压实膨胀土抗拉强度试验研究

黄 珂，姜 冲, 陈 庆, 吴 兵

(河海大学 a.岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室；b.江苏省岩土工程技术工程研究中心, 南京 210098)

压实膨胀土抗拉强度试验研究

黄 珂a,b，姜 冲a,b, 陈 庆a,b, 吴 兵a,b

(河海大学 a.岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室；b.江苏省岩土工程技术工程研究中心, 南京 210098)

膨胀土干湿循环过程中土体内部干缩裂缝的产生与其抗拉强度有关，且其在抵抗干缩裂缝发育时产生重要作用，所以在研究膨胀土胀缩机理时，必须考虑抗拉强度的影响。对南京高淳膨胀土压实圆柱样采用轴向压裂法进行抗拉强度试验，研究不同压实度、不同初始含水率、不同制样方法、饱和度以及吸力对压实圆柱样抗拉强度的影响。结果表明：压实膨胀土的抗拉强度随着压实度的增大而增大，随着含水率的增大而减小；失水和吸水对压实膨胀土抗拉强度有削弱作用且吸水的削弱作用更加明显；试样从非饱和状态转变为饱和状态时抗拉强度减小极为明显，减小比率高达80%。

膨胀土；压实度；加州承载比(CBR)；抗拉强度；轴向压裂法

1 研究背景

膨胀土是一种特殊的高液限黏土，其含有大量亲水矿物成分蒙脱石等，使其具有极强的吸水膨胀、失水收缩的性质。在雨季与旱季相互交替的过程中，膨胀土经历着吸水—失水—吸水—失水的无限次干湿循环。由于膨胀土吸水膨胀、失水收缩的性质，当膨胀土干缩过程中因不均匀收缩产生的收缩应力大于土体上的压应力和抗拉强度之和时，土体内部就会产生次生裂隙。已有研究成果已经证实膨胀土的抗拉强度会随着裂隙的发育而呈现衰减特性，所以在不断的干湿循环过程中，土体内部次生裂隙不断发育会使土体抗拉强度不断衰减，导致膨胀土路基、路堑、河道护坡等产生滑坡，造成工程危害。在经典土力学理论中，由于土体抗拉强度较小，因此在大多数情况下把土体抗拉强度视为0，但事实上土体的抗拉强度是存在的，在膨胀土裂隙发育的微观过程中其作用更是不可忽视。所以在进行膨胀土裂隙发展机理研究时，有必要把抗拉强度考虑进去。

由于压实膨胀土的抗拉强度受到土体本身的性质、初始含水率、压实度等诸多因素的影响，因此需要根据实际情况对其抗拉强度进行室内试验研究。土体抗拉强度的测定分为直接测定法和间接测定法2大类：直接测定法包括单轴拉伸试验和三轴拉伸试验；间接测定法包括土梁弯曲试验、轴向压裂试验、径向压裂试验和气压劈裂试验。马芹永[1]利用劈裂法对人工冻土圆柱体试样进行了抗拉强度试验；余湘娟[2]采用改装的常规三轴仪进行了压实黏土的三轴拉伸试验和拉压循环试验，得到了土体拉伸的应力-应变关系曲线，认为土体发生脆性断裂破坏；张小江等[3]利用自己研制的单轴静动力拉压试验仪对纤维加筋土断裂特性进行了试验研究；邢义川等[4]和党进谦等[5]分别设计了单轴伸试验仪，并基于研制的设备研究了黄土的张拉断裂特性；朱俊高等[6-7]通过一系列单轴拉伸试验研究了高塑限黏土和砾质黏土作为土石坝心墙填料的抗拉强度特性；郭飞等[8]对黏土的抗拉强度与含水量、干密度和衬垫直径的关系进行了探讨，提出轴向压裂法作为间接测定黏性土抗拉强度方法是可行的。这些研究成果促进了抗拉强度在岩土工程研究中的应用，但是以上学者的研究对象为人工冻土、普通黏土、纤维加筋土、黄土等，而对于具有强烈胀缩性的膨胀土，其抗拉强度的研究还相对较少。其中，冉龙洲等[9]研究了干燥过程中膨胀土抗拉强度的变化；吕海波等[10]利用自制的简易土工拉伸仪对具有胀缩性的武鸣红黏土和百色膨胀土进行试验，探讨了其抗拉强度与干密度、含水率、干湿循环次数等影响因素的关系。

本文利用加州承载比(CBR)仪采用轴向压裂法对压实膨胀土进行了不同压实度、不同含水率、不同制样方法、不同饱和度条件下的抗拉强度试验，研究了不同条件下圆柱土样的抗拉强度。

2 试验原理

图1 轴向压裂法试验原理Fig.1 Principle of axialcompression fracturemethod

轴向压裂法试验是间接

测定材料抗拉强度的方法之一，该法对照径向压裂法的机理提出，试验原理如图l所示。其试验机理为：在土体两端垫上圆柱形衬垫，施加压力F直至试样沿轴向劈裂。Fang等[11]根据理想塑性理论，得出试样抗拉强度σt与最大轴向荷载F的关系式为

(1)

式中：k为刚性衬垫影响系数；b为圆柱试样底面半径；h为圆柱试样的高；a为刚性衬垫的半径。

由于膨胀土的干缩湿胀的特性，在膨胀土体内部会形成干缩裂缝，用直接法如单轴抗拉测膨胀土的抗拉强度，若断裂面刚好处于干缩裂缝贯通处，则所测结果不能真实地反映其抗拉强度。所以用直接法测膨胀土的抗拉强度容易受到内部裂缝的影响，用间接法轴向压裂法则可以在一定程度上避免。

3 土样制备及试验方法

3.1 膨胀土选取

本文所用土料取自南京市高淳区芜申线航道先导段胥河大桥上游100m处，取土深度为3.5m左右，土体呈灰黄色-红褐色杂浅灰色，质地硬塑-坚硬，含铁锰浸染，局部含钙质结核，被应用于航道边坡。试验用土均采用风干土样，风干土样全部过5mm筛，风干后土样含水率4.9%，主要物理性质指标见表 1。根据《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ112—2013)判断该膨胀土属于弱膨胀土。

表1 土样基本物理性质指标

3.2 土样制备

考虑到试样的高径比必须>2才可消除端部条件的影响，因此进行抗拉强度试验的圆柱试样尺寸为:高度h=130 mm，直径D=61.8 mm，在室内通过静压法制备。由于施工中常用压实度在90%以上，试验用土最优含水率为17.3%，因此压实度取90%，93%，95% 3个水平；目标含水率取13.3%，15.3%，17.3%，19.3%，21.3% 5个水平。

为探索失水和吸水对土样抗拉强度的影响，制备1组失水试样和1组吸水试样。失水试样的制备方法：利用1组压实度93%、含水率25%的试样，使其失水至目标含水率，然后将其用塑料薄膜密封，在室温下静置超过24 h使水分分布均匀。吸水试样的制备方法：利用1组压实度93%、含水率10%的试样(含水率<10%时制样困难，难以成样)，使其吸水至目标含水率，然后将其用塑料薄膜密封，在室温下静置超过24 h使水分分布均匀。

为探索饱和度对抗拉强度的影响，将制作好的压实度93%的1组试样放置24 h后装入真空饱和装置中抽气饱和，回水后置于水中24 h再进行试验，这时可认为试样达到完全饱和。

图2 CBR试验装置Fig.2 Test apparatus forcalifornia bearing ratio(CBR)

3.3 试验方法

将制备好的圆柱试样置于CBR仪上，试样两端放置直径为31 mm的刚性衬垫，如图2所示。根据郭飞等[8]对黏性土轴向压裂法测抗拉强度的研究成果，设置试验台上升速率为0.9 mm/min，刚性衬垫直径31 mm时可认为刚性衬垫影响系数k=1。施加的最大轴向荷载F由CBR仪上面百分表读数和钢环系数确定，如果土样含水率较低(≤15.3%)，试样的破坏很突然,表现为脆性破坏，此时百分表达到最大值后指针迅速回转，可认为百分表达到的最大读数对应最大轴向荷载。如果土样的含水率较高,则试样在接近破坏时呈现较大的塑性，百分表的指针移动明显变慢，随着荷载的逐渐增加，百分表指针达到最大值(即百分表指针不再变动)，此时可认为试样破坏，百分表达到的最大读数对应最大轴向荷载。

4 试验结果分析

4.1 压实度、含水率对抗拉强度的影响

如图3(a)所示，在含水率不变的条件下，压实膨胀土的抗拉强度随着压实度的增大而增大。究其原因，在压实膨胀土未饱和且含水率一定的情况下，随着干密度的增大，土颗粒之间的间距变小，颗粒之间相互接触的面积也随之增大，也就意味着颗粒之间的黏结力增大，当土体产生破坏时需要较大外力来克服土颗粒之间的黏结力。

同时根据图3(b)所示，在压实度不变的条件下，膨胀土的抗拉强度随着含水率的增大而减小。这是因为当含水率较小的时候，土颗粒之间的作用力主要是静电力和范德华力，此时颗粒之间的距离较近，颗粒之间的黏结力较大，土体的抗拉强度较大。随着含水率的增大，土体颗粒之间的结合水膜也随之增厚，土体颗粒之间的接触面积变小，颗粒之间的黏结力减弱；同时由于含水率增加在土颗粒之间起到一定的润滑作用，导致颗粒间摩擦力减小，以上2方面的原因导致土体的抗拉强度变小。

图3 抗拉强度变化曲线

4.2 吸水和失水对抗拉强度的影响

如图3(b)所示，在压实度一定的条件下，制样条件对压实膨胀土的抗拉强度有较大影响，其中相同含水率条件下失水试样和吸水试样的抗拉强度相比正常试样的抗拉强度均有所下降。同时还可以看出，随着目标含水率与制样起始含水率的差距的增大，失水试样和吸水试样的强度损失呈增大趋势，即距离制样初始含水率近的目标含水率处的失水试样和吸水试样的强度损失比率较小，距离制样初始含水率远的目标含水率处的失水试样和吸水试样的强度损失比率较大。

失水试样在制样的过程中，由初始含水率(25%)失水至目标含水率的过程中，压实膨胀土试样会在原有裂隙的基础上形成更宽更长的干缩裂隙，相对于一次静压成型的正常试样，这就破坏了试样的整体性；同时失水过程中土粒之间的黏结遭到破坏，土体微结构劣化。综合这2方面的主要原因，失水试样的抗拉强度要低于正常试样。吸水试样在制样的过程中，由初始含水率(10%)吸水至目标含水率的过程中，试样中原有的细小裂缝闭合，但是宽大裂缝则在吸水的过程中发育，致使土体的整体性遭到破坏，并且压实膨胀土吸水膨胀软化，再加上膨胀土有一定的的崩解性，所以膨胀土吸水试样的抗拉强度也低于正常试样。同时在图3(b)中可以看出吸水试样总体比失水试样强度下降得更多，笔者认为这是由于膨胀土吸水膨胀软化以及崩解性相对于失水产生的收缩裂隙对抗拉强度的影响更大。

图4 93%压实度饱和与非饱和条件下抗拉强度变化曲线Fig.4 Curves of tensile strength vs. moisture content of saturated and unsaturated samples with degree of compaction of 93%

4.3 饱和与非饱和状态下的抗拉强度比较

如图4所示，正常制样条件下，93%压实度的非饱和样达到饱和状态后，其抗拉强度显著减小，相同含水率条件下，非饱和样与饱和样的抗拉强度之比最大可达4倍，最小也在2倍以上。总体趋势是当非饱和试样含水率较小时,饱和后抗拉强度减小的幅度较大，当非饱和试样含水率较大时,饱和后抗拉强度减小的幅度较小。

土体在非饱和状态下，土颗粒骨架之间产生净粒间作用力表现为连通孔隙所产生的负孔隙水压力和表面张力综合作用。膨胀土压实圆柱试样从非饱和状态到饱和状态的过程是土体孔隙中的气相从连通状态到完全闭合状态的过程，在这个过程中，当试样土体处于非饱和状态时，土体中的连通孔隙所产生的负孔隙水压力和表面张力综合作用比较明显，宏观表现即为土体的抗拉强度较大；当试样土体转化为饱和状态时，土体中孔隙处于闭合状态，土体中气相被排除，负孔隙水压力消失，表面张力作用变得极小，宏观表现即为土体的抗拉强度变小。

在我们对土体吸力的研究中发现土体吸力与土体含水率密切相关，土体含水率越低，土体中的吸力越小。在非饱和土力学中，吸力被认为是土体中水的一种能量状态，而水的能量影响着水的存在形式和水-土之间的相互作用，进而影响颗粒间的黏结强度。因此，由吸力引起的吸附作用是抗拉强度的一个重要组成部分，吸力的变化必然引起抗拉强度的变化。含水率越小，颗粒间的吸力越大，颗粒之间的胶结强度越高，承受拉应力的能力越强，也即土体的抗拉强度越高。

5 结 论

本文利用轴向压裂法对膨胀土进行了抗拉强度试验，主要研究了不同压实度、不同初始含水率、不同制样方法、饱和度以及吸力对膨胀土抗拉强度的影响。试验所得主要结论如下：

(1) 在含水率不变的条件下，压实膨胀土的抗拉强度随着压实度的增大而增大；在压实度不变的条件下，膨胀土的抗拉强度随着含水率的增大而减小。

(2) 在压实度一定的条件下，制样条件对压实膨胀土的抗拉强度有较大影响，其中相同目标含水率条件下失水试样和吸水试样的抗拉强度相比正常试样的抗拉强度均有所下降，并且随着目标含水率与制样起始含水率的差距的增大，失水试样和吸水试样的强度损失呈增大趋势。

(3) 正常制样条件下压实度一定的非饱和样达到饱和状态后，其抗拉强度显著减小，相同含水率条件下，非饱和样与饱和样的抗拉强度之比最大可达4倍，最小也在2倍以上。同时吸力的变化必然引起抗拉强度的变化。

[1] 马芹永.人工冻土单轴抗拉、抗压强度的试验研究[J].岩土力学，1996，17(3): 76-81.

[2] 余湘娟.粘土的拉裂试验及声发射检测[J].水利水电科技进展，1997，17(3): 29-32，70.

[3] 张小江，周克骥.单轴静动拉压试验仪的研制和纤维加筋土断裂特性试验[J].大坝观测与土工测试，1997, 21(4): 35-38.

[4] 邢义川，骆亚生，李 振.黄土的断裂破坏强度[J].水力发电学报，1999，(4): 36-44.[5] 党进谦，李 靖，张伯平.黄土单轴拉裂特性的研究[J]. 水力发电学报，2001，(4): 44-48.[6] 朱俊高，梁 彬，陈秀鸣，等.击实土单轴抗拉强度试验研究[J].河海大学学报(自然科学版)， 2007, 35(2): 186-190.

[7] 张 辉，朱俊高，王俊杰，等.击实砾质土抗拉强度试验研究[J].岩石力学与工程学报，2006，25(增2):4186-4190.

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[9] 冉龙洲，宋翔东，唐朝生.干燥过程中膨胀土抗拉强度特性研究[J].工程地质学报，2011, 19(4): 620-625.

[10]吕海波，曾召田，葛若东，等. 胀缩性土抗拉强度试验研究[J].岩土力学，2013, 34(3): 615-620.

[11]FANG H Y, CHEN W F. Further Study of Double-punch Test for Tensile Strength of Soils[C]∥Southeast Asian Society of Soil Engineering. Proceedings of the Third Southeast Asian Conference on Soil Engineering, Hong Kong, November 6-10, 1972: 236-242.

(编辑：姜小兰)

Experimental Study on Tensile Strength of Compacted Expansive Soil

HUANG Ke1,2, JIANG Chong1,2,CHEN Qing1,2,WU Bing1,2

(1.Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering under Ministry of Education，Hohai University， Nanjing 210098，China; 2.Engineering Research Center of Geotechnical Engineering Technologies of Jiangsu Province，Hohai University，Nanjing 210098，China)

The generation of shrinkage cracks in expansive soil in wetting-drying cycle is related to its tensile strength, which must be considered in researching the swell-shrink mechanism of expansive soil as it plays an important role in resisting the development of dry shrinkage cracks. In this research, compacted cylindrical specimens of expansive soil from Gaochun, Nanjing are taken for tensile strength test with axial compress fracture method to investigate the influences of different factors such as degree of compaction, initial moisture content, specimen preparation method, degree of saturation and suction of compaction on tensile strength. Results show that 1) tensile strength of compacted expansive soil increases with the increase of degree of compaction, but decreases with the increase of moisture content; 2) tensile strength can be weakened both by losing water and absorbing water, and the weakening by the latter is more obvious; 3) when the sample changes from unsaturated state to saturated state, its tensile strength reduces remarkably with the reducing ratio up to 80%.

expansive soil; degree of compaction; CBR; tensile strength; axial compression fracture method

2016-04-26；

2016-05-20

中央高校基本科研业务费项目(KYLX15-0469)

黄 珂(1992-)，女，安徽宿州人，硕士研究生，主要研究方向为土的静动力学特性、特殊土处治技术，(电话)15295521190(电子信箱)1421891789@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160407

2017,34(6):93-96

TU433

A

1001-5485(2017)06-0093-04