[发明专利]一种膨胀土边坡浅层破坏土体抗剪强度试验方法

说明书

技术领域

本发明属于道路工程领域，尤其涉及一种膨胀土边坡浅层破坏土体抗剪强度试验方法。

背景技术

由于膨胀土富含蒙脱石等高亲水性矿物，具有显著的干缩湿胀特性，导致其边坡稳定性的研究比普通粘土边坡复杂得多，尤其是其抗剪强度参数难以准确确定。现行公路路基设计规范(JTGD30-2004)提出膨胀土的抗剪强度指标应采用低于峰值的强度值，也可采取反算或经验确定指标值，暴露出强度参数取值的复杂、难以把握与不确定性；另外，为什么膨胀土边坡坡率放缓至1∶2～1∶3甚至更缓也发生失稳破坏，通常无法解释，规范甚至指出采用常规土力学方法不能妥善解决膨胀土路堑边坡的稳定问题。

经大气干湿循环作用，膨胀土边坡常在降雨期或雨后发生破坏，且绝大部分边坡破坏具有浅层性，绝大多数表层坍滑的深度在1.0～2.5m之间，此时作用在滑动面上土体的有效法向应力约为10～30kPa，远小于现行公路土工试验规程(JTGE40-2007)中直剪试验的最小法向应力或常规三轴试验的最小围压(50kPa)。因此，根据现行公路土工试验规程(JTGE40-2007)测试的膨胀土峰值慢剪强度结果甚至是残余强度结果，采用符合摩尔库伦准则的线性方法拟合的强度参数开展膨胀土边坡稳定分析，计算获得的边坡安全系数显著偏大，得不到与边坡发生浅层破坏相符的结果。

造成上述现象的原因主要是在膨胀土强度测试时，现行公路土工试验规程(JTGE40-2007)中的慢剪(排水直剪)试验存在以下几点不足：(1)室内试验土体强度测试时的受力状态与实际边坡破坏时土体的实际受力状态不符；(2)采用符合摩尔库伦准则的线性方法拟合强度实验结果不能反映真实状况；(3)没有考虑干湿循环的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种膨胀土边坡浅层破坏土体抗剪强度试验方法，旨在解决现行公路土工试验规程中的慢剪试验不能真实反映膨胀土边坡浅层破坏土体实际受力状态下抗剪强度的问题。

本发明是这样实现的，一种膨胀土边坡浅层破坏土体抗剪强度试验方法包括：

步骤一、试样制作：采用环刀削取原状土样，切削时保证试样与环刀壁贴合紧密；平行试验试样的密度差和含水率差分别不大于±0.1g/cm³和1％；

步骤二、对试样进行有荷作用干湿循环；

步骤三、干湿循环饱和试样在相应垂直压力下饱和固结；

步骤四、根据实际抗剪强度大小选择测力环，启动直剪仪，以恒定速度进行剪切，直至获得峰值抗剪强度；

步骤五、采用改进的幂函数对试验数据进行拟合。

进一步，步骤二所述的对试样进行有荷作用干湿循环的具体方法为：

将试样在真空饱和器内抽真空饱和，此时限制试样膨胀，保持体积恒定，真空饱和完成后，再施加与法向应力等效的荷载浸水饱和96h；然后，将充分吸水膨胀饱和试样置于40℃鼓风干燥烘箱中干燥36h，使饱和试样干燥至恒重；重复上述两个步骤多次，直至达到预定的干湿循环次数。

进一步，步骤二中所述的法向应力为5kPa、15kPa、30kPa、50kPa、100kPa、200kPa和300kPa；预定的干湿循环次数，根据实际情况取4～8次。

进一步，步骤三中所述试样饱和固结条件为试样的垂直变形等于或小于0.003mm/h。

进一步，步骤四中所述测力环选择是当垂直压力为5kPa、15kPa和30kPa时，选择的测力环最大量程为0.1kN，精度为0.0025kN；其它各垂直压力抗剪强度测试时采用规范常用测力环；恒定速度为0.01mm/h，以保证试样为排水剪切条件，也可根据膨胀土粘粒含量及胀缩等级选择更小值。

进一步，步骤五中所述改进幂函数为实际操作为将试验测试结果输入origin软件中，自定义上述改进幂函数，以有效法向应力σ为横坐标，抗剪强度τ为纵坐标，采用最小二乘法进行拟合，获得(A，n，T)三参数。

式中：τ是抗剪强度；σ是有效法向应力；P_a是大气压力；(A，n，T)是拟合参数。

进一步，采用极限平衡法分析边坡稳定性，运用geoslope软件自带的非线性强度参数分析功能基于以下两式，获得不同有效法向应力下不同条块土体抗剪强度参数的有效粘聚力c和有效摩擦角：