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膨胀土的强度与含水量的关系

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膨胀土的强度与含水量的关系 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 20 卷 第 2 期 1999 年 6 月 岩  土  力  学 Rock and So ilM echan ics V o l. 20 N o. 2 Jun. 1999 膨胀土的强度与含水量的关系3 缪林昌 仲晓晨 殷宗泽 (河海大学岩土工程研究所, 南京 210098) 摘 要  膨胀土的强度...
膨胀土的强度与含水量的关系
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 20 卷 第 2 期 1999 年 6 月 岩  土  力  学 Rock and So ilM echan ics V o l. 20 N o. 2 Jun. 1999 膨胀土的强度与含水量的关系3 缪林昌 仲晓晨 殷宗泽 (河海大学岩土工程研究所, 南京 210098) 摘 要  膨胀土的强度与含水量密切相关。针对这问进行了相应的试验研究。结果明, 膨胀 土的含水量对其峰值强度、稳态强度都有着强烈影响, 这对工程设计和工程安全检测非常重要。 关键词  膨胀土 ; 剪切强度 ; 含水量 ; 稳态强度 分类号  TU 432 1 引  言 工程实践证实, 膨胀土的强度较一般粘性 土更为复杂。然而, 在国内外膨胀土的研究中, 过去过多地偏重于膨胀与收缩——即变形性 质的研究。非饱和膨胀土的抗剪强度既有一般 粘土的共性, 又有别于一般粘土的特性, 表现 出一种典型的强度变化特性。这种强度变化与 其结构、吸力等因素的变化密切相关, 当然还 与膨胀土所处的状态、外部压力及环境有关。 如何去认识和研究膨胀土的强度特性, 这是工 程界所关心的。现在, 理论界有不少学者正致 力于用非饱和土理论来研究膨胀土的强度特 性, 由于非饱和土本身固有的复杂性, 试验与 测试都很困难, 而且一般工程单位也不具备这 方面的条件。针对这种现状, 我们采用常规方 法进行膨胀土强度特性的研究。研究结果表 明, 膨胀土的峰值强度、稳态强度受膨胀土的 状态影响强烈。另外, 这种试验研究的方法与 设想既容易被岩土工程界接受, 又可推广应用 到有关地区的工程设计中。 2 膨胀土的强度理论 非饱和土的强度不仅与土的结构、应力路 径、密度有关, 还与土的含水量或土的饱和度 有关。非饱和土强度理论以M oh r2Cou lum b 准则为基础, 目前有两类强度公式已被岩土界 广泛认可。一类是B ishop 公式Σf = C′+ [Ρ - ua +ς (ua - uw ) ] tanΥ′ (1) 另一类是 F redlund 的双变量公式[1 ]Σf = C′+ (Ρ - ua) tanΥ′+ (u a - uw ) tanΥb (2) 式中 C′和 Υ′分别为有效粘聚力和有效内 摩擦角; Υ b为强度随吸力变化的内摩擦角。在 实际工程中, 由于受测试手段和技术条件的限 制, 在处理膨胀土的强度问题时常常象对待饱 和土强度一样。可以将式 (1)、式 (2) 改写成类 似于M oh r2Cou lum b 强度公式Σf = C tota l + ΡtanΥtota l (3) 不过C tota l 和Υtota l 不再是常数, 它们包括了膨胀 土的吸力和膨胀土的结构等对强度的贡献, 它 们随含水量的变化而变化。关于非饱和土体中 饱和度 (含水量) 2吸力关系的研究, 早在 60 年 代土壤学专家们就提出土 2水特征曲线来描 述它们之间的关系: 随着饱和度 (或含水量) 的增加, 吸力减小。对于某一土体工程来说, 土 的结构与密度在局部范围内的变化不会太大, 相对而言含水量的变化对强度的影响可能要 到稿日期: 1998207203。  缪林昌, 男, 37 岁, 副教授, 从事 软基处理及非饱和土等方面的研究。3 国家自然科学基金资助项目 (批准号: 59779016)。 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 大于其它因素, 对工程质量的影响也可能更明 显。对此, 本文在室内试验中就含水量 (或饱和 度) 的变化对土体强度的影响进行了研究, 当 然在试验中剪切速率对强度亦有影响, 剪切速 率越大相应的强度值也偏大, 非饱和土剪切试 验的剪切速率通常都比较慢, 以保证孔隙压力 的均等或消散[2 ]。 3 试验方法与设想 多年的现场观测研究发现, 由于含水量的 变化造成膨胀土的胀缩, 导致强度变化而引起 破坏。经过仔细地分析研究这种特征, 同时又 考虑试验结果要能被广大的工程技术人员所 接受和利用。为此设想用常规的等速不排水直 剪试验进行有关膨胀土的强度特性方面的研 究。 在膨胀土地区, 大多以膨胀土作为工程的 基础或基础, 由于气候的变化 (如下雨 等) , 引起膨胀土的含水量变化必然导致其强 度的变化。为此做了三组膨胀土的直剪试验, 试验制备了干密度为 1. 45 göcm 3, 含水量w 0 = 24. 3% 的重塑土土样 12 个, 每 4 个一组。第 一组土样不浸水, 第二组土样浸水 24 h, 第三 组土样浸水72 h, 分别进行等速不排水慢直剪 试验, 剪切速率为 0. 024 mm öm in。浸水的土 样保持其土样的体积不变, 这样做的目的是研 究膨胀土含水量的变化对强度的影响。试验结 果比较令人满意, 可以很直观的反映膨胀土的 强度变化特性。 4 试验数据分析 直剪试验每组有 4 个样, 分别施加 100, 200, 300, 400 kPa 的法向应力。图 1 (a)为没 有浸水的一组膨胀土样慢剪结果。图 1 (b) 为 其峰值强度曲线。图 2 (a)为浸水 24 h 土样慢 剪结果, 图 2 (b)为其相应强度曲线。图 3 (a) (a) 剪应力与剪位移的关系 (a) the shear p ressu re2disp lacem ent (b) 剪切强度曲线 (b) shear strength curve 图 1 没有浸水土样慢剪的结果 F ig. 1 T he resu lts of slow shear test of so il samp les, no t soaked 为浸水 72 h 的土样慢剪结果, 图 3 (b) 为其相 应强度曲线。 4. 1 膨胀土强度与其状态的关系 试验用的膨胀土是宁夏膨胀土, 其自由膨 胀率为 56% , 膨胀土的矿物成分主要由蒙脱 石、凹凸棒石、水云母、高岭石组成。土样为击 实土样, 土样直径为 6. 18 cm , 高为 2 cm。在试 验的过程中, 分别测得未浸水、浸水 24 h 和浸 水 72 h 的膨胀土样的平均含水量分别为 24. 3% , 29. 2% , 31. 6%。对这三组土样的直剪 试验结果进行回归分析得到三组强度曲线方 程分别为: 27 岩  土  力  学              1999 年 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net (a) 剪应力与剪位移的关系 (a) the shear p ressu re2disp lacem ent (a) 剪应力与剪位移的关系(a) the shear p ressu re2disp lacem ent (b) 剪切强度曲线 (b) shear strength curve (b) 剪切强度曲线 (b) shear strength curve 图 2 浸水 24 h 土样慢剪的结果 F ig. 2 T he resu lts of slow shear test of so il samp les, soaked fo r 24 h 图 3 浸水 72 h 土样慢剪的结果 F ig. 3 T he resu lts of slow shear test of so il samp les, soaked fo r 72 hΣf 0 = 218. 2 + Ρn tan29. 7° (4)Σf 1 = 76. 4 + Ρn tan17. 5° (5)Σf 3 = 25. 2 + Ρn tan15. 4° (6)   由于土样浸水前没有抽气 (因为实际工程 也不可能进行抽气) , 土样直接放入水中, 土样 浸水时土样孔隙中必然含有空气, 因此 Σf 0 ,Σf 1 , Σf 3 必然包含有吸力的贡献。随着含水量的 增加, 吸力减小, 强度明显降低。由方程 (4) , (5) , (6) 知, 未浸水土样的强度参数 C 0 = 218. 2 kPa, Υ0 = 29. 7°; 浸水 24 h 的土样强度 参数C 1 = 76. 4 kPa, Υ1 = 17. 5°; 浸水 72 h 的 土样强度参数C 3 = 25. 2 kPa, Υ3 = 15. 4°。土 样浸水 24 h 含水量增加了 20% , 而粘聚力下降 65% , 摩擦角下降 41% ; 土样浸水 72 h 含水量增加 30% , 而粘聚力下降 88% , 摩擦角下降 48%。可见含水量的增加对粘聚力的影响比对摩擦角的影响要大得多。通过线性回归分析得到 lgC 和 lgΥ与含水量的关系方程分别为: lgC = a1 - b1w (7)lgΥ= a2 - b2w (8)  宁夏膨胀土 a1 = 5. 37, b1 = 0. 123, a 2 =2. 44, b2 = 0. 44, 图 4 (a) , (b)分别为方程 (7)、(8) 拟合曲线。不同地区的膨胀土常数 a1, b1, 37第 2 期         缪林昌等: 膨胀土的强度与含水量的关系 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net (a) 粘聚力与含水量的关系 (a) cohesion versus w ater con ten t (b) 摩擦角与含水量的关系 (b) friction angle versus w ater con ten t 图 4 膨胀土强度与含水量变化曲线 F ig. 4 R elation of the expansive so il strength w ith the varia t ion of the w ater con ten t a2, b2 不一样。将式 (7) , (8) 代入式 (3) 可得到 强度随含水量变化的关系式:Σ= C + ΡtanΥ= A 110B 1w +Ρtan (A 210B 2w ) (9) 式中A 1,B 1,A 2 和B 2 为常数。利用式 (9) 分析 某特定地区膨胀土的强度与含水量w 的关 系, 对工程设计、工程安全监测, 尤其对膨胀土 的渠坡安全的早期预测研究有实际意义。当然 在实际应用中可用饱和度这一状态量代替含 水量, 因为 S re = w G s (G s 为比重)。 4. 2 峰值强度、残余强度和稳态强度 图 1 (a) 是未浸水的膨胀土样的剪切应力 与剪切位移关系曲线, 从这组曲线可以看出它 们是剪切“软化”型的。开始时, 随剪切位移的 增大剪切应力也增大, 并达到某一最大值, 这 个最大值称之为峰值强度。等到剪切应力增大 到峰值之后, 剪切应力随剪切位移的继续增大 而迅速减小, 土样将剪破, 最后趋向一稳定值, 这个稳定值称为残余强度。膨胀土的峰值强度 很大, 所以天然状态下的膨胀土抗剪强度很 高。 图 2 (a)和图 3 (a)是浸水后的膨胀土样剪 切结果, 明显不同于图 1 ( a ) 的结果。从 图 2 (a) , 图 3 (a) 看到浸水后的膨胀土样剪切 到一定程度后其剪切强度趋于稳定, 即剪切强 度基本上保持不变, 且这种强度值与状态参数 含水量有关。将这一稳定值定义为膨胀土的稳 态强度, 这是膨胀土特有的性质。在工程实践 中, 膨胀土的这种稳态强度直接与相应工程的 安全稳定有关, 在相应的工程设计和施工中应 充分考虑这一参数的影响, 对相关工程可定期 监测膨胀土的状态 (含水量)变化, 并采取必要 的防水保湿处理措施, 可保证工程不受破坏, 确保工程安全运转。 应力2应变曲线出现上述现象的原因可以 这样理解, 非饱和土体由于吸力的存在使土体 稳定的结构力增大, 这种结构力在抵抗外力作 用时表现为土体的强度增加, 外力作用使土体 产生破坏时这种结构力必然损失, 强度明显下 降, 即出现“软化”现象。非饱和土体吸水后吸 力下降, 结构力相应减小, 土体在外力作用下 出现破坏, 相应的强度下降没有高吸力情况时 明显, 因此剪切就可能看不到明显的“软化”。 5 结  论 本文的研究目的是尽可能地接近有关工 程实际状态, 采用常规直剪试验的方法, 以期 在实际中得到应用和推广。从研究中可以得到 以下有意义的结论: (1) 膨胀土的强度与含水量密切相关, 随 47 岩  土  力  学              1999 年 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 含水量增加, 强度明显降低, 粘聚力下降比摩 擦角下降更明显。 (2) 浸水后的膨胀土具有一个稳态强度, 其稳态强度值对不同地区的膨胀土及不同含 水量亦不尽相同。这种稳态强度对研究有关的 工程安全稳定非常有用。因此, 对于膨胀土的 边坡或有关工程, 应切实采取必要的防水保湿 措施。 本文的研究结果反映了膨胀土强度变化 的一个重要侧面, 有关膨胀土强度的全面研究 还有待深入。 参 考 文 献 1 F redlund D G, M o rgenstern N and W idger R S. T he shear strength of unsatu rated so ils. Can. Geo tech. J. , 1978, 15 (3) : 313~ 321 2 F redlund D G & R ahardjo H. So il m echan ics fo r unsatu rated so ils. John W iley & Sons, N ew Yo rk, 1993, 254~ 289 The Rela tion sh ip Between Strength and W ater Con ten t of Expan sive So il M iao L inchang Z hong X iaochen Y in Z onz e (H ehai U niversity, N an jing 210098) Abstract  T he strength of expansive so il is clo sely rela ted to its w ater con ten t. T he strength p rob lem of the expansive so il is studied by the test in the paper. T he test resu lts show that the peak value strength and stab le sta te strength of the expansive so il are strongly affected by w ater con ten t of the expansive so il. T he resu lts are very impo rtan t fo r the engineering design and safe survey. Key words  expansive so il , shear strength , w ater con ten t , strength of stab le sta te 57第 2 期         缪林昌等: 膨胀土的强度与含水量的关系
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