饱和与非饱和膨胀岩剪切特性试验研究

2013-08-13李川疆何建新

水利与建筑工程学报 2013年1期

李川疆，何建新，刘亮

(新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐830052)

0 前言

膨胀岩是一种遇水膨胀、软化，失水收缩、硬化的特殊类型的软岩[1]。由于其含有大量的亲水性矿物，当含水率变化时有较大的体积变化，同时，反复的胀缩变形导致膨胀岩形成许多不规则的裂隙，裂隙的存在破坏了土体的整体性，加之膨胀岩中含有较多的钙结核和软弱夹层，从而大大降低了岩体的强度[2]。工程实践证明，膨胀岩的强度较一般黏性土更为复杂，表现为变动性[3]。因此，膨胀岩抗剪强度指标的确定与选取有较大难度。

关于膨胀岩边坡强度指标的研究，许多工程实例表明通常膨胀岩峰值抗剪强度相当高，但从膨胀岩边坡失稳后反算出的抗剪强度却往往较低。对此许多学者建议采用现场大型原位直剪来推求其抗剪强度指标，但是，现场大型原位直剪历时长、耗资高。相对于分散工程对每个点进行原位测试不太可能，由此，本文取新疆某工程的膨胀岩渠段桩号为82+500处的膨胀岩原状样与室内重塑样进行试验，找出原状样与重塑样之间的关系。

1 材料及试验方法

1.1 膨胀岩物理力学指标

根据《土工试验规程》[4]SL237-1999相关试验方法和地质人员对现场勘察情况，对典型膨胀岩层进行了物理性质指标测定，主要包括颗粒分析试验、界限含水率试验、天然含水率及天然密度及比重试验，结果见表1。

表1 膨胀岩物理性质指标汇总表

从物理性质指标成果可以看出，膨胀岩粘性含量较高，小于0.005 mm颗粒含量在50%以上，根据《土工试验规程》[4](SL237-1999)分类，属高液限粘土。天然含水率较高，因此具有高液限、低塑限的特点。膨胀力为131 kPa，无荷载膨胀率为9.4%，自由膨胀率59.2%，属中等膨胀岩土。

1.2 试样制备

对于原状样，去除膨胀岩表面的风化层，露出新鲜的岩体，分别采用现场钻芯取样、室内环刀取样制备三种尺寸的试样，分别为Φ 148 mm×150 mm的中型直剪试样，Φ 61.8 mm×20 mm的普通直剪试样，以及Φ 39.1 mm×80 mm的三轴试样。直剪试样分别制备10～15个，三轴试样制备5个。

对于重塑样，制备两种尺寸的试样，采用击实制样。尺寸为Φ 61.8 mm×20 mm的普通直剪试样，以及尺寸为Φ 39.1 mm×80 mm的三轴试样。控制干密度为1.57 g/cm3，含水率为25.4%，试样按《土工试验规程》SL237-1999[4]的试样进行制备。

1.3 试验方法

膨胀岩抗剪强度指标采用以下三种方法进行试验:

方法1:采用中型直接剪切试验仪，样筒尺寸为Φ 148 mm×200 mm，将制备好的试样放入直剪仪样筒内，为保证正应力均匀传递，可将试样顶部与底部铺设一层1 cm～2 cm厚的细砂层，顶部安装加压盖、垂直力传感器(最大量程30 kN)。实验方法采用快剪，垂直压力为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，剪切速率为 1.0 mm/min，使试样在 5 min～8 min内剪破，采用水平力传感器(最大量程30 kN)量测水平力。

方法2:采用常规应变控制式直剪仪，试样采用环刀制备，试验方法采用快剪，垂直压力为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa，剪切速率为 0.8 mm/min，使试样在3 min～5 min内剪破，采用量力环量测水平力。

方法3:采用三轴压缩试验，试样尺寸为Φ 39.1 mm×80 mm，进行固结不排水(CU)剪，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，剪切速率为0.8 mm/min。

2 结果与分析

2.1 膨胀岩原状样与重塑样的强度参数结果对比及分析

通过图1、图2可见膨胀岩在天然非饱和状态下的抗剪强度指标较大，且相对于饱和状态强度指标比较离散，在浸水饱和状态下，试样抗剪强度明显下降，尤其是粘聚力几乎为零，表现出无粘性土的滑坡特征。原状样由于其裂隙的发育程度、分布范围、间距、倾角及连通情况等情况千差万别，加之在浸水和失水环境下多有不同程度的胀缩变形[5]，因此，相对于重塑样数据较为离散。原状样非饱和状态下的中型直剪与小型直剪的强度指标相比，小型直剪的强度指标大于中型直剪，且小型直剪的数据更为离散。中型直剪由于尺寸较大，更能反映真实岩体的节理、裂隙特征，而小型直剪往往测得的是完整岩块的抗剪强度指标，未考虑节理、裂隙及其空间组合特征对强度的影响[6]。由表2可以看出，膨胀岩在饱和状态下的原状样与重塑样的强度指标粘聚力相差较大，而内摩擦角相差较小，而且数据离散程度比非饱和状态时要小。

图1 膨胀岩天然状态直剪抗剪强度线

直剪试验预定剪切面的抗剪强度与土体的实际应力状态差别较大。且直剪试验还存在着试验过程中试样有效面积逐渐减小，主应力方向变化，剪切面上应力分布不均以及预定剪切面未必是试样最弱面等特点。对于直剪试验由于不能反映真实的剪面，因此，土抗剪强度易受土中裂隙倾斜面与施加的剪切应力方向的影响[7]。饱和状态下，三轴试验所得的粘聚力均比直剪试验要小，三轴试验可以更好地反映裂隙对强度的影响。因而更具有参考价值。

图2 膨胀岩饱和状态直剪抗剪强度线

表2 膨胀岩抗剪强度指标汇总表

许多实例表明，膨胀岩边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，而非饱和膨胀岩的强度要远高于其饱和强度，用非饱和膨胀岩强度进行设计与计算是偏于危险的。因此，工程设计中往往取最危险状态，则膨胀土强度应取饱和状态下裂隙充分发展后的强度。

2.2 膨胀岩残余强度与裂隙强度分析

制备尺寸为Φ 61.8 mm×20 mm的普通小型直剪试样，控制干密度为 1.57 g/cm3，含水率为25.4%，共7组试样，每组试样制备5个。试样饱和按《土工试验规程》[4]SL237-1999的进行抽真空饱和，其中1组进行残余强度的研究，将试样放入饱和器进行抽气饱和，然后将饱和试样装入剪切容器，剪切速率为0.8 mm/min，待剪切完成后，启动反向开关，以0.2 mm/min的反推速率将剪切盒退回原位，然后开始第2次剪切，重复这个过程直至最后2次剪切时测力计读数接近为止，本试验5个试样均进行了5次剪切。其它6组进行干湿循环对强度指标影响的研究，由在20℃的恒温烘箱烘烤12 h后抽真空饱和(饱和度达95%以上)为一次循环。试验结果如图3、图4所示。

图3 试样强度指标与反复剪切次数的变化关系

图4 试样强度指标与干湿循环次数的变化关系

通过图3可见试样的残余强度指标随着反复剪切次数的增加而减小，尤其是在第一次破坏后，强度指标减少量最大，而后减少量逐渐减小，最后趋于稳定[8]。通过图4可见试样的裂隙强度指标随着反复剪切次数的增加而减小，对粘聚力的影响相对较大，而内摩擦角变化不大。取第5次反复剪切、干湿循环的强度指标分别为残余强度及裂隙充分饱和强度，结果见表3。

表3 膨胀岩残余强度、裂隙强度指标汇总表

在进行膨胀土边坡稳定性分析时，有学者指出，应采用膨胀土的残余强度[9]。残余强度是土体在破坏之后的强度，而裂隙发展后的强度是由于裂隙引起的，二者在概念上是不同的。在进行膨胀土边坡稳定性分析时，土体并未发生破坏，对整个边坡土体采用残余强度从机制上是难以解释的；而根据膨胀土存在裂隙的实际情况，因而采用裂隙充分发展的饱和强度是更合理的[10]。通过表3可以看出，残余强度与裂隙充分饱和强度相差不大。裂隙开展的强度也可看作是土体在受到一定破坏后强度的下降，残余强度与裂隙开展的强度在这一点上具有共性，这也是残余强度在数值上接近于裂隙充分发展的强度的原因。