土颗粒比表面积越大,黏土矿物亲水性越强,胀缩性就越大。随着黏粒含量的增加,自由膨胀率也在增大,增大到一定程度后有逐渐变缓的趋势见图3。因此,黏粒含量可以表征土体的膨胀潜势。对黏粒含量和自由膨胀率进行拟合:

图3 黏粒含量对自由膨胀率的影响 Fig. 3 Effect of clay content on free expansion ratio

${\delta _{\rm ef}} = 1.46x + 22.8$ (1)

式中: ${\delta _{{\rm{ef}}}}$ 为自由膨胀率,%; $x$ 为黏粒含量,%。

蒙脱石、伊利石和高岭石等黏土矿物是控制膨胀土液塑限的重要内在因素,黏土矿物又是黏粒含量的重要组成部分。黏粒含量和塑性指数呈现良好的相关性,随着黏粒含量的增加,塑性指数增长,当黏粒含量达到33%后,塑性指数有趋于平稳的迹象,见图4。对黏粒含量和塑性指数进行拟合:

图4 黏粒含量对塑性指数的影响 Fig. 4 Effect of clay content on plasticity index

${I_{\rm{p}}} = 12.86\ln (x) - 20.2$ (2)

式中, ${I_{\rm{p}}}$ 为塑性指数,无量纲参数。

2.2 黏粒含量、塑性指数对快剪强度摩擦角的影响

随着黏粒含量、塑性指数的增加,快剪、饱和快剪、饱和固结快剪摩擦角均随之减小,三者之间,饱和固结快剪摩擦角最大,快剪摩擦角次之,饱和快剪摩擦角最小,见图56

图5 黏粒含量对摩擦角的影响 Fig. 5 Effect of clay content on friction angle

图6 塑性指数对摩擦角的影响 Fig. 6 Effect of plasticity index on friction angle

式(3)~(5)分别拟合快剪、饱和快剪、饱和固结快剪摩擦角与黏粒含量的关系:

${\varphi _1} = 8 \times {10^{ - 4}}{x^3} - {0.05_1}{x^2} + 0.89x + 14.9$ (3)
${\varphi _2} = - 3 \times {10^{ - 4}}{x^3} + 0.03{x^2} - 1.12x + 24.4$ (4)
${\varphi _3} = 8 \times {10^{ - 4}}{x^3} - 0.06{x^2} + 1.17x + 18$ (5)

式中, ${\varphi _1}$ ${\varphi _2}$ ${\varphi _3}$ 分别为快剪、饱和快剪、饱和固结快剪摩擦角,(°)。

式(6)~(8)分别拟合快剪、饱和快剪、饱和固结快剪摩擦角与塑性指数的关系:

${\varphi _1} = 83 \times {10^{ - 4}}I_{\rm{p}}^3 - {0.5_1}I_{\rm{p}}^2 + 9.29{I_{\rm{p}}} - 36.2$ (6)
${\varphi _2} = 73 \times {10^{ - 4}}I_{\rm{p}}^3 - 0.44I_{\rm{p}}^2 + 8.22{I_{\rm{p}}} - 36.2$ (7)
${\varphi _3} = 74 \times {10^{ - 4}}I_{\rm{p}}^3 - 0.47I_{\rm{p}}^2 + 8.95{I_{\rm{p}}} - 30.3$ (8)

试样经过真空抽气后达到饱和状态,膨胀土土颗粒孔隙间充满水分,且亲水性黏土矿物的点–面和面–面叠聚体吸水发生膨胀,水膜增厚,原有结构发生破坏,表现为试样饱和后剪切强度降低,即饱和快剪摩擦角小于快剪摩擦角。缪林昌等[16]研究表明,含水率是影响膨胀土强度的关键因素,含水率越大,强度就越低。

在固结和压缩过程中,土颗粒被挤压密实,孔隙减少,孔隙水(气)排出试样外,颗粒发生重新分布,颗粒与颗粒间镶嵌紧密、咬合作用加强,固结作用对膨胀土强度起到了“治愈”作用,表现为饱和固结快剪摩擦角比饱和快剪摩擦角更大。

快剪强度摩擦角随着黏粒含量、塑性指数的增加均减小,当黏粒含量和塑性指数分别小于32%和24%时,摩擦角急剧下降,超过32%和24%后,摩擦角下降趋势趋于平缓。

2.3 残余剪试验 2.3.1 残余剪试样破坏形态

超固结黏土在剪切过程中,由于剪胀作用,导致含水率增加,土体发生应变软化,达到“完全软化强度”;随着剪切的持续进行,剪切面处土颗粒发生定向排列,土体强度降至残余值[17]。也就是说,含水率的增加和颗粒的定向排列共同造成了土体抗剪强度的降低。就颗粒定向排列这个原因而言,只有当黏粒含量超过20%~25%时,颗粒的定向排列才会对残余强度有影响;当黏粒含量小于20%~25%时,曲线呈现经典的“临界状态”,此时超固结黏土残余强度的降低则主要是由于含水量的增加所造成的。

在剥露出的新鲜剪切面上,仔细观察可见土颗粒有明显的定向擦痕,表明剪切过程中土颗粒沿着剪切方向发生了高度定向排列,剪切面见图7(b)。相关学者认为,伴随着剪切的发生,颗粒集合体在剪切过程中会发生分解和定向排列[18]。也就是说,试样在加载固结完成后,推剪作用使得土颗粒打破原有结构状态,颗粒间相互滑动、摩擦并发生破碎,粗颗粒滑动、运移、摩擦并破碎后形成明显的剪切面,随着剪切位移的增加,颗粒沿着剪切方向形成定向的划痕和空隙。

图7 试样剪切破坏形态 Fig. 7 Shear failure pattern of sample

试验过程中发现,相较于剪切面上下区域,剪切面处含水率有一定程度的增加,这可能是由于颗粒发生定向排列后,剪切面处土颗粒吸附电位增加,引起了水分转移。Skempton[17]的研究表明,剪切面含水率(34%)高于剪切面上下区域(30%)。

2.3.2 应力位移、沉降曲线

试样在一定法向应力作用下的剪切变形主要通过垂直于应力方向的推剪而实现,试样加载固结完成后,推剪作用使得土颗粒打破原有结构,发生颗粒的碾压、揉搓、破碎、摩擦等作用,宏观上表现出剪应力的增加。随着剪切的进行,剪切位移增加,剪应力趋向稳定并达到残余强度,此时剪切面处土颗粒经历了不间断地转动和运移后,土颗粒沿着剪切方向呈现高度定向排列。

以6#-13~6#-16残余剪试样为例,第4次剪切应力位移曲线和沉降曲线如图8所示。从图8(a)可以看出,大多数应力位移曲线不具备明显的应变软化特性,随着剪应变的增加,剪应力未出现明显的下降。剪应力在达到残余强度值后,随着剪切位移的持续增加,剪应力有逐渐增大的趋势,强度值出现微小的增大现象,Bishop[19]认为这是由于挤压和机械摩擦所造成的。由图8(b)可以看出,试样剪切过程中,最大沉降位移仅为0.13 mm,此现象说明,反复直剪仪在试样剪切过程中,土颗粒挤出量非常少,确保了强度值的准确性。

图8 6#-13~6#-16试样应力–位移曲线和沉降曲线 Fig. 8 Shear stress vs. shear displacement and deformation of 6#-13~6#-16 samples

2.3.3 黏粒含量、塑性指数对残余强度摩擦角的影响

Lupini[20]研究表明,剪切面处土颗粒的定向排列取决于黏粒含量和矿物组成,并将残余强度剪切特性分为3类:1)类是“滑动剪切”,此时的残余强度摩擦角大小取决于片状和扁平状黏土矿物、孔隙水化学特性和颗粒间摩擦系数;2)“湍动剪切”,此时的残余强度摩擦角取决于圆胖状颗粒的形状和集合体形式,而不取决于颗粒间摩擦系数;3)“过渡剪切”,兼有“滑动剪切”和“湍动剪切”的特性。

作者采用的土样剪切特性多处于“过渡剪切”状态,此时的残余强度则取决于黏粒的多少以及黏粒的特性。黏粒含量、塑性指数与残余强度摩擦角间均有很强的相关性见图910。膨胀土多富含蒙脱石、伊利石和高岭石等亲水性黏土矿物,这些矿物多为细小的鳞片状、板状等形态,在剪切过程中极易沿滑动方向形成高度定向排列,如前所述,在形成定向排列的同时伴随剪切面处含水率的增加,表现为残余强度的降低。塑性指数和黏粒含量在一定程度上代表了这些亲水性黏土矿物的大小和形状,当黏粒含量增加,塑性指数变大,颗粒间的边–面作用趋向于面–面作用加强,残余强度摩擦角降低。因此,在一定程度上,黏粒含量、塑性指数可以表征土体的残余强度[13,2123]

图9 黏粒含量对残余强度摩擦角的影响 Fig. 9 Effect of clay content on residual friction angle

图10 塑性指数对残余强度摩擦角的影响 Fig. 10 Effect of plasticity index on residual friction angle

采用式(9)对黏粒含量和残余强度摩擦角进行拟合:

${\varphi _{\rm{r}}} = 6 \times {10^{ - 4}}{x^3} - 0.05{x^2} + 0.97x + 9.2$ (9)

并拟合塑性实数和残余强度摩擦角曲线:

${\varphi _{\rm{r}}} = 32 \times {10^{ - 4}}{x^3} - 0.21{x^2} + 4.07x + 9.2$ (10)

Mitchell[24]在Kenny[25]、Lupini[20]、Skempton[17]的基础上,提出了黏粒含量和残余强度摩擦角的关系;接着,Kaya等[26]将其研究数据与Mitchell[20]相结合验证了Mitchell的结论。Mesri和Shahien[27]在Stark和Eid[28]的基础上,建立了残余强度摩擦角和塑性指数的关系,Kaya等[26]又在Mesri和Shahien[27]的数据上添加了其研究成果,认为残余强度摩擦角和塑性指数间确实有很好的相关性,但是Kaya[26]等作者的曲线要比Mesri和Shahien[27]的曲线要陡。作者从实际工程着手,建立了残余强度摩擦角和黏粒含量、塑性指数的关系曲线,为该地区膨胀土的工程建设提供了参数支持。

残余强度摩擦角随黏粒含量、塑性指数的增加而逐渐减小的现象与快剪强度摩擦角变化趋势相类似,所不同的是,残余强度摩擦角是剪切面处土颗粒发生高度定向排列之后的颗粒间摩擦,而快剪强度摩擦角则是土颗粒打破原有结构状态所产生的颗粒间摩擦。

2.4 微观结构分析

由扫描电镜可以看出,土样颗粒呈层状分布,多为面面接触并形成面面叠聚体,综合土样SEM特征可认为采用的土样主要以面面叠聚体为基本结构单元。

蒙脱石黏土矿物呈卷曲翘起状,颗粒弯曲似花瓣状(图11(a));伊利石黏土矿物形状介于蒙脱石和高岭石矿物之间,呈无规则的片状或者扁平状体,颗粒间多为点–面或者面–面接触(图11(b));高岭石黏土矿物无卷曲翘起,呈现出片片叠聚现象(图11(c))。这些亲水性黏土矿物极易吸水又易失水,其自身表现出的物理、化学性质及结构特点也不尽相同。在胀缩性和亲水性方面,蒙脱石亲水性最强,伊利石次之,高岭石活动性最低;在剪切强度方面,高岭石强度较高,伊利石次之,蒙脱石最低。

图11 试样黏土矿物组成 Fig. 11 Mineral composition of samples

从放大50倍的图12(a)可以看出,原状样颗粒松散,结构复杂,并有较多孔隙;而如图12(b)所示的50倍SEM特征下,残余剪样剪切面处土颗粒沿剪切方向呈定向排列,划痕平滑顺直,孔隙在剪切过程中被压缩和挤密,孔隙明显减少;从放大1 000倍图12(c)看,黏土矿物沿剪切方向呈高度定向分布。

图12 原状样和剪切样SEM特征对比 Fig. 12 Comparison of SEM between undisturbed samples and shearing samples

3 结 论

通过本研究,可以得到以下初步认识:

1) 一定范围内,黏粒含量可以表征膨胀土的膨胀潜势;随着黏粒含量的增加,塑性指数逐渐增长,黏粒含量和塑性指数呈现良好的相关性,当黏粒含量达到33%后,塑性指数有趋于平稳的迹象。

2) 随着黏粒含量、塑性指数的增加,快剪、饱和快剪、饱和固结快剪摩擦角均减小,当黏粒含量和塑性指数达到临界值后(临界值分别为32%和24%),摩擦角变化趋于平缓,且饱和固结快剪摩擦角大于快剪摩擦角,快剪摩擦角大于饱和快剪摩擦角。

3) 残余强度摩擦角随黏粒含量、塑性指数的增加均呈现减小的趋势,就本研究的统计数据而言,残余强度摩擦角随黏粒含量增加而逐渐减小并趋于平缓,而随塑性指数变化,残余强度摩擦角最终是否趋于平缓,尚不清楚。

关于黏粒含量、塑性指数分别与快剪(包括快剪、饱和快剪、饱和固结快剪)强度摩擦角、残余强度摩擦角的关系已经作为相关工程建设的理论依据。

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