裂隙面对强膨胀土抗剪强度影响分析

赵 鑫，阳云华，朱瑛洁，张良平，麻 斌

（长江岩土工程总公司（武汉），武汉 430010）

1 引 言

南水北调中线工程总干渠全长约1 432 km，其中，总干渠明渠段渠坡或渠底涉及到膨胀土（岩）累计长度约380 km。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需要解决的关键工程地质问题之一。

膨胀土具有多裂隙性，这使得膨胀土边坡容易产生滑坡。膨胀土内部天然分布着较多的裂隙，使其天生具有“内伤”。当雨水或地表水进入膨胀土内部，且膨胀土含水率发生改变时，裂隙面强度降低，胀缩作用导致已有裂隙产生扩展、剪切变形，在渠坡附近则可能由此引发变形失稳。裂隙的存在使土体强度不均匀和复杂化，膨胀土裂隙通常十分光滑，强度低，裂隙的分布、规模和产状控制了膨胀土边坡滑坡的发生。膨胀土体中的裂隙不仅控制了渠道边坡稳定性，还决定了膨胀土滑坡的形态和破坏机制[1－6]。

2 现场大剪试验

2.1 地层基本情况

本次采取的强膨胀土位于南阳二标桩号95+300位置，岗地地形，据现场开挖编录情况，原地表高程142～134 m揭露地层为al-plQ2黏土，浅褐黄，硬塑状，短小裂隙较发育，据室内自由膨胀率试验结果，自由膨胀率δef=57%，属弱膨胀土，该层底部有一层铁锰质结核富集层与强膨胀土分界，厚度约20～30 cm，134 m以下至渠底130 m高程，均为强膨胀土。

图1 试验地点强膨胀土Fig.1 Strong expansive soil in test site

表1 强膨胀土物理性能参数统计表Table 1 Parametric statistics of physical properties of strong expansive soil

2.2 试验基本情况

本次试验试样尺寸为40 cm×40 cm×15 cm，加压系统为千斤顶，采用油压表与百分表进行数据采集，按照试验计划均匀施加垂直荷载至某一预定值，让试块土体在此荷载下进行压缩，每隔20 min记录其垂直变形，当垂直变形达到相对稳定（0.01 mm/h）后，开始施加水平荷载；适当选择施加水平荷载的速率，一般每隔1 min施加水平荷载1次，及时记录其垂直方向、水平方向的应力、应变，同时观察周围土的变形现象，水平剪切试验控制在 20 min内；当水平变形急剧增长或水平变形量达试体尺寸的1/10时，即认为土体已经破坏，可结束试验；最后及时对采集的数据进行整理、分析，绘制水平位移与剪切应力曲线[7－8]。

根据渠段开挖情况，选取强膨胀土揭露高程133 m进行试验，共进行了11组试验，均沿水平面进行剪切，试验编号及剪切类型见表2。

表2 现场直剪试验工作量一览表Table 2 Work schedule of in-situ direct shear test

通过观察试样施加的正应力，可以发现，与天然快剪相比，饱和快剪的正应力普遍较小，这是因为强膨胀土具有遇水膨胀软化、强度降低的水理特性。当进行饱和快剪试验时，如果所施加的垂直荷载过大，试样垂直方向的变形极易变得很大，使试样产生压缩破坏，故在试验过程中，无法像天然快剪一样施加过高设定的垂直荷载，这正是反映了强膨胀土在水理力学方面的特性。

3 试验成果对比分析

将不同压力下、不同剪切类型所得试验数据绘制水平位移-剪切应力关系曲线，见图2。

图2 不同剪切类型、不同荷载下水平位移-剪切应力关系曲线Fig.2 Horizontal displacement-shear stress curves with different shear types and loadings

通过图2分析得知，水平位移-剪切应力基本上呈现双曲线关系，荷载越大，则其抗剪强度也越大；饱和剪切由于土体含水率高于天然剪切土体，故其抗剪强度明显降低，这反映在工程实际中，当膨胀土边坡遇地下水、降雨浸泡时，其土体的抗剪强度较天然状态下小，此时更容易产生滑坡等地质现象，所以应当避免膨胀土边坡长期浸泡。

为了对比分析在相同荷载作用下，不同的裂隙分布地带其抗剪强度的差别，在高程133 m处分别进行了50、75、100 kPa试验对比，绘制曲线如图3～6所示。

图3 相同荷载下(50 kPa)天然快剪水平位移-剪切应力关系曲线Fig.3 Horizontal displacement-shear stress curves of natural quick shear under the same loading (50 kPa)

图4 相同荷载下(75 kPa)天然快剪水平位移-剪切应力关系曲线Fig.4 Horizontal displacement-shear stress curves of natural quick shear under the same loading (75 kPa)

图5 相同荷载下(100 kPa)天然快剪水平位移-剪切应力关系曲线Fig.5 Horizontal displacement-shear stress curves of natural quick shear under the same loading (100 kPa)

图6 不同垂直荷载下的试验剪切面Fig.6 Test shear surfaces under different vertical loadings

表3 不同垂直荷载下的试验剪切面参数Table 3 Parameters of testing shear surface under different vertical loadings

分析图3～6及表3可以发现，即使在相同的垂直荷载作用下，土体的抗剪强度也有所不同。

（1）当荷载50 kPa时，95133T-2试样的剪切强度略大于 95133T-4试样，现场描述发现该两组裂隙面占剪切面面积均约为90%，但是裂隙面产状不同，95133T-2以中～陡倾角为主，而95133T-4以缓倾角为主，故当施加剪切荷载时，试样更容易沿着缓倾角的裂隙面产生破坏，导致抗剪强度较低。

（2）当荷载75 kPa时，95133T-7试样的剪切强度略大于 95133T-5试样。在剪切面描述中，95133T-7试样裂隙面仅占剪切面的25%，且以中～陡倾角为主，裂隙面最大起伏高差达 10 cm，而95133T-5试样裂隙面占剪切面的40%，且以缓倾角为主，裂隙面最大起伏高差仅为1～5 cm，故当施加剪切荷载时，试样容易沿着缓倾角裂隙面滑动产生破坏。

（3）当荷载100 kPa时，95133T-6试样的剪切强度略大于95133T-3试样，虽然95133T-6试样裂隙面占剪切面比例为90%，95133T-3试样裂隙面占剪切面比例为70%，前者大于后者，但是前者裂隙面是以陡倾角为主，而后者以缓倾角为主，故当施加剪切荷载时，试样容易沿着缓倾角裂隙产生滑动破坏。

4 结 论

强膨胀土体由于长大裂隙极发育，且裂隙之间的贯通性非常好，裂隙之间充填的黏土厚度一般均比较大，使得强膨胀土体的承载力受裂隙的影响很大，裂隙发育程度主要影响土体的抗剪强度，因此强膨胀土的抗剪强度除了土体强度，还有裂隙强度，影响试样抗剪强度的因素可以归结为以下三点，按优先考虑程度排序：

（1）裂隙面占剪切面的百分比，所占比例越大，裂隙面连通性越好，则抗剪强度就越小。

（2）当裂隙面占剪切面的百分比相当时，应考虑裂隙面的产状，与剪切面倾角相近的裂隙面更容易产生滑动，导致抗剪强度偏小。

（3）裂隙面的起伏高差越大，裂隙面越不容易产生滑动，抗剪强度也越大。

[1]王保田, 张福海. 膨胀土的改良技术与工程应用[M].北京: 科学出版社, 2008.

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