合肥地區膨脹土應力應變曲線特征及其含水率影響分析

蔣曉慶

安徽廣播電視大學開放教育學院,安徽合肥,230022

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合肥地區膨脹土應力應變曲線特征及其含水率影響分析

蔣曉慶

安徽廣播電視大學開放教育學院,安徽合肥,230022

通過單軸壓縮試驗，研究膨脹土應力—應變關系曲線特征、膨脹土的殘余強度以及含水率與單軸抗剪強度的變化關系。試驗結果表明，膨脹土應力—應變關系分為上升段和下降段，隨著應變的增加，應力先逐漸增加，達到應力峰值之后，隨著應變的增加，應力緩慢下降，發生應變軟化現象。隨著含水率的增加，膨脹土的抗剪強度降低；同時膨脹土存在殘余強度，對于合肥地區的膨脹土，峰值強度與殘余強度的差值不大，表明該地區膨脹土的脹縮性不大。

膨脹土；抗剪強度；應力—應變；含水率

1 問題的提出

膨脹土是自然地質過程中形成的一種多裂隙并具有顯著脹縮性的土體，對各類淺表層輕型工程建設具有特殊的危害作用[1]。合肥地區廣泛分布著中-弱強度膨脹土[2-3]，其危害不容忽視。例如，合肥地區的建筑物多發變形開裂，裂縫一般集中發生在外墻轉角處，外墻兩角下沉而出現上寬下窄倒“八字形”斜裂縫，傾角約45°。建筑物的地基承載力、擋土墻側土壓力、土坡穩定等問題，不僅與土的抗剪強度有關[4-6]，而且與膨脹土的殘余強度也有關系。膨脹土的殘余強度是指土樣發生破壞之后，應力保持在一穩定值，此值稱為殘余強度。黃志芳通過常規三軸試驗，研究超固結土的殘余強度與土的顆粒形狀、大小、礦物組成成分有關[7]。左蔚然等通過反復直剪試驗，也得出膨脹土殘余強度僅與粘土性質有關[8]。本文采用單軸壓縮儀對原狀膨脹土的抗剪強度進行室內試驗，以膨脹土作為典型非飽和粘土，研究其應力-應變曲線的變化特性；同時探討膨脹土的殘余強度以及單軸抗剪強度與含水率關系。

2 試驗過程

試驗膨脹土土樣取自大蜀山附近，共鉆孔4個，取土樣10個。采用長沙100型鉆機取原狀土，土樣呈棕灰黃，含鐵錳結核，深度控制在2.5～4.3 m。單軸壓縮試驗采用WDT-100微機控制試驗機，試驗裝置最大加載能力100 KN，精度1%;采用應變速率控制加載方式，每組試樣規格：D=50 mm，H=100 mm。由數據采集儀自動記錄荷載和位移信息，最大徑向變形超過20%時，單軸壓縮儀會自動上升，同時停止工作。最后由計算機計算出相應的應力和應變，并繪出應力-應變關系曲線(圖1和圖2)。

3 結果分析

根據應力和應變關系曲線，作如下分析：

(1)圖1和圖2顯示，膨脹土土樣應力-應變曲線分為上升段和下降段。

圖1 膨脹土不同含水率下應力-應變關系曲線

圖2 膨脹土不同含水率下應力-應變關系曲線

(2)圖1和圖2顯示的應力-應變曲線分為三個階段。第一階段：當應力較小時(σ≤40 KPa)，應力-應變關系接近直線，彈性模量大小主要集中在25～100 MPa。該階段膨脹土的變形主要取決于粘土顆粒的彈性變形，土顆粒內部的微裂縫沒有發展。第二階段：隨著應力的增加，應變的增幅越來越大，應力-應變關系成曲線，斜率逐漸減小。膨脹土表面出現裂縫，直至加載到抗壓強度峰值，膨脹土土樣發生破壞。第三階段：應力超過峰值點以后，應力隨應變的增加而下降，即應力-應變曲線形狀為應變軟化。這種軟化現象是由于非飽和膨脹土基質吸力的存在，使得膨脹土土體的結構力增加，間接反映于土體的強度增加。在外力作用下，土體發生破壞，導致這種結構力損失，土體強度下降。圖1和圖2同時顯示應力隨應變的增加而緩慢下降，因此又屬于弱應變軟化。

(2)土樣破壞之后，存在殘余強度。膨脹土的殘余強度與它的結構和應力歷史沒有直接聯系，而與它的物質組成和粒度成分相關。表1顯示，試驗地區膨脹土的殘余強度明顯低于峰值強度。兩者差值越大，說明脹縮性越強。表1顯示，合肥地區膨脹土的峰值強度與殘余強度差值不大，下降比例最大為34.6%，可以看出該地區的膨脹土脹縮性能不高。

(3)表1還顯示，隨著含水率的升高，單軸抗壓破壞強度降低。一方面因為膨脹土脹縮特性，含水率越高，膨脹土越軟，強度越低；另一方面結合土水特征曲線特性，隨著含水率的升高，基質吸力降低，膨脹土抗剪強度降低。

表1 膨脹土土樣力學特征數據

4 結束語

根據上述試驗和理論分析，得出如下結論：

(1)膨脹土處于小應力作用下(σ≤40 KPa)，不同含水率的應力-應變均是線性關系。隨著應力增加，斜率逐漸降低，應變不斷增加。膨脹土發生破壞后，土體發生弱應變軟化現象。

(2)隨著含水率的升高，膨脹土抗剪強度降低。土樣破壞之后存在殘余強度，殘余強度是土體抗剪強度逐漸衰減變化過程而發生的，是膨脹土邊坡破壞演變的過程反映；同時殘余強度的存在也說明破壞后的膨脹土也有一定的抗剪能力。因此，膨脹土的殘余強度對于膨脹土邊坡長期穩定性分析有重要意義。

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(責任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2015.04.031

2014-11-30

安徽廣播電視大學青年項目“合肥地區典型非飽和重塑膨脹土非線性流變特性試驗研究”(qn13-20)；安徽省教育廳自然科學研究一般項目“樁-錨深基坑支護結構在合肥典型非飽和膨脹土地區的應用研究”(KJ2013B092)。

蔣曉慶(1985-)，女，安徽亳州人，碩士，助教，主要研究方向：非飽和膨脹土性質。

TU411

A

1673-2006(2015)04-0109-02