膨胀土强度的室内直剪和原位推剪对比试验研究

杨果林¹，滕珂¹，谢兰芳²

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；

2. 广东省航运规划设计院有限公司，广东 广州，510050)

摘要：针对广西百色地区膨胀土扰动土与原状土差距大的特点，采用室内试验和原位试验相结合的方法，通过直剪试验和原位推剪试验研究土体不同饱和度及不同密实度对强度的影响和变化规律。通过直剪试验拟合的公式结合原位试验结果，推算饱和状态下原状土的强度指标，为膨胀土边坡稳定验算提供较可靠的参数。研究结果表明：饱和度对强度的影响较大，密度对强度的影响较小，黏聚力和内摩擦角与饱和度的对数均有很好的线性相关性，黏聚力受饱和度的影响比内摩擦角受饱和度的影响明显；原状土抗剪强度大于扰动土抗剪强度，当饱和度增大时，原状土黏聚力衰减速率比扰动土的大；原状土内摩擦角衰减速率比扰动土的小。

关键词：膨胀土；强度；饱和度；密实度；直剪；原位推剪

中图分类号：TU413.1          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)06-1952-08

Eexperimental study of direct shear and in situ clipper on strength of expansive soil

YANG Guolin¹, TENG Ke¹, XIE Lanfang²

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;

2. Design Institute of Waterway Transportation & Planning, Guangzhou 510050, China)

Abstract: Aiming at the big gap between the characteristics of disturbed soil and undisturbed soil of Baise expansive soil,direct shear tests and in situ clipper tests were carried out to study the change of the soil strength and the influence of the change rule caused by different saturations and compactnesses. Through the direct shear test fitting formula combined with the in-situ test results,the strength of the undisturbed soil saturated condition index was calculated to provide reliable parameters of expansive soil slope stability calculation. The results show that saturation has bigger influence on the strength and density has less effect on the strength, cohesive force and angle of internal friction and the logarithm of saturation have good linear correlation. The influence of saturation on cohesive force is bigger than the internal friction angle. Undisturbed soil shear strength is greater than that of the disturbed soil. When the saturation increases, the cohesive force attenuation rate of the undisturbed soil is greater than that of the disturbed soil,while the undisturbed soil angle of internal friction attenuation rate is smaller than that of the disturbed soil.

Key words: expansive soil; strength; saturation; compactness; direct shear; in situ clipper

膨胀土在自然条件下多呈坚硬或硬塑状态，结构致密，干时坚硬，遇水软化^[1]。这种特性使得膨胀土地区的土坡无论是路堤、路堑、渠道边坡等常产生滑坡，给工程建设带来巨大的灾害。工程实践证实，膨胀土的强度指标(黏聚力c、内摩擦角φ)的判定较一般黏性土更复杂，因此，需要研究膨胀土的强度指标的变化规律。对膨胀土强度进行研究的方法可以分为：(1) 引入非饱和土理论，研究考虑吸力对膨胀土强度参数的影响。如张华等^[2]改进通过了土-水特征曲线试验预测膨胀土抗剪强度的方法；杨庆等^[3-5]通过非饱和土三轴仪对膨胀土进行研究，研究表明膨胀土强度指标均随含水率增大而减小。但是，由于吸力量测难度大，费时又费力，且非饱和土力学难以形成科学完整理论体系^[6]。同时，许多实例表明，膨胀土坡往往在雨季发生破坏，这说明采用膨胀土的饱和强度尚不能保证膨胀土坡的稳定，而非饱和膨胀土的强度要远高于其饱和强度，用非饱和膨胀土强度进行设计与计算是偏于危险的^[7]：因此，这种研究方法目前在工程上的实用价值有限。(2) 采用常规的土工试验仪器，以含水率、饱和度等作为变量研究非饱和膨胀土的强度特性，具有简单、方便的特点，因此，应用较广泛^[8]。杨和平等^[9]进行了有荷条件下的膨胀土干湿循环试验，研究了膨胀土的强度特性随含水率的关系。谭罗荣等^[10]研究了膨胀土的强度指标与含水率、干密度、饱和度及膨胀压力的关系。缪林昌等^[11]通过抗剪强度试验，研究了黏聚力、内摩擦角和含水率之间的关系。骆以道^[12]对压实土进行直剪试验，研究了含水率变化对其抗剪强度的影响。李文等^[13-14]通过直剪和三轴剪切试验研究膨胀土强度表明含水率和密度对膨胀土强度均有影响。常规的土工试验也存在许多不足之处：(1) 常规的土工试验均为小试样试验，其结果不可避免地受到尺寸效应的影响；(2) 土工试验使用的试样在取样和运输过程中会对土样有一定的扰动和应力释放，其结构性发生了变化；(3) 裂隙对膨胀土强度的影响很大，在土工试验中采用干湿循环试验一般是在直剪仪上进行的，直剪试验用环刀切样时一般顺着试样裂隙的主要开展方向切取，剪切面大体与其垂直，在这种情况下测得的强度指标是否能应用于工程上还有待考证。 原位试验可以弥补常规的土工试验仪器中的诸多不足，但原位试验又受现场条件限制，无法使测试土样达到饱和，而对工程问题，因为存在晴雨变化，很难保证土体不会浸水饱和，设计要考虑最危险状态，因此，验算边坡稳定性需要采用饱和土强度指标。为解决上述问题，本文作者通过室内直剪试验得到的规律，结合原位推剪试验结果，推算出原状土饱和时的强度指标。

1  膨胀土物理力学指标和膨胀等级判断

黄色土样取样点为云桂铁路试验段DK199+900~ DK200+300。本地段地貌类型为浅丘地貌，主要分布有大量坡残积膨胀土和膨胀性泥岩。

红色土样取样点为云桂(云南昆明—广西南宁)铁路试验段DK168+000~ DK168+400。本地段为浅丘地貌，地形起伏不大，坡残积和坡洪积膨胀土分布广泛；其母岩多为那读组和红色岩组泥岩或砂岩，泥质结构，易崩解。

膨胀土膨胀潜势分级标准^[15]如表2所示。

参照标准可知黄色试样属于中等膨胀土，红色试样属于弱膨胀土。

表1  试样基本物理性质

Table 1  Physical parameters of samples

表2  膨胀潜势分级

Table 2  Swelling potential classification

2  室内直剪试验

2.1  膨胀土由非饱和至饱和状态仅由含水率产生的强度变化

将2种土样的试验均分成4 组，各组试样含水率分别为11%，14%，17%和38%，第4 组试样为抽气饱和。黄色膨胀土4组试样干密度均为1.68 g/cm³ ，即密实度为90%，对应的饱和度分别为0.25，0.33，0.40 和0.95。

红色膨胀土各组试样含水率分别为10%，13%，16%和39%，第4 组试样为抽气饱和；4组试样干密度均为1.76 g/cm³ ，即密实度为90%，对应的饱和度分别为0.26，0.34，0.41和0.95。

对各组试样分别进行固结不排水直剪试验，固结过程的稳定标准是变形不大于0.005 mm/h，且历时不小于24 h，剪切速度为0.8 mm/min。

试验所得强度指标c和φ随饱和度的变化见图1和图2。由图1和图2可见：试样的强度随饱和度增大大体呈线性递减的关系，红色试样由初始非饱和状态增湿至饱和状态后，c下降38.9 kPa，降幅为79%，φ下降11.3°，降幅为57%；黄色试样由初始非饱和状态增湿至饱和状态后，c 下降50.6 kPa，降幅为84%，φ下降24.4°，降幅为60%。含水率对非饱和膨胀土的强度影响显著，膨胀土的非饱和强度远高于饱和强度。

图1  内摩擦角随饱和度变化关系

Fig. 1  Relationship between internal friction angle and saturation degree

图2  黏聚力随饱和度变化关系

Fig. 2  Relationship between cohesion and saturation degree

2.2  膨胀土仅由密度引起的强度变化试验方法

为保证引起试样强度变化的因素仅为密度，控制试样的含水率相差不大于0.5%，否则补样重新试验。以土样最优含水率，分别配置密实度为80%，85%和90%的对比试样，即红色土样配置含水率13%，干密度分别为1.56，1.66和1.76 g/cm³ 的3组试样；黄色土样配置含水率为14%，干密度分别为1.50，1.59和1.68 g/cm³ 的3组试样制取。固结过程的控制标准是：变形不大于0.005 mm/h，排水量连续2 h 不大于0.01 mL，且历时不小于24 h。

图3和图4所示为试样强度指标随密度的变化关系。从图3和图4可以看出：在试验所用密实度的范围内，试样强度随密度增加大体呈线性递增的关系；红色试样密实度由80% 减小到90%，黏聚力c 由30.2 kPa 增加到41.8 kPa，内摩擦角φ基本不变；黄色试样密实度由80% 减小到90%，聚力c 由40.2 kPa 增至53.6 kPa，内摩擦角φ由33.3°增至35.8°。

含水率、密实度引起的膨胀土强度下降试验结果见表3。从表3 可见：虽然膨胀土强度指标的降低是由于含水率、密实度不断地变化共同作用的结果，黏聚力c受影响较显著，但含水率变化对膨胀土强度的影响远大于密实度的影响。

从表3可以看出：随着含水量的增加，黏聚力逐渐减少。黏性土的凝聚力主要来源于以下2个方面：

(1) 土粒间的相互引力。黏性土的颗粒粒径较小，黏粒质量分数较大，总的比表面积较大，所以，土粒间的相互吸引能力强。

图3  内摩擦角随密实度变化关系

Fig. 3  Relationship between internal friction angle and compaction

图4  黏聚力随密实度变化关系

Fig. 4  Relationship between cohesion and compaction

表3  含水率、密实度引起的膨胀土强度下降

Table 3  Shear strength caused by water content and compaction

(2) 土粒具有结合水膜，相邻土粒之间常由公共水化膜连结起来，表现为水膜连结。

对数内摩擦角和对数黏聚力与饱和度的关系分别见图5和图6。黏性土颗粒间公共水化膜的连结力对凝聚力的产生具有重要的作用，因而，黏性土的凝聚力随着含水量的不同而变化较大；含水量越小，公共水膜连结力越大，凝聚力也越强，所以，干黏性土的抗剪强度相当高；反之，含水量越大，凝聚力越小，抗剪强度也越低。

图5  对数内摩擦角与饱和度的关系

Fig. 5  Relationship between logarithm internal friction angle and compaction

图6  对数黏聚力与饱和度的关系

Fig. 6  Relationship between logarithm cohesion and compaction

随着含水量的增加，内摩擦角逐渐减少。其原因可以从土与水相互作用的角度来考虑：饱和度越大，含水量越大，土粒中以自由水存在的水分子越多，对土粒间的润滑作用就越大，所以，内摩擦角越小。

对黏聚力和内摩擦角与饱和度的关系进行回归，发现2种土样黏聚力c和内摩擦角φ与饱和度均有很好的线性相关性，说明这种规律是百色地区膨胀土的一种共性。

由以上分析，可得膨胀土强度和饱和度关系的拟合公式如下：

         (1)

式中：S_r为饱和度；A₁，A₂，B₁和B₂为系数。

黄色膨胀土强度与饱和度关系的拟合公式如下：

红色膨胀土强度与饱和度关系的拟合公式如下：

3  原位推剪试验

3.1  试验方法

由于试验场地限制，原位推剪试验仅选用膨胀力较强黄色土样对应的原状样，试验点选在云桂铁路试验段DK200+280附近。

(1) 浸水试样布置竖向砂孔，以加大浸水样的含水率增量。

(2) 埋设土压力盒，在测试土体正前方填筑10 cm厚的砂垫层并埋设4个大量程土压力盒。

(3) 布置水平百分表。试样正前方架设1根工字钢支架，在其上布置3块大量程百分表，以测试土体水平位移。

(4) 固定反力系统。在正面坑壁处先放置一排枕木，紧贴其放置1块面积为100 cm×100 cm，厚度为3 cm的钢板；在试样前方紧贴土体放置同样大小钢板。

在浸水土试样试验中，以上3个步骤需在注水前完成并在正面钢板处加上支撑，以防正面土体在加水过程中坍塌。

(5) 安放千斤顶。在2块钢板之间安放1个100 t螺旋千斤顶，在千斤顶和前面钢板之间加上2块涂有凡士林的白铁皮，以代替带有滚珠的钢板。调节千斤顶的螺丝，使其与前面的钢板紧密接触。千斤顶位置水平向居中，垂直向距坑底高度1/3土样高度，布置如图7所示。

表4  试验土样基本物理性质指标

Table 4  Basic physical properties of test soil

图7  试验立面布置图

Fig. 7  Design of the in situ shear test

将设备安装好后，通过千斤顶徐徐施加水平推力，其加荷速度控制在每15~20 s内的水平位移为3mm左右，控制百分表读数，土体位移每变化3 mm读1次土压力^[8]。当土体开始出现剪切面时，土压力盒上的读数达到最大值，继续加荷，其值不仅不增加，反而下降，此时即认为土体已被剪坏，记录土压力盒最大值，即为最大推力P_max。试验中以土体首次出现裂缝时的推力为P_max。

浸水土样推剪试验时，根据土壤湿度传感器读数调节各个孔的注水量，直至所有土壤湿度传感器读数饱和且三面土体下部有水渗出为止。然后，按照上述步骤进行试验，测试土体含水率变化。

3.2  试验结果分析

采用圆弧条块分析法进行抗剪强度指标的计算，根据已量测的滑动弧上各点的距离和高度绘制滑动弧。首先进行总体分析。对于滑动土体来说，与推力相抗衡的力系中除了滑动面上土体抗力F外，还有两侧摩阻力T₁和T₂，则平衡方程为：P_max=F+T₁+T₂。在本试验中，因两侧用钢化玻璃板夹住土体进行剪切，因此不计摩擦，认为侧摩擦力T₁=T₂=0 kN，即有R_max=F。在总体分析之后，取得最大有效推力，再取单位宽度的土体，按平面问题进圆弧条块分析，如图8所示。

图8  圆弧条块分析力系示意图

Fig. 8  Schematic diagram of power system analysis

《工程地质手册(第3版)》给出了现场推剪试验计算土体的抗剪强度指标的计算公式：

          (2)

   (3)

刘多文^[16]在填石路堤原位推剪试验研究中按等间距将滑动块体划分为若干竖向条块，按平面问题进行圆弧条块分析时考虑了推力P_max作用在底面上的侧压力KP_max(其中K为土体侧压力系数)，取1个条块进行受力分析。

    (4)

式中：为作用于单宽条块i上的有效推力(kN)；，c为土体内黏聚力；φ为土体内摩擦角；g_i为条块重力(kN)；G为条块重力总和(kN)。

考虑整个圆弧(1~n块)的滑动力与抗滑力平衡方程，可解得

                  (5)

土体侧压力系数有2种比较常见的计算方法：

(1) 用有效内摩擦角计算，K=1-sinφ′；

(2) 用塑性指数I_p计算，K=0.19+0.233lgI_p。

试验土样塑性指数介于20~28，计算得到的侧压力系数为0.49~0.52，土体侧压力系数取0.5。

计算采用式(2)和(5)，计算结果如图9和图10所示。

图9  对数内摩擦角与饱和度的关系

Fig. 9  Relationship between logarithm internal friction angle and compaction

图10  对数黏聚力和饱和度的关系

Fig. 10  Relationship between logarithm cohesion and compaction

试验土体天然密实度达到88%与工程要求的90%相差较小，故可以不考虑施工后密实度变化带来的影响。从图9和图10可知：黏聚力c和内摩擦角φ也与饱和度有很好的线性相关性。采用式(1)拟合得

由上式可以推出：当土样饱和，即S_r=1时，原状膨胀土黏聚力c为 8.4 kPa；内摩擦角φ为31.6°。

4  室内直剪与原位推剪试验结果对比

黄色膨胀土的室内扰动土直剪试验与原位推剪试验结果及拟合曲线如图11和图12所示。从图11和图12可以看出：(1) 膨胀土抗剪强度均随饱和度增加而降低；(2) 在相同饱和度时，原状土的黏聚力c大于扰动土黏聚力，但当饱和度增大时，原状土黏聚力c衰减速率大于扰动土的衰减速率；(3) 在相同饱和度时，原状土的内摩擦角与扰动土黏土的内摩擦角相近，但当饱和度增大时，原状土内摩擦角φ衰减速率比扰动土的小。

土体的宏观内摩擦力是颗粒抵抗滑动与翻滚能力的体现，从细观分析有3部分来源：(1) 颗粒抵抗转动能力，受颗粒外形圆形度支配；(2) 颗粒间的宏观嵌入咬合阻力，受颗粒外形的凹凸度支配；(3) 颗粒接触面、点之间的微观咬合，受粒间摩擦因数支配^[18]。

土体的黏聚力包括土粒间分子引力形成的原始黏聚力和土中化合物的胶结合用形成的固化黏聚力。

扰动土在采集、运输和重新制样的过程中，内部土粒间的原始黏聚力遭到破坏。因此，其黏聚力小于原状土的黏聚力。但是，在土样加水饱和的过程，水膜填充在土粒之间，不仅破坏土中化合物的胶结，而且削弱了分子引力提供的原始黏聚力，所以原状土黏聚力衰减速率比扰动土的衰减速率大。

原状土样中含有大量风化不完全的膨胀岩块，岩块外轮廓相对不规则。在土样相对干燥的状态下，颗粒间的微观咬合对内摩擦力影响最大，而原状土和扰动土为同一种土，粒间的摩擦因数相同。因此，内摩擦角相近。当土样加水饱和时，由于水膜的润滑作用，粒间摩擦因数急剧减小，含有大量不规则岩块的原状土颗粒比相对规则圆滑的扰动土颗粒有更强的抵抗滑动与翻滚能力，所以，饱和后原状土内摩擦角大于扰动土的内摩擦角。

图11  黏聚力对比

Fig. 11  Comparison of logarithm cohesion

图12  内摩擦角对比

Fig. 12  Comparison of internal friction angle

5  结论

(1) 膨胀土强度指标(黏聚力c和内摩擦角φ)降低是含水率、密度不断变化引起的。其中含水率影响较大，而密度对强度的影响较小，可忽略不计。

(2) 黏聚力c和内摩擦角φ与饱和度均有很好的线性相关性。黏聚力c受饱和度的影响比内摩擦角φ受饱和度的影响明显。

(3) 原状土的黏聚力c和内摩擦角φ也与饱和度有很好的线性相关性，可以通过拟合公式推算饱和时原状土的强度。

(4) 原状土比大于扰动土抗剪强度。当饱和度增大时，原状土黏聚力c衰减速率大于扰动土的衰减速率；原状土内摩擦角φ衰减速率小于扰动土的衰减速率。

以上结论是对广西百色膨胀土进行试验研究而得出的，不同地区膨胀土是否具有相同的规律有待进一步研究。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2013-06-20；修回日期：2013-08-19

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51278499)；铁道部科技研究开发计划项目(2010G016-B)

通信作者：杨果林(1963-)，男，湖南桃江人，教授，博士生导师，从事道路与铁道工程、岩土工程和结构工程的教学和科研工作；电话：13908433751；E-mail：guoling@csu.edu.cn