维普资讯 http://www.cqvip.com 第２５卷 第４期 江 西 科 学 Ｖｏ１．２５ Ｎｏ．４ ２００７年８月 ＪＩＡＮＣＸＩ ＳＣＩＥＮＣＥ Ａｕｇ．２００７ 文章编号：１００１—３６７９（２００７）ｏ４—０４２５—０４ 膨胀土的强度特性探讨 杨 萍，心宏，刘朝亮 （华东交通大学土木建筑学院，江西南昌３３００１３） 摘要：分析膨胀土抗剪强度影响的主要因素、强度理论和强度指标的取值方法，并提出在目前基质吸力测定具 有较高难度的情况下，间接测定基质吸力的方法将具有较高的使用和推广价值。 关键词：膨胀土；强度；强度指标；间接测定法 中图分类号：ＴＵ４１１ 文献标识码：Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｓｈｅａｒ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ Ｅｘｐａｎｓｉｖｅ Ｓｏｉｌｓ ＹＡＮＧ Ｐｉｎｇ，ＤＩＡＯ Ｘｉｎ—ｈｏｎｇ，ＬＩＵ Ｃｈａｏ—ｌｉａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｊａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｇｘｉ Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００１３ ＰＲＣ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｅｆｆｅｃｔ ｆａｃｔｏｒｓ，ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ａｎｄ ｃｏｎｆｉｒｍａｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｎｄｅｘｅｓ￣３ｏｕｔ ｅｘｐｅｎｓｉｖｅ ｓｏｉｌｓ．Ａｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ ｍａｔｉｒｘ ｓｕｃｔｉｏｎ ｉｓ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ，：ｔｈｅ ｉｎｄｉｒｅｃｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｍａｔｒｉｘ ｓｕｃｔｉｏｎ ｈａｖｅ ｈｉｇｈｅｒ ｖａｌｕｅ ｔｏ ｕｓｅ ａｎｄ ｈｉｇｈｅｒ ｖａｌｕｅ ｔｏ ｓｐｒｅａｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｅｘｐａｎｓｉｖｅ ｓｏｉｌ，Ｓｔｒｅｎｇｔｈ，Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｉｎｄｅｘ，Ｉｎｄｉｒｅｃｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ０ 引言 １ 影响膨胀土强度的主要因素 膨胀土主要是由强亲水性粘土矿物蒙脱石和 １．１膨胀土的物质成分对强度的影响 伊利石组成，是一种具有超固结性、多裂隙性、强 粘土矿物成分的类型及含量将明显地影响膨 胀缩性和强度衰减性的高塑性粘性土，具有一般 胀土的抗剪强度特性，影响性表现为蒙脱石最高， 粘性土的共性又具有自身的特殊性。膨胀土分布 伊利石次之，高岭石最低。由于自然界的土体并 广泛，且由于其剧烈的失水收缩、吸水膨胀的不良 非由单一的矿物组成，而是多种矿物的不同复合 工程地质特性，曾造成许多岩：ｈｉ程地质灾害，已 体，因此膨胀土的强度是不同矿物成分及其含量 引起了各国工程技术人员的极大关注。随着我国 的不同组合的综合表现。据对蒙脱石和伊利石， 经济建设的发展，已有且将有大量工程不可避免 或蒙脱石和高岭石的混合土进行研究，得到混合 地修筑在膨胀土区域内，其灾害防治问题日益突 土的凝聚力Ｃ没有明显的规律，但摩擦角 随蒙 出，其本质问题是土体强度变化规律问题。因此 脱石含量的增加而逐渐降低，见图１ Ｊ。对于天 就某个特定地区的膨胀土进行工程特性，尤其是 然土体，强度也与蒙脱石含量有极大关系。 抗剪强度等进行深入的研究，以便取得合理的设 １．２膨胀土的结构对强度的影响 计参数，对发挥工程效益，减少工程破坏有重要意 天然状态膨胀土的抗剪强度特性，在许多方 义。 面都与土的结构和构造有关。无论是收缩裂隙、 收稿日期：２００７—０５—１４；修订日期：２００７—０６一ｌ５ 作者简介：杨萍（１９７６一），女，讲师，在读硕士研究生，从事滑坡及道路路基病害防治方面的研究工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com ・４２６・ 江西科学 ２００７年第２５卷 成分及浓度对膨胀土的抗剪强度的影响也有不可 忽视的影响。这些充分反映了水对膨胀土的强度 软化作用，这也是膨胀土区别于一般粘性土的重 要区别之一。 １．４其它影响因素 土的强度随上覆压力的增大而增大。特定区 域内的土风化影响深度是不同的，可根据当地的 具体气候条件等情况进行确定；填土边坡的风化 影响深度大于挖土边坡。其次，自然环境因素和 图１ 混合样中蒙脱石含量与强度的关系 试验方法等也将影响土体的强度。 还是风化裂隙或卸载裂隙，都破坏了土的均一性、 膨胀土的抗剪强度是多因素综合作用决定 连续性和完整性，易产生应力集中，从而影响膨胀 的。现有的研究表明：膨胀土具有“变动强度”的 土的抗剪强度。膨胀土中的裂隙也不是单一存在 特性；兼而具有峰值强度较高，残余强度较低的性 的，它是多种类型裂隙的共存，分布极不规则。且 质；不同地区膨胀土抗剪强度相差较大；同一地区 裂隙的演化是动态的，长期的，互逆的，在不同的 膨胀土中强度相差也很悬殊；不同时期不同区域 时期表现形式也不同。在膨胀土的裂隙研究中， 内的特定膨胀土，各因素对抗剪强度的影响也是 裂隙的几何形态是关键，包括对裂隙的定向排列 变动的。因此，膨胀土的破坏性质和强度取值都 和不连续性的研究。当裂隙倾斜面与剪应力方向 是相对较复杂的问题。 一致时，膨胀土最易破坏；垂直时，或无明显的张 开裂缝时，则试样不易剪损，抗剪强度较高；当裂 ２膨胀土的强度理论 隙不规则或剪切方向与裂隙面斜交时，破坏情况 从膨胀土长达几十年的国内外发展历程来 较复杂，抗剪强度可能介于上面两种情况之间。 看，强度理论主要有２种：（１）饱和土强度理论； 此外，裂隙面的起伏和粗糙程度对膨胀土抗剪强 （２）非饱和土强度理论。 度也有明显影响。一般平坦光滑裂隙面比起伏粗 ２．１饱和土强度理论 糙裂隙面的强度要低的多。裂隙对强度的影响主 膨胀土的强度特性较一般粘性土复杂的多， 要是消损凝聚力Ｃ到近乎为０，而对摩擦角 无 通常情况下土的峰值强度相对较高，但从失稳边 明显影响。 坡反算出的抗剪强度却远低于其峰值强度。根据 １．３含水量对膨胀土强度的影晌 这一特点，有关学者提出了膨胀土边坡的不同破 膨胀土因富含有亲水性粘土矿物成分，所以 坏特性和不同的强度取值方法，主要是从时间因 其强度与含水量密切相关。含水量∞对Ｃ值的 素的渐近破坏和在空间上的分带取值两个方面进 影响可从高达２００ ＫＰａ以上降低到１ ＫＰａ甚至为 行考虑的，包括以下几种。 ０；对 值的影响可以从４０。～６０。降到１。～３。，且 ２．１．１ 渐近性破坏理论 Ｂｊｅｒｒｕｍ Ｌ认为超固 这种影响是非线性的，见图２ｌ２】。孔隙中所含溶液 结膨胀土的边坡破坏是渐近的，其抗剪强度在整 个滑动面上并非同时发挥。即膨胀土边坡上首先 出现一点强度破坏，其后随着时间的推移，这种强 度破坏逐渐传播，最后扩展到整个滑动面。Ｔａｂｏｒ Ｄ ｗ形容这种剪切破坏的发展如同撕裂一张纸 一样。 ２．１．２滞后破坏理论许多工作者经过长期的 探索发现膨胀土边坡的破坏往往是在开挖后几个 月或几年，甚至几十年后发生的。Ｂｓｈｏｐｔ Ａ Ｗ和 Ｂｊｅｒｒｕｍ Ｌ认为膨胀土路堑边坡由于应力集中和 吸水等原因会造成土质软化，因而使Ｃ值随时间 图２含水量∞与摩擦角 和粘聚力Ｃ的关系 而减小，引起滞后破坏。Ｃｈａｎｄｌｅｒ Ｒ Ｊ和Ｓｋｅｍｐｔｏｎ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 杨萍等：膨胀土的强度特性探讨 ・４２７・ 认为滞后破坏的根本原因，除了由于存在裂隙使 言用非饱和土理论更能全面合理地反映膨胀土的 性质，这也是未来膨胀土强度的研究趋势。 ２．２非饱和土强度理论 ｃ值随时间降低外，更主要的是由于孔隙水压力 达到平衡的速度非常缓慢所致。 ２．１．３极限平衡——弹性理论朱梅生认为，膨 胀土边坡的首次滑动是发生在坡脚，因为坡脚附 近首先产生剪切区，该区由于应变软化而强度降 低，从而导致坡体破坏。据此，他建议穿过剪切区 非饱和土强度理论仍然采用Ｍｏｈｒ—ｃｏｕｌｏｍｂ 强度破坏准则。现有研究成果中有代表性的两种 理论是：Ｂｉｓｈｏｐ理论和Ｆｒｅｄｌｕｎｄ理论。 ２．２．１ Ｂｉｓｈｏｐ理论 Ｂｉｓｈｏｐ在他的非饱和土 的滑弧采用残余强度，剪切区以外的滑弧采用峰 有效应力理论的基础上，将抗剪强度表达为： 值强度。另外在地表拉裂区范围内的强度取为 ０。 ２．１．４气候作用层分带法潘君牧认为，边坡土 体在气候引起的风化作用下，作用层的强度会随 时问衰减，从而引起边坡破坏，根据边坡土体风化 程度随深度的变化分为３层，Ｉ层为强风化层，土 体破碎，能充分蒸发，并迅速吸水，干缩湿胀尤为 明显，建议采用残余强度；ＩＩ层为过渡层，采用峰 值强度与残余强度之平均值；１１Ｉ层为未风化层，可 视为保持原状土的性质，采用峰值强度。 ２．１．５胀缩效应法廖世文：等认为，膨胀土边坡 的变形演化实际上是土体在风化营力作用下，由 于反复干缩湿胀效应，其抗剪强度逐渐衰减的过 程，并建议采用“模拟”边坡土体干缩湿胀效应的 方法测试膨胀土的抗剪强度。 ２．１．６分期分带法廖济川认为，确定膨胀土的 抗剪强度考虑以下３个方面：（１）强度分带的界 限。为使界限明确，按地下水位上下分别取强度 值；（２）强度使用期限。按短期及长期稳定分别 取不排水及排水强度值；（３）膨胀土的工程特性。 对胀缩性考虑长期浸水或干湿效应，对超固结为 渐进性破坏，对裂隙性为裂隙状态。 ２．１．７分段取值法刘祖德、李柏乔等建议在膨 胀土堑坡设计中，高差每４ ｍ左右设一级平台。 最高一级斜坡的滑动面上 值可取残余值加上 ２／３峰值与残余值之差，然后每下降一级， 值就 减少１／３的峰值与残余值之差，直到残余值。由 于Ｃ值受风化作用及应变软化作用的影响较大， 将遭到比 值更大的衰减影响，建议最高一级斜 坡的滑动面上可取Ｃ的残余值加上２／９的峰值与 残余值之差，然后每下降一级，ｃ值就减少１／９的 峰值与残余值之差，直到残余值。 以上几种方法所考虑的侧重点不同，计算结 果将有所差异。选取方法时应综合考虑，多种方 法进行对比分析，选取合理的取值方法。但自然 条件下的膨胀土一般是处于非饱和状态，相对而 ＝ｃ ＋［ｏｒ一 。＋ （ 一 ）］ｔａｎｔｐ 式中，ｃ 、 为饱和土抗剪强度的有效应力指标； 为有效应力参数，其物理意义可理解为单位土面 积上水压力作用的面积，数值取决于土类、饱和 度、干湿循环以及加荷和吸力的路径。对于饱和 土 ＝１；对于干土 ＝０；一般土为：Ｏ＜ ＜１。 ２．２．２ Ｆｒｅｌｕｎｄ理论 Ｊ Ｆｒｅｌｕｎｄ推荐采用（ｏｒ一 。）和（ 。一／２，ｗ）的组合，将抗剪强度表达为： ，＝ｃ ＋（ｏｒ一 。）ｔａｎｔｐ ＋（ 。一 ）］ｔａｎｔｐ” 式中，ｃ 、 为饱和土抗剪强度的有效应力指标； ”是当（ｏｒ一／／＇ａ）为常数时强度随（ 。一 ）而变化 的第二有效摩擦角，即吸力内摩擦角。在三维坐 标中，上式表达的破坏面为一平面。 Ｂｉｓｈｏｐ理论和Ｆｒｅｄｌｕｎｄ等人的成果己得到国 际公认和局部采用，但由于目前的吸力测试技术 要求较高，仪器较为复杂，所以也未能在工程实践 中大量应用。为此，部分学者采用了一种以非饱 和土强度理论为基础，以常规土工试验为手段，即 间接测定基质吸力来获得非饱土强度的方法，更 简单适用。 ３ 非饱和土强度的间接测定方法 （１）用测膨胀力代替测基质吸力。由于膨胀 力Ｐ与ｃ 、ｔａｎｔｐ 之间有良好的相关性，且与基质吸 力也有很好的关联性，所以用Ｐ来代替基质吸力 确定ｃ 和ｔａｎｇｏ 是可行的。强度表达式 ．５ 为： ＝ｃ ＋（ｏｒ—Ｕ，ａ）ｔａｎｔｐ ＋ｒａｐ ｔａｎｇｏ 式中，ｍ为膨胀力的有效系数； 为体积不变条件 下浸水测得的膨胀力。 （２）用饱和度代替吸力。在考虑外力和干湿 循环的作用下，用饱和度代替吸力，则强度可表达 为： ，＝ｃ（Ｓ，， ，Ｆ）＋ｏｒｔａｎｔｐ（Ｓ，，ｉ，Ｆ） 式中，ｓ，为初始饱和度；ｉ为循环次数；Ｆ为外力约 束。式中参数都可通过一组常规直剪试验进行确 定。 （下转第４３３页） 维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期 卢其能等：抗菌肽的研究进展 。４３３・ （上接第４２７页） （３）利用孔径分布曲线和宏观收缩试验问接 工程中的推广应用。为此通过其它渠道间接测定 确定基质吸力。 吸力的方法将具有较高的推广价值。 除了以上３种间接方法以外，国内外学者还 提出了其它多种间接非饱和土强度测定方法。这 参考文献： 些方法克服了吸力测定问题的技术难题，就一般 ［１］廖世文．膨胀土与铁路工程［Ｍ］．北京：地质出版 的研究单位用一般的常规土工试验就可确定非饱 社，１９８４． 和土强度。 ［２］ 谭罗荣，孔令伟．特殊岩土工程土质学［Ｍ］．北京： 科学出版社，２００６． ４ 结束语 ［３］钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算（第２版）［Ｍ］．北 膨胀土的强度是内因和外因等多种因素综合 京：中国水利水电出版社，１９９６． ［４］卢肇钧，张惠明，陈建华，等．非饱和土的抗剪强度 作用的表现，不同的因素对强度指标ｅ值和‘Ｐ值 与膨胀压力［Ｊ］．岩土工程学报，１９９２，１４（３）：１—８． 的影响程度是不同的。在运用饱和土强度理论进 ［５］卢肇钧，吴肖茗，孙玉珍，等．膨胀力在非饱和土强 行强度取值时应多种方法进行：对比综合分析。在 度理论中的作用［Ｊ］．岩土工程学报，１９９７，１９（５）： 未来的膨胀土强度研究中非饱土强度理论将是主 ２０—２７． 要趋势，但由于基质吸力测定的难度将影响它在
