膨胀土动力变形性能的影响因素试验研究

李培荣��

摘要：为了研究膨胀土的动力变形性能，通过试验研究了初始主应力方向角、围压、含水率和干密度等因素对膨胀土应力应变曲线和动态剪切模量的影响。对试验数据进行拟合分析得出：可以用邓肯张模型对不同条件下膨胀土动态剪切应力随应变的变化进行描述，试验数据和结论可为进一步研究膨胀土的力学性能提供理论参考。

关键词：膨胀土；动力变形性能；动态剪切模量；动态剪切应力

中图分类号：U416.11文献标志码：B

Abstract： In order to study the dynamic deformation properties of expansive soil， the effect of initial principal stress direction angle， confining pressure， water content and dry density on stressstrain curves and dynamic shear modulus of expansive soil was reviewed. Fitting analysis of the experimental data shows that the dynamic changes in shear stress with strain under different conditions can be depicted by the DuncanChang model of expansive soil. The experimental data and conclusion provide theoretical basis for further study of the mechanical properties of expansive soil.

Key words： expansive soil； dynamic deformation property； dynamic shear modulus； dynamic shear stress

0引言

常温下膨胀土表现为吸水时容易发生膨胀，失水时容易发生收缩，正因为膨胀土具有体积不稳定性，因此它是典型的灾害性土之一[13]。中国膨胀土地区分布广泛，由于膨胀土性质的不稳定性而造成的公路、铁路路基滑坡等工程

灾害数不胜数[45]。同时由于地震等自然灾害频发，对应的土体在受力时也承受着动态荷载的作用，而非一直承受静态荷载。目前，国内外学者对于静态荷载作用下膨胀土的力学性质进行了大量的研究。赵乃峰[6]等以南宁地区的膨胀土为例，研究了含水率和固结压力对膨胀土长期压缩特性的影响。李志清[7]等利用普通固结仪，研究了浸水、浸盐和浸酸后膨胀土的膨胀变形。詹良通[8]等利用静态三轴试验，研究了吸力对非饱和膨胀土的变形和强度的影响。杨庆[9]等通过膨胀力试验和抗剪强度试验，研究了剪位移和含水量对膨胀土抗剪强度的影响。李兆宇[10]等通过三轴试验，研究了不同围压和温度下冻结膨胀土的应力应变关系。但是对于动态荷载作用下膨胀土的动力变形特性，至今研究较少[1114]。基于此，本文通过试验，研究了初始主应力方向角、含水率、围压和干密度等因素对膨胀土动力变形性能的影响，为进一步研究膨胀土的力学性能提供了理论参考。

1试验方法

1.1膨胀土来源

本文试验所用膨胀土选自广西六钦高速公路路堑边坡，土体呈灰白色，通过土工试验测得其物理力学性质和粒度成分分别见表1、2。

1.2试样制备

根据《土工试验规程》（SI.237—1999）的相关要求，先将土样进行风干处理，然后对其进行碾压并过1 mm的筛，最后取代表性土样测定其风干之后的含水率。制备时采用手动击实和干土成样，控制试样直径为61.8 mm，高度为150 mm。

1.3试验仪器

试验所用仪器为经改造的三轴试验机，主要由主机、压力系统、动力控制系统和测量系统4部分组成。通过在试样顶部施加不同的轴向力和扭矩，实现不同的初始应力状态。

2动荷载作用下膨胀土的应力应变关系

2.1初始主应力方向角对应力应变的影响

保持膨胀土的含水率为22%，干密度ρ为1.55 g·cm-3，测定在不同围压p（50 kPa、100 kPa、150 kPa）时膨胀土的应力应变随初始主应力方向角的变化，研究初始主应力方向角对应力应变曲线的影响，结果如图1所示。

从图1可以看出，不同初始主应力方向角和围压下，膨胀土的应力应变曲线呈3个阶段的变化趋势：准弹性变化阶段、塑性屈服阶段和塑性破坏阶段。当围压相同时，随着初始主应力方向角的增大，膨胀土的动态剪切应力逐渐减小，塑性破坏时的破坏应力也逐渐减小，表明初始主应力方向角越大，膨胀土抵抗变形的能力越低。这是因为，当初始主应力方向角为0° 时，试样承受轴向压力，土体被逐渐压密，土体颗粒间紧密接触，因此动态剪切应力较大；而随着初始主应力方向角的增大，试样的受力状态逐渐由压缩变为拉伸，土体颗粒之间的连接作用被破坏；当初始主应力方向角为90° 时，试样所受的压应力最小，而拉应力最大，此时动态剪切应力最小。

当初始主应力方向角一定时，随着围压的增大，产生相同应变，膨胀土的动态剪切应力也逐渐增大。分析其原因为：随着围压的增大，土体试样逐渐被压密，土体颗粒之间的间距减小，膨胀土的密实度增大，粘聚力和内摩擦角逐渐增大，因此动态剪应力逐渐增大；另外，围压会使土体的内部结构发生改变，改变了土体颗粒之间的排列顺序，抑制荷载下土体发生的软化变形，且围压越大，抑制作用越明显。

2.2含水率和干密度对应力应变的影响

测定不同含水率（19%、22%和25%）、干密度（1.46 g·cm-3、1.55 g·cm-3、1.63 g·cm-3）和围压（50 kPa、100 kPa、150 kPa）组合下膨胀土的应力应变变化曲线，研究含水率和干密度对膨胀土应力应变的影响，试验结果见图2。

从图2可以看出，当外界条件相同时，随着含水率的增大，膨胀土产生相同应变时对应的动态剪切应力逐渐降低，且随着含水率的增大，降低的趋势逐渐减小。例如从图2中的（c）可以看出，当ρ=1.46 g·cm-3，p=150 kPa，动态剪应变为4%，含水率由19%增大至22%、25%时，动态剪应变由86.1 kPa减小至465 kPa、405 kPa，降低幅度分别为465%和12.9%。这是因为，膨胀土吸水后，土体颗粒在其周围形成一层结合水膜，且含水量越大，结合水膜厚度越大，对土体颗粒之间的润滑作用越显著，土体颗粒之间的摩擦力越小，因此动态剪切应力越小。

从图2中的（b）、（e）和（h）可以看出，当其他外界条件一定时，随着土样干密度的增大，产生相同剪切应变时，需要的动态剪切应力越大，例如当围压为100 kPa，含水率为22%，干密度由1.46 k·cm-3增大至155、163 kg·cm-3，产生4%的剪切应变时，对应的动态剪切应力分别为43.5、521、55.6 kPa。这是因为，随着干密度的增大，土体颗粒之间的接触点逐渐增多，膨胀土密实度逐渐提高，土体抵抗剪切变形的能力也逐渐提高，因此动态剪切应力逐渐增大。

3动荷载作用下膨胀土的剪切模量

3.1初始主应力方向角对动态剪切模量的影响

保持膨胀土的含水率为22%，干密度为1.55 g·cm-3，测定不同围压时膨胀土的动态剪切模量随初始主应力方向角的变化，研究初始主应力方向角对动态剪切模量的影响，结果如图3所示。

从图3可以看出，当围压一定时，随着初始主应力方向角的增大，产生相同剪切应变时需要的动态剪切模量逐渐减小。这是因为膨胀土具有各向异性，试样压实仅是沿着竖直方向分层压实的，当初始主应力方向角为0° 时，最大主应力为竖直方向，此时膨胀土竖向强度最大、水平强度最小；随着初始主应力方向角的增大，竖向强度减小而水平强度增大。因此试样破坏时动态剪切应力逐渐减小，动态剪切模量随之减小。

3.2含水率和干密度对动态剪切模量的影响

测定不同含水率、干密度和围压组合下膨胀土的动态剪切模量，研究含水率和干密度对膨胀土动态剪切模量的影响，试验结果见图4。

从图4可以看出，其他条件保持不变时，随着含水率的增大，膨胀土产生相同剪切应变时对应的动态剪切模量逐渐降低，且当含水率大于22%时，随着含水率的增大，动态剪切模量的变化趋势放缓。分析其原因为：膨胀土中含有无数的亲水性粘土颗粒，随着含水率的增大，土体颗粒表面吸附的水膜厚度增大，土体颗粒之间的距离减小，土体颗粒之间的粘结强度随之降低。另外，水膜的出现降低了土体颗粒之间的相互摩擦力，因此含水率越大，动态剪切模量越小。当含水率超过22%后，含水率超过了膨胀土的塑限，相同条件下土体颗粒的吸水能力减弱，水膜厚度的增长幅度减小，因此动态剪切模量随含水率增大而减小的趋势放缓。

从图4中的（c）、（f）和（i）可以看出，当其他试验条件相同时，随着干密度的增大，土体产生相同剪切应变时所需的动态剪切模量逐渐增大，尤其是当干密度超过1.55 g·cm-3时，增大试样干密度能显著提高膨胀土的动态剪切模量。这是因为，随着干密度的增大，土体颗粒之间接触的紧密程度逐渐增强，土体颗粒之间的咬合力和粘聚力逐渐增大，因此膨胀土剪切破坏时需要更多的能量来克服咬合力和粘聚力所做的功，动态剪切模量随之增大。

4不同试验条件下膨胀土的应力应变关系探讨[KH*2]

选取围压为50 kPa，初始主应力方向角分别为0° 、45° 和90° 时的应力τ和应变ε，对ε和ε/τ的关系进行分析，结果如图5所示。结果表明，两者之间具有很好的线性相关性，可利用邓肯张模型式（1）对其进行分析，并求解膨胀土的初始动态剪切模量G0和最大动态剪应力τmax，并将拟合结果列于表3、4。

从表3可以看出，随着初始主应力方向角的增大，膨胀土的初始动态剪切模量和最大动态剪切应力值都逐渐减小，表明初始主应力方向角为0° 时膨胀土产生的塑性效应更加明显。当初始主应力方向角一定时，随着围压的增大，膨胀土的初始动态剪切模量和最大动态剪切应力值都逐渐增大，膨胀土的塑性效应逐渐增强。

从表4可以看出，随着含水率的增大，膨胀土的初始动态剪切模量和最大动态剪切应力逐渐减小，且随着围压和干密度的增大，两者随含水率的变化幅度增强，表明含水率对初始动态剪切模量和最大动态剪切应力的影响程度会随着干密度和围压的不同而不同。在相同条件下，干密度和围压越大，初始动态剪切模量和最大动态剪切应力越大，且含水率越大，两者随干密度和围压的变化幅度越小，进一步表明含水率、围压和干密度对膨胀土初始动态剪切模量和最大动态剪切应力的影响相互关联。

5结语

（1） 不同条件下，膨胀土的应力随应变的增大呈准弹性变化阶段、塑性屈服阶段和塑性破坏阶段3个变化阶段；随着初始主应力方向角的增大，膨胀土的动态剪切应力和动态剪切模量逐渐减小；相同条件下，围压越大，产生相同应变时动态剪切应力和动态剪切模量值越大。

（2） 相同条件下，随着含水率的增大，膨胀土的动态剪切应力逐渐降低，且降低趋势随含水率的增大逐渐减小；当外界条件一定时，随着土样干密度的增大，产生相同剪切应变时，需要的动态剪切应力值越大。

（3） 保持其他条件一定时，随着含水率的增大，膨胀土的动态剪切模量逐渐降低，当含水率大于22%时，动态剪切模量随含水率变化的趋势放缓；随着干密度的增大，膨胀土的动态剪切模量逐渐增大，尤其是当干密度超过1.55 g·cm-3时，增大试样干密度能显著提高膨胀土的动态剪切模量。

（4）膨胀土的ε和ε/τ之间能很好地利用邓肯张模型进行线性拟合；初始主应力方向角越大，G0和τmax越小；随着含水率的增大，G0和τmax逐渐减小；干密度和围压越大，G0和τmax越大；含水率、围压和干密度对G0和τmax的影响程度相互关联。

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[责任编辑：杜卫华]