强膨胀土（岩）反复胀缩条件下的抗剪强度研究

赵鑫;阳云华;朱瑛洁

【摘 要】In order to explore the regularity of shrink-expansion effect of expansive soil (rock) under the dry-wet circulation condition, the cyclic shrink-expansion tests were conducted in the Taocha -Shahe section of Middle Route Project of South-to-North Water Diversion and the reaction of shear strength of soil with different ages and lithologies under cyclic shrink-expan-sion were studied. One unshrinking-unloading expansion test and four shrinking-saturating expansion tests were done for un-disturbed samples collected at two typical sections. It can be concluded that the c and φ values of strong expansive soil (rock) fall sharply and obviously at the initial stage of shrinking-saturating tests, but tends to be stable at later period under cyclic shrink-expansion. Meanwhile, the shear strength attenuation of strong expansion rock is smaller than that of strong expansive soil.%为了探讨所研究的膨胀土(岩)在干湿循环条件下胀缩效应的规律性，以及不同时代、不同岩性的土体抗剪强度在反复胀缩条件下的变化，在南水北调中线一期工程陶岔-沙河南段进行了反复胀缩试验。分别选取膨胀土(岩)各两个典型段的原状样进行了1次不干缩-无荷膨胀试验和4次干缩-饱水膨胀试验。通过统计分析得出：在反复胀缩条件下，强膨胀土(岩)的c值与φ值均是在最初干缩-饱水膨胀初期出现明显的陡降段，但至后期趋于稳定；强膨胀岩抗剪强度的衰减程度要比强膨胀土的小一些。 【期刊名称】《人民长江》

【年(卷),期】2014(000)006 【总页数】4页(P63-66)

【关键词】强膨胀土(岩);抗剪强度;反复胀缩;南水北调中线一期工程 【作 者】赵鑫;阳云华;朱瑛洁

【作者单位】长江岩土工程总公司 武汉，湖北 武汉430010;长江岩土工程总公司 武汉，湖北 武汉430010;长江岩土工程总公司 武汉，湖北 武汉430010 【正文语种】中 文 【中图分类】TV67

南水北调中线一期工程渠道沿线存在多种复杂的工程地质问题，其中膨胀土（岩）质边坡稳定就是中线工程需要解决的关键工程地质问题之一［1］。膨胀土（岩）中富含以蒙脱石为主的亲水矿物，隐蔽裂隙发育，裂隙面光滑；具有吸水量大，吸水时出现较大的体积扩胀和较高的膨胀力，而失水时土体又产生收缩变形的特点。反复胀缩的结果会使土体结构发生破坏，力学强度随之降低。当土体含水量发生变化时，由于胀缩变形受到渠道衬砌的约束而产生膨胀力，可能造成渠道衬砌破坏，引起渠道漏水，并进一步导致渠坡稳定状态的恶化［2］。如果对膨胀土危害性认识不够或者处理措施不当，就会影响工程正常运行并造成重大经济损失。为了研究反复胀缩条件下强膨胀土（岩）的抗剪强度变化规律，通过对沿线开挖情况的调查，最后选定以TS13段、TS95段作为强膨胀土典型试验段，以TS106段、TS216段作为强膨胀岩典型试验段。 1.1 强膨胀土段

TS13试验段为岗状丘陵地貌，该段试验地层时代属第四系下更新统洪积层

（p1Q1）粉质黏土，多为砖红色杂灰绿色，稍湿，硬塑-坚硬状，含钙质结核，粒径多为0.5～2.0 cm，土体内裂隙极其发育，尤以中小裂隙密集发育，呈网纹状分布，裂隙面具蜡状光泽。经取样并进行矿物成分分析，黏土矿物以蒙脱石、伊利石为主，平均自由膨胀率δef为104％，属强膨胀土段。

TS95试验段为垄岗地貌，该段试验地层时代属第四系中更新统冲洪积层（al-plQ2）粉质黏土，浅黄-浅棕黄色，湿，呈硬塑状，土体几乎被沿裂隙面充填的浅灰绿色黏土薄膜全部包裹，薄膜厚度多在2～8 mm之间，土体结构紧密，小裂隙极发育，网状分布，裂面光滑，多起伏，具有明显的蜡状光泽，据现场取样调查，平均自由膨胀率δef为120％，属强膨胀土段［3］。 现场采取的TS13段、TS95段强膨胀土原状样见图1。 1.2 强膨胀岩段

TS106试验段系垄岗地貌，该试验段地层为上第三系（N）黏土岩，浅棕黄夹灰绿色，湿，硬塑-坚硬，结构致密，裂隙极发育，裂面光滑，多附有灰绿色黏土薄膜，平均厚度2～3 mm，据现场取样调查，平均自由膨胀率δef为94％，属强膨胀岩段。

TS216段属伏牛山脉东麓山前岗丘，该试验地层为上第三系（N）黏土岩，灰绿色夹少量棕黄色，湿，呈硬塑状，结构紧密，一般含少量砂或细砾，含量约10％～15％，厚度较大，分布较连续，岩体内大裂隙及长大裂隙发育，短小裂隙极发育，裂面均光滑起伏，具蜡状光泽，通过在试验地点取样并进行自由膨胀率试验，自由膨胀率δef为96％，属强膨胀岩段［4］。

现场采取的TS106段、TS216段强膨胀岩原状样见图2。 2.1 试验方法

对原状试样采用真空抽气法进行饱和处理，使用重叠式饱和器以保持饱和过程中环刀样体积不变，抽气时间控制为2 h，试样浸泡时间为24 h。每9个样为1组，

共计5组。对饱和样采用低温（50℃）烘干法模拟膨胀土土体脱湿过程，烘干时间约20 h，烘干含水率以缩限含水率（约10％）为控制点。烘干完成后，将土样装进饱和器重新进行抽气饱和，抽气时间及浸泡时间均控制为2 h和24 h，完成饱和过程后，重新进行脱湿，如此对1，2，3，4，5组样分别干湿循环0，1，2，3，4次，以模拟反复干湿循环过程。对制备的5组试样分别在不同的干湿循环次数（0，1，2，3，4次循环）后施加25，50，75，100 kPa垂直压力进行剪切，每种状态下各做2组直接快剪试验，同时测定含水率，根据库仑定律τ=c+σtanφ，对试验数据进行线性回归处理，得到土样的凝聚力cq和内摩擦角φq［5-6］。 2.2 强膨胀土抗剪强度

为研究强膨胀土膨胀特性，分别选取TS13、TS95两典型段进行反复胀缩条件下的抗剪强度试验，试验土样全部采用的是原状样。将TS13段强膨胀土的抗剪强度试验数据进行整理，可以得出胀缩条件下抗剪强度衰减情况统计表（见表1）及每次胀缩下抗剪强度变化趋势线，如图3所示。

将TS95段强膨胀土的抗剪强度试验数据进行整理，同样可以得出胀缩条件下抗剪强度衰减情况统计表（见表2）及每次胀缩下抗剪强度变化趋势线，如图4所示。 通过表1，2及抗剪强度变化趋势线可以看出，无论是在TS13段还是在TS95段，第一、二次干缩-饱水膨胀下的抗剪强度衰减非常明显，这主要是由于强膨胀土在饱水后土体的结构性能受到破坏，颗粒间的胶结力减弱，结构力逐渐消失，从而导致抗剪强度减小，这种干缩-饱水过程在开始阶段对土体的影响变化最大，以致土体的抗剪强度急剧减弱，但当土体继续干缩-饱水膨胀时，由于前两次的胀缩过程使土体结构力已经接近于消失，所以在后期的反复胀缩过程中土体的抗剪强度变化趋势也就接近于稳定。 2.3 强膨胀岩抗剪强度

强膨胀岩膨胀特性试验分别选择在TS106、TS216段进行，且全部采用的是原状

样。将TS106段强膨胀岩的抗剪强度试验数据进行整理，可以得出胀缩条件下抗剪强度衰减情况统计表（见表3）及每次胀缩下抗剪强度变化趋势线，如图5所示。 同样，将TS216段强膨胀岩的抗剪强度试验数据进行整理，可以得出胀缩条件下抗剪强度衰减情况统计表（见表4）及每次胀缩下抗剪强度变化趋势线，如图6所示。

通过对比分析以上统计表及抗剪强度变化趋势线不难看出，在所有的强膨胀岩试验段包括TS106段、TS216段，同强膨胀土相类似，在第一、二次干缩-饱水膨胀下的抗剪强度衰减非常明显，c、φ值曲线均出现陡降段，表明强膨胀岩在饱水后土体的结构性能受到破坏，土体颗粒间的胶结力减弱，结构力逐渐消失，导致抗剪强度减小，这种干缩-饱水过程在开始阶段对土体的影响变化最大，以致土体的抗剪强度急剧减弱，但当土体继续进行干缩-饱水膨胀时，由于前两次的胀缩过程使土体的结构力已经接近于消失，因此在后期的反复胀缩过程中土体的抗剪强度变化趋势就接近于稳定。

2.4 强膨胀土（岩）抗剪强度对比分析

强膨胀土与强膨胀岩在反复胀缩下的抗剪强度试验中，在变化特性上没有太大区别，均是在最初干缩-饱水膨胀初期，c值出现明显的陡降段，但随着胀缩次数的增加，c值变化趋于稳定，强膨胀岩衰减到最初的31％～48％，强膨胀土衰减到最初的23％～34％；φ值同c值变化情形类似，均是干缩-饱水膨胀初期，出现明显的陡降段，随着胀缩次数的增加，φ值变化趋于稳定，强膨胀岩衰减到最初的39％～46％，强膨胀土衰减到最初的31％～38％。通过以上统计分析可以得出：无论是对于c值还是φ值，强膨胀岩均比强膨胀土的衰减程度要小一些，这种情况表明因强膨胀岩沉积年代更加久远，固结程度更高，土体内部颗粒之间的胶结比强膨胀土更加稳固，在反复胀缩条件下，当土体的结构力遭到破坏时，其内部结构更加稳固一些。

（1）强膨胀土（岩）具有强烈的水理特性，随着吸水、失水的反复作用，其抗剪强度随着胀缩次数的增加会发生明显的衰减。

（2）反复胀缩条件下的抗剪强度试验中，强膨胀土与强膨胀岩均表现为在最初干缩-饱水膨胀初期，c值与φ值出现明显的陡降段，但是随着胀缩次数的增加，c值与φ值变化趋于稳定。

（3）强膨胀岩抗剪强度的衰减程度要比强膨胀土小一些。

【相关文献】

［1］长江勘测规划设计有限公司.膨胀土（岩体）基本特性研究报告［R］.武汉：长江勘测规划设计研究有限公司，2010.

［2］刘特洪.工程建设中的膨胀土问题［M］.北京：中国建筑工业出版社，1997. ［3］NSBD-ZXJ-2-01南水北调中线一期工程总干渠渠道膨胀土处理施工技术要求［S］. ［4］陈全礼，张志敏，周亮.南水北调中线河南渠段上第三系软岩工程特性浅析［J］.土工基础，2004，10（5）：73-75.

［5］JTJ 051-93公路土工试验规程［S］.

［6］杨和平，肖夺.干湿循环效应对膨胀土抗剪强度的影响［J］.长沙理工大学学报，2005，（2）：1-6.