劉敏捷，姚志華，覃小華，汪龍

(1中鐵二十二局集團(tuán)第二工程有限公司，北京100043；2后勤工程學(xué)院軍事建筑工程系，重慶401331；3巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶401331)

膨脹土對(duì)外界濕度的變化非常敏感，隨著濕度的變化而出現(xiàn)膨脹力，或者出現(xiàn)失水收縮并伴隨裂縫產(chǎn)生[1-2]。這主要由于膨脹土由強(qiáng)親水性礦物蒙脫石和伊利石組成，使其具備了超固結(jié)性、脹縮性和裂隙性3種獨(dú)特的力學(xué)特性[3-4]。膨脹土工程問題已經(jīng)成為一個(gè)世界難題，而工程中出現(xiàn)的問題往往由于水滲入膨脹土土體引發(fā)濕脹作用產(chǎn)生、又隨著水分逐漸散失而引起土體干縮。往復(fù)的干濕循環(huán)導(dǎo)致裂隙的產(chǎn)生和閉合，再加之雨水侵蝕，從而引發(fā)大量的膨脹土地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施破壞。

Alonso和Gens等人的非飽和土彈塑性模型[5]和膨脹土彈塑性模型框架(BExM)[6]，均利用屈服特性及臨界狀態(tài)概念先后建立。陳正漢等[7]通過試驗(yàn)改進(jìn)了Barcelona模型，并確定三軸剪切條件下的屈服應(yīng)力的新方法，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料建立了一個(gè)考慮剪切因素的土水特征曲線；黃海等[8]通過試驗(yàn)提出了LC和SI屈服曲線為一條統(tǒng)一的屈服線，對(duì)非飽和土的屈服特性進(jìn)行新的認(rèn)識(shí)。然而，脹縮性和裂隙性如何影響膨脹土的屈服以及水量變化特性，這方面的研究還很少見。

本文著力研究結(jié)構(gòu)損傷對(duì)屈服和水量變化的影響，以后勤工程學(xué)院研制成功的非飽和土多功能土工三軸儀為工具，首先對(duì)膨脹土進(jìn)行制造結(jié)構(gòu)損傷的干濕循環(huán)試驗(yàn)，再對(duì)損傷后的膨脹土試樣進(jìn)行等吸力條件下各向等壓加載試驗(yàn)，尋求干濕循環(huán)對(duì)其屈服和水量變化的影響，并對(duì)同一干濕循環(huán)和不同吸力條件下的膨脹土屈服和水量變化特性進(jìn)行比較，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和了解非飽和膨脹土物理力學(xué)特性提供一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 符號(hào)說明

本文采用非飽和土力學(xué)中的雙應(yīng)力狀態(tài)變量，即凈總應(yīng)力張量(σij-uaδij)和吸力張量(ua-uw)δij，(σij，ua和uw分別代表總應(yīng)力張量，孔隙氣壓力和和隙水壓力，δij是Kronecker記號(hào))。凈總應(yīng)力和吸力分別由以下2式代表：

式中，為凈平均應(yīng)力，為吸力；，和分別是3個(gè)方向的主應(yīng)力。表示試樣的體應(yīng)變，表示水的體變，其定義如下：

式中，△V為加載前后試樣體積之差，△Vw為試樣加載前后的水相體積變化，V0為試樣對(duì)應(yīng)的原始體積。

試驗(yàn)體變和水相體變與試樣比容及含水率通過式(5)和(6)聯(lián)系，即：

式中，e0是試樣的初始孔隙比，w0為初始含水率，Gs為土粒的相對(duì)密度。

1.2 試驗(yàn)方案制定和制樣方法

本文所用膨脹土取自南水北調(diào)中線工程陶岔引水渠坡，過2mm篩后，配制初始含水率為26.55%。重塑制樣后的試樣直徑為3.91cm，高度為8cm，試樣初始干密度控制在1.5g/cm3，土粒相對(duì)密度2.73。

首先對(duì)重塑試樣進(jìn)行干濕循環(huán)，控制烘箱溫度始終為為35℃，在無鼓風(fēng)狀態(tài)下干燥24h；試樣增濕控制時(shí)，飽和度始終為88.58%。試樣增濕至目標(biāo)飽和度要通過多次增濕，直至試樣體積變化趨于穩(wěn)定，且達(dá)到飽和度要求。增濕時(shí)必須將試樣放在保濕罐中72h以上，已達(dá)到水分充分均勻。

以多功能土工三軸儀為研究工具[9](如圖1所示)，以6個(gè)重塑膨脹土試樣為對(duì)象，進(jìn)行不同干濕循環(huán)次數(shù)和控制吸力以及凈平均應(yīng)力為常數(shù)的各向等壓加載試驗(yàn)，試驗(yàn)方案的選定以及試樣初始狀態(tài)參數(shù)參見表1。對(duì)0#試樣以及進(jìn)行干濕循環(huán)1次、2次、3次和4次的1至4#試樣分別進(jìn)行控制吸力為50kPa的各向等壓加載試驗(yàn)，而對(duì)5號(hào)試樣干濕循環(huán)4次并進(jìn)行控制吸力為100kPa的各向等壓加載試驗(yàn)。凈平均應(yīng)力分級(jí)施加，施加的應(yīng)力分別是25、50、75、100、150、200、250和350kPa，荷載穩(wěn)定后同時(shí)記錄試樣的變形和排水量。試驗(yàn)過程中排水孔隙水壓力始終為0，所以試驗(yàn)只需控制凈圍壓。表中0#試樣為無干濕循環(huán)的初始試樣，即為初始的重塑狀態(tài)。

圖1 非飽和土多功能土工三軸儀

表1 試樣方案選定和初始狀態(tài)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)穩(wěn)定規(guī)定和校正排水量誤差

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)著作，各向等壓加載試驗(yàn)采用的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為：在2h內(nèi)，試樣的體變小于0.0063cm3，排水量小于0.012cm3。各向等壓加載試驗(yàn)試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，完成一個(gè)試驗(yàn)大約需要半月左右(表2)。

表2 試驗(yàn)過程中的排水量與校正值的比較[13]

較長(zhǎng)的試驗(yàn)周期勢(shì)必導(dǎo)致水中溶解的氣體在陶土板底部出現(xiàn)，多余的氣體會(huì)阻礙水分的順暢排出，記錄含水率時(shí)必須對(duì)排水量測(cè)值進(jìn)行校正。試驗(yàn)結(jié)束后，將試樣切為3段，快速量測(cè)各段的含水率，將其平均值作為校正標(biāo)準(zhǔn)。通過計(jì)算得到試樣的實(shí)際排水量，即可以得到校正值。各個(gè)試樣的含水率校正值如表2所示。本文均將校核值作為分析水量變化特征的基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 干濕循環(huán)宏觀反映分析

圖2 3#試樣干濕循環(huán)過程后的形態(tài)

圖2(a)和(b)分別是3#試樣增濕和烘干時(shí)的狀態(tài)，限于篇幅本文不再列出其他試樣干濕循環(huán)過程圖片?？傮w來看，試樣產(chǎn)生的裂隙主要集中在表層，這與試樣水份蒸發(fā)有關(guān)；這也與實(shí)際情況完全符合，膨脹土地區(qū)土樣水份先通過地表蒸發(fā)，會(huì)產(chǎn)生大量的微裂紋，地表處最先遭到破壞，從而產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生開裂現(xiàn)象時(shí)，初始裂隙延伸較短，開裂深度較淺；隨著濕干循環(huán)的進(jìn)行，原有的主裂隙不斷擴(kuò)大并向試樣內(nèi)部不斷深入，在原有裂隙周邊產(chǎn)生新的次生裂隙向四周擴(kuò)散，次生裂隙的規(guī)模要小于主裂隙。主裂隙和次生裂隙在濕干循環(huán)過程中不斷擴(kuò)展、擴(kuò)散直至貫通。從以上分析來看，干濕循環(huán)過程中試樣裂隙產(chǎn)生呈現(xiàn)隨機(jī)性和不規(guī)則性。

加水和失水導(dǎo)致膨脹和收縮對(duì)膨脹土裂隙的產(chǎn)生及閉合均產(chǎn)生較大影響。隨干濕循環(huán)過程，主裂隙不斷擴(kuò)展并向試樣內(nèi)部不斷楔入，次生裂隙逐漸形成葉脈狀并連接構(gòu)成網(wǎng)格狀分布。在無約束條件下，試樣浸濕和干燥都能引發(fā)裂隙的產(chǎn)生和閉合；試樣增濕過程小裂隙會(huì)閉合，大裂隙會(huì)擴(kuò)展；干燥過程小裂隙會(huì)擴(kuò)展，而大裂隙會(huì)收縮變窄。烘干后的試樣水份大量消散，試樣表面存在較多裂隙，這些裂縫為下次水份進(jìn)入試樣內(nèi)部提供了便利的通道，進(jìn)而使得膨脹土表層更易吸水而產(chǎn)生軟化[10-11]。

2.2 干濕循環(huán)對(duì)屈服應(yīng)力、水量變化指標(biāo)的影響

圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)試樣的v-lgp關(guān)系(吸力50kPa)

圖3是0#至4#試樣比容與凈平均應(yīng)力(v-lgp)關(guān)系圖?？蓪⒓虞d過程中的試驗(yàn)點(diǎn)近似歸一到直線上。根據(jù)文獻(xiàn)[12]可將交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的凈平均應(yīng)力作為屈服應(yīng)力。由該圖可知，0#至4#試樣的屈服應(yīng)力分別是150.34、134.58、116.61、94.25和82.14kPa，結(jié)合以上分析可知，同一吸力條件下，伴隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，試樣屈服應(yīng)力則相應(yīng)地減小。

屈服點(diǎn)前后直線段斜率可稱為壓縮指數(shù)，通過最小二乘法擬合得到各試樣的壓縮指數(shù)，并列于表3中。由該表可知，在試樣屈服前，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加其壓縮指數(shù)的絕對(duì)值逐漸增大；當(dāng)屈服發(fā)生后，5個(gè)試樣的直線段斜率，除1#試樣外基本變化不大，由以上分析可知，干濕循環(huán)對(duì)試樣屈服后的壓縮指數(shù)沒有質(zhì)的影響[13]。

表3 與各向同性加載試驗(yàn)相關(guān)的壓縮指標(biāo)和水量指標(biāo)[13]

干濕循環(huán)次數(shù)越多，試樣結(jié)構(gòu)損傷越大，裂隙和孔隙發(fā)育越加明顯，其抵御外部荷載的能力同時(shí)減小，造成了在同一凈平均應(yīng)力作用下，試樣變形越大，這也是屈服前干濕循環(huán)次數(shù)較多試樣壓縮指數(shù)偏大以及屈服發(fā)生提前的原因。

圖4 不同干濕循環(huán)次數(shù)試樣的εw-p和w-p關(guān)系

由圖4可知，相同吸力條件下，干濕循環(huán)對(duì)試樣的排水會(huì)產(chǎn)生一定的影響，突出表現(xiàn)在較多的干濕循環(huán)次數(shù)造成含水率下降更快。出現(xiàn)以上現(xiàn)象與試樣干濕循環(huán)次數(shù)越多含水率越大有關(guān)，并且與干濕循環(huán)次數(shù)越多、試驗(yàn)每級(jí)荷載所需時(shí)間較長(zhǎng)有關(guān)。

干濕循環(huán)次數(shù)越多，試樣結(jié)構(gòu)破壞越大，在同一吸力和凈平均應(yīng)力條件下，水分越容易沿著裂隙和孔洞流動(dòng)而被排除，這也是圖4中干濕循環(huán)次數(shù)越多的試樣排水越加容易的原因。

圖5 相同干濕循環(huán)次數(shù)不同吸力試樣的v-lgp關(guān)系

圖6 4#和5#試樣的εw-p和w-p關(guān)系

圖4表示了0#至的εw-p和w-p關(guān)系。由該圖可知水量變化指標(biāo)和體變指標(biāo)與凈平均應(yīng)力之間的關(guān)系曲線可用一條直線代替，用最小二乘法擬合直線的斜率，其值分別用λ(s)和β(s)表示并列于表3中。 λw(s)和β(s)的關(guān)系可由式(2.8)對(duì)p兩邊求導(dǎo)得來。并滿足關(guān)系式(7)：

2.3 吸力對(duì)屈服應(yīng)力、水量變化指標(biāo)的影響

本文除對(duì)比干濕循環(huán)對(duì)膨脹土力學(xué)特性的影響外，還對(duì)同一干濕循環(huán)次數(shù)不同吸力下的試樣進(jìn)行屈服和水量變化比較[13]。4#和5#試樣在干濕循環(huán)4次后進(jìn)行不同吸力下的均壓試驗(yàn)，圖5、圖6(a)和6(b)分別是兩個(gè)試樣的v-lgp、εw-p和w-p關(guān)系。由圖5可知，5#試樣屈服應(yīng)力為166.74kPa，要稍大于4#試樣的屈服應(yīng)力，這與試樣受到的吸力有關(guān)，說明了吸力越大，屈服應(yīng)力越大。

圖6與圖4較為相似，εw-p和w-p的關(guān)系也可采用直線代替，2條直線的斜率之間差距較小，由于本文只進(jìn)行了一個(gè)不同吸力以及干濕循環(huán)次數(shù)相同的均壓試驗(yàn)，故只能初步認(rèn)為相同損傷不同吸力條件下的試樣水量變化指標(biāo)和體變指標(biāo)相等(其值見表3)。

3 結(jié)語

為研究裂隙和脹縮對(duì)非飽和重塑膨脹土屈服和水量變化特性的影響，首先對(duì)重塑膨脹土試樣進(jìn)行不同次數(shù)的干濕循環(huán)，再以應(yīng)力控制式多功能土工三軸儀為工具，對(duì)干濕循環(huán)后的試樣進(jìn)行控制吸力和凈平均應(yīng)力為常數(shù)的各向等壓加載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土試樣裂隙和孔洞發(fā)育愈加明顯；裂隙和孔洞為水分的運(yùn)移提供了捷徑，使得結(jié)構(gòu)損傷越大的試樣，排水能力顯著提高；

(2)同一吸力條件下，屈服應(yīng)力隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大而減??；同一干濕循環(huán)次數(shù)條件下，試樣所受吸力越大，屈服應(yīng)力越大；

(3)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大，屈服前的壓縮指數(shù)一直增大，而屈服后的壓縮指數(shù)則近似為一常數(shù)。

[1]劉特洪.工程建設(shè)中膨脹土問題[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997：1-3.

[2]廖世文，曲永新，朱永林.全國(guó)首屆膨脹土科學(xué)研討會(huì)論文集[C].成都：西南交通大學(xué)出版社，1990：1-2.

[3]Bao C G，Ng C W W.Some Thoughts and Studies on the prediction of slope stability in expansive soils(Key-notelecture)[R].SingaPore，2000：15-31.

[4]Zhan Liangtong.Field and Laboratoy Study of an Unsaturated Expansive soil，Associated with Rain-indueed Slope Instability[D].HongKong：The Hongkong University of Science and Technology(HKUST)，2003.

[5]Alonso，E.E.，Gens，A.&Josa，A.A constitutive model for partially saturated soils[J].Geotechnique，1990，40(3)：405-430.

[6]Gens A，Alonso， E.E.A framework for the behaviour of unsaturated expansive clays[J].Canadian Geotechnique Journal，1992，29：1013-1032.

[7]陳正漢.重塑非飽和黃土的變形、強(qiáng)度、屈服和水量變化特性[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1999，21(1)：82-90.

[8]黃海，陳正漢，李剛.非飽和土在p-s平面上屈服軌跡及土-水特征曲線的探討[J].巖土力學(xué)，2000， 21(4)：316-321.

[9]陳正漢，孫樹國(guó)，方祥位，等.多功能土工三軸儀的研制及其應(yīng)用[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，23(4)：34-38.

[10]姚志華.裂隙膨脹土在三軸浸水和各向等壓加載過程中的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化特性研究[D].重慶：后勤工程學(xué)院，2009.

[11]姚志華，陳正漢，朱元青，等.膨脹土在濕干循環(huán)和三軸浸水過程中細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化的試驗(yàn)研究 [J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(1)： 68-76.

[12]Delage P，Graham J.Mechanical behaviour of unsaturated soils：Understanding the behavior of unsaturated soils requires reliable conceptual model[A].Proceedings of the First international Conference on Unsaturated Soils[C].Paris：Balkema A A.1995，3：1223-1256.

[13]姚志華，陳正漢，黃雪峰，等.結(jié)構(gòu)損傷對(duì)膨脹土屈服特性的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(7)：1503-1512.