南水北调中线膨胀岩非饱和剪切特性

胡 波，龚壁卫，童 军

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

岩土材料的强度与参数取值问题是南水北调中线工程膨胀岩土渠段设计和科研所重点关注的问题。本文针对新乡黏土岩进行了控制吸力条件的直剪试验，并采用双应力变量公式得到膨胀岩的强度参数，通过试验，进一步分析了膨胀岩结构性对于膨胀岩剪切变形特性的影响。

1 试验土样与方法

1．1 试验土样

试验所用膨胀岩试样取自南水北调中线工程河南新乡潞王坟膨胀岩试验段。试样为300 mm×300 mm×300 mm的原状红褐色黏土岩方块样，取样深度2．0 m，土样的天然含水量为23．9% ～24．5%，干密度为1．70～1．90 g／cm3。土样用塑料膜包好后蜡封。颗分试验表明土样的砂粒含量为9．8%，粉粒含量为26．1%，黏粒（小于0．005 mm）含量为64．1%。根据《土工试验规程》（SL237－1999）分类，为高液限黏土（CH），其自由膨胀率为61%，属于弱膨胀性岩。

图1 GDS非饱和土直剪系统［1］Fig．1 GDS unsaturated shear test system［1］

1．2 试验仪器

本次直剪试验采用英国GDS公司生产的非饱和土直剪系统。该设备是一套在计算机控制下进行标准直剪和高级非饱和直剪的试验系统。其结构示意图及照片如图1所示。该系统与其它常规及非饱和直剪系统相比，主要具有如下的特点：采用轴平移技术来控制和测量土样中的吸力；内置剪切力和法向水下荷载传感器；对剪切力／位移进行闭环控制；在不卸载的情况下可从压力室外部手工调整剪切缝；采用刚性铝压力室以减少系统柔度；亦可进行低频反复剪试验。闭环控制反馈系统同每个独立的驱动器控制单元集成后利用控制模块来进行控制。

该系统主要由气压室、剪切盒、加载设备、控制设备、测量设备和数据采集系统6部分组成。气压室为一可维持恒定气压的刚性密封铝压力室。剪切盒内试样长宽高分别为75 mm×75 mm×30 mm，将高进气值陶土板用环氧树脂密封到剪切盒底座上。陶土板下刻有螺旋型凹槽，可作为充水分隔室和用来冲洗可能由于孔隙空气通过陶瓷板扩散而聚集的气泡而提高量测精度。剪切盒置于密闭的气压室内，水平荷载传感器与固定的上剪切盒相连。试验时，通过推动与自由滑动底座相连的下盒进行剪切试验。预期的基质吸力通过保持气压室内的恒定气压和陶瓷板下面水室的恒定水压来施加到土试样上。加载设备主要包括施加轴压、孔隙水压和孔隙气压的设备，分别利用砝码－杠杠、GDS反压／体积控制器，空压机来施加。控制设备主要包括反压控制设备和气压控制设备以及剪切加载方式的控制。反压、气压分别通过GDS反压／体积控制器和GDS单通道气压控制器来控制，不同应力、应变加载方式（可实现恒定、匀速或三角波加载）通过GDSLAB直剪试验高级控制模块来控制。量测系统通过内置的水下荷载传感器直接测量剪切力和轴力，并通过剪切控制轴上的步进马达计算水平位移，利用孔隙水（气）压传感器来量测土体内反压及气压，并与加压系统一同构成一个闭环控制反馈系统。上述所有量测设备均通过与GDS8通道数据采集板和RS232数据转化器相连接采集，并利用GDSLAB软件系统来实现数据的实时显示和自动记录。该系统中各主要仪器的量程及精度见表1示。

表1 仪器的量程和精度［1］Table 1 Themeasurement range and accuracy of the apparatus［1］

1．3 试验方法

首先对直剪仪底座上的陶土板进行饱和，接着将管路中的气体排尽。将试样装入剪切盒后，施加给定的吸力开始水气平衡；待水气平衡完成后，对试样施加竖向荷载开始固结；固结完成后，开展等应变剪切。以上所有试验参数的设置和控制均可利用GDSLAB软件来完成。

非饱和土直剪试验包括吸力平衡、等吸力固结和等吸力剪切3个阶段。试样安装好后，通过控制孔隙气压和孔隙水压来改变试样的吸力状态，并使吸力在整个试样中均匀分布，这就是吸力平衡阶段。当吸力达到平衡后，保持吸力不变，通过手工悬挂重物杠杆加载至设定值进行固结，试样在等吸力条件下固结，固结时间一般取24 h。最后，在吸力不变的条件下进行剪切试验，本次试验所用剪切速率取0．002 mm／min，最大剪切位移取8 mm。

在净法向应力为定值的条件下，控制基质吸力进行非饱和直剪试验，具体试验方案如表2所示。试验中各个阶段的持续时间与吸力大小有关。

表2 非饱和直剪试验方案Table 2 The scheme of the unsaturated direct shear test

2 成果分析

2．1 非饱和泥灰岩的剪切特性

图2所示分别为净法向压力为50，100，200 kPa条件下不同吸力黏土岩试样的非饱和试验成果。图2（a）为黏土岩原状样的剪应力与剪切位移的关系曲线，可见，相同竖向荷载下，抗剪强度随基质吸力的增加而增大；相同吸力下，抗剪强度随着竖向荷载增加而增加。除试样R－V100S50外，所有试样基本上是脆性破坏并呈剪切硬化，且强度峰值不明显。由于原状黏土岩存在原生裂隙及软弱结构面，原状样破坏的剪切面并不水平，其中间呈凸起或者凹陷状（如图3所示），剪切过程中试样的剪应力会出现较大的波动（R－V200S200试样）。

图2（b）为黏土岩原状样剪切过程中竖向位移与剪切位移的关系曲线，可见各土样在剪切过程中均发生了剪胀。有的试样呈现先剪胀后剪缩，这与前人对膨胀土得出的“先剪缩后剪胀”的规律是不一致的［2，3］。这可能也与黏土岩本身的结构性有关。可见对于原状黏土岩而言，原生裂隙和软弱结构面是决定其剪切特性的主要因素。由于原状泥灰岩的裂隙及铁锰结核分布不均匀，很难保证用于一组试验的3个试样的结构性相同，这可能是导致图2（b）中个别曲线出现异常的原因。

图2 黏土岩试样的剪切试验结果Fig．2 Test results of the clay rock samples

图3 黏土岩的典型剪切破坏面Fig．3 The typical shear failure surface of the clay rock

2．2 黏土岩的非饱和强度参数

Fredlund和 Morgenstern［4］通过采用净法向应力和基质吸力这两个独立的应力状态变量来定义非饱和土抗剪强度，而每个应力状态变量对抗剪强度存在不同的贡献。Fredlund抗剪强度公式的形式具体表达如下：

根据上述理论，整理出黏土岩试验成果。图4为不同净法向应力条件下剪应力与基质吸力的关系曲线。由图4可以看出，在相同的净法向应力条件下，抗剪强度随着基质吸力的增加而增大。通过计算可以得出，在50，100，200 kPa的净法向应力条件下，φb分别为3．8°，6．6°，17．8°。黏土岩的 φb随着竖向荷载的增大而增大。

图4 不同净法向应力条件下剪应力与基质吸力的关系曲线Fig．4 The curves between of the shear stress and thematric suction under different net normal stresses

3 结 论

（1）在不同的基质吸力和竖向荷载下，原状黏土岩试样在剪切过程中表现出明显的强度硬化和剪胀特性。原状膨胀岩在剪切过程中呈脆性破坏形式。

（2）膨胀岩剪切过程中存在着明显的剪胀现象，由于原生裂隙、软弱面和铁锰结核分布不均匀的影响，膨胀岩的剪胀性随基质吸力增加的规律性不明显。

［1］ 童 军，龚壁卫，周武华，等．GDS非饱和土直剪仪的应用研究［C］∥第25届全国土工测试学术研讨会论文集，杭州：浙江大学出版社，2008：156－160．

［2］ 詹良通，吴宏伟．吸力对非饱和膨胀土抗剪强度及剪胀特性的影响［J］．岩土工程学报，2007，29（1）：82－87．

［3］ 卢在华，陈正汉，曹继东．原状膨胀土的强度变形特性及其本构模型研究［J］．岩土力学，2001，22（3）：339－342．

［4］ FREDLUND D G，RAHARDJO H．非饱和土土力学［M］．陈仲颐，译．北京：中国建筑工业出版社，1997．

（编辑：王 慰）