(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 路橋與港航工程學(xué)院，南京 211188)

1 研究背景

膨脹土以顆粒高分散性的黏土礦物為主要成分，土體富含親水性礦物成分，對(duì)環(huán)境的濕熱變化極其敏感,導(dǎo)致其力學(xué)性能極易受季節(jié)氣候變化影響。表現(xiàn)為隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，力學(xué)性能逐漸劣化,而土體性能劣化造成了膨脹土地區(qū)路堤及邊坡的破壞，因此，開(kāi)展干濕循環(huán)作用下膨脹土力學(xué)特征研究對(duì)膨脹土地區(qū)路基和邊坡治理極為重要。

近些年來(lái)，黃震等[1]、肖杰等[2]通過(guò)設(shè)置等幅度的干濕循環(huán)及低應(yīng)力的干濕循環(huán)試驗(yàn)條件，對(duì)膨脹土在干濕循環(huán)作用下的強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究，研究結(jié)論表明土體在低應(yīng)力及等干濕循環(huán)幅度下的強(qiáng)度特征與采用試驗(yàn)規(guī)范方法得到的強(qiáng)度特征具有明顯的差異，楊和平等[3]對(duì)位于南寧外環(huán)公路的膨脹土進(jìn)行了大量干濕循環(huán)的直剪試驗(yàn)研究，研究表明土體的凝聚力隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，荷載對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的衰減具有明顯的影響。呂海波等[4-5]進(jìn)行了控制干濕循環(huán)幅度的干濕循環(huán)試驗(yàn)，結(jié)果顯示，抗剪強(qiáng)度的穩(wěn)定值及達(dá)到穩(wěn)定的干濕循環(huán)次數(shù)均隨著干濕循環(huán)幅度的增大而減小，采用S型曲線可以較好地?cái)M合脹縮性土凝聚力與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。邊加敏[6]根據(jù)膨脹土的膨脹變形建立了膨脹土的膨脹變形模式。

可以看出，現(xiàn)有研究主要從設(shè)置試驗(yàn)條件出發(fā)對(duì)膨脹土在干濕循環(huán)作用下抗剪強(qiáng)度進(jìn)行研究，但這些結(jié)論主要針對(duì)單一干密度土體進(jìn)行研究，對(duì)不同干密度土體經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)后直剪強(qiáng)度特性的對(duì)比較少，本文選擇2種干密度的膨脹土進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)干濕循環(huán)試驗(yàn)后的直剪強(qiáng)度特征進(jìn)行分析。

2 土樣參數(shù)及試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料的基本性質(zhì)

試驗(yàn)用土取自南京高淳胥河邊坡的素膨脹土，取土深度為1.0～1.5 m左右，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》 (JTG E40—2007)[7]的試驗(yàn)方法，土樣的相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)如表1及圖1，按照文獻(xiàn)[8]，判斷該土為高液限弱膨脹土。

表1 膨脹土物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of expansive soil

2.2 試驗(yàn)方案

破碎后測(cè)定土體的含水率，向土體中加入剩余的水，使得土體的含水率達(dá)到16.8%，裝入密封塑料袋中放置24 h。制作時(shí)復(fù)測(cè)含水率，當(dāng)含水率為(16.8±0.05)%認(rèn)為含水率合格。分別按照1.80,1.65 g/cm3這2種初始干密度制作小環(huán)刀樣，環(huán)刀直徑為61.8 mm，高度為20 mm。將環(huán)刀樣放入水槽中進(jìn)行浸水飽和試驗(yàn)，為防止干濕循環(huán)過(guò)程中土樣浸水崩解破壞，水槽中水體低于透水石2 mm。飽和后進(jìn)行風(fēng)干脫水，直至干燥后土體的含水率為(16.8±0.05)%時(shí)停止，分別進(jìn)行0～4次干濕循環(huán)試驗(yàn)。每種干密度有20個(gè)小環(huán)刀試樣，放入直剪儀中進(jìn)行快剪試驗(yàn)，進(jìn)行快剪試驗(yàn)時(shí)土體的上覆壓力分別選擇50,100,150,200 kPa，浸水后的土樣如圖2。

圖1顆粒級(jí)配圖

Fig.1Particlesizedistribution

圖2浸水后的土樣

Fig.2Soilspecimensafterwaterimmersion

試驗(yàn)中，可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果求出凝聚力和剪應(yīng)力。其中不同干濕循環(huán)次數(shù)下凝聚力的絕對(duì)衰減率δc的計(jì)算公式為

(1)

式中：c0，ci為第0次、第i次干濕循環(huán)時(shí)土體的最大剪應(yīng)力。

不同干濕循環(huán)次數(shù)下土體抗剪強(qiáng)度的衰減率δτ為

(2)

式中：τ0，τi為第0次、第i次干濕循環(huán)時(shí)土體的最大剪應(yīng)力。

3 土樣裂縫開(kāi)展

圖3為試驗(yàn)中干密度為1.80 g/cm3的土樣在第1次至第4次干濕循環(huán)時(shí)土樣的典型裂縫變化狀態(tài)。

由圖3可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加, 土體裂縫的寬度、深度不斷增加。第1次浸水飽和后，土體沒(méi)有出現(xiàn)裂縫，土體出現(xiàn)明顯的膨脹凸起現(xiàn)象；第1次風(fēng)干收縮后，土體邊緣出現(xiàn)了少量的裂縫，有些區(qū)域裂縫較寬，邊緣其余地方存在微裂隙，土體原有的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一定的破壞。第2次飽和后，土體裂隙明顯收窄，但沒(méi)有完全愈合，在原裂縫處仍存在微裂隙；第2次風(fēng)干后，土體的裂隙在原有裂隙的基礎(chǔ)上明顯朝土樣中部擴(kuò)展，邊緣出現(xiàn)了較多的微裂隙。第3次飽和后，土體的裂隙明顯收窄，在原裂隙處出現(xiàn)了一定的土體剝離破壞現(xiàn)象；第3次風(fēng)干時(shí)，土體原有裂縫寬度進(jìn)一步開(kāi)展，主裂縫的形狀基本保持不變。第4次飽和時(shí)，土體裂隙愈合不完全，沿著裂隙處存在明顯的土體剝離現(xiàn)象；第4次風(fēng)干時(shí)，土體裂隙寬度及形狀與第3次風(fēng)干后變化不明顯。其原因在于土體蒸發(fā)脫濕的過(guò)程中，土體不同部位之間的脫濕速度不同，造成了土體表面與土體內(nèi)部的含水率存在明顯的含水率梯度。

圖3不同次數(shù)干濕循環(huán)過(guò)程裂縫變化

Fig.3Developmentofcracksunderdifferentdry-wetcycles

4 直剪試驗(yàn)的結(jié)果與分析

4.1 土體剪應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果分析

將不同干濕循環(huán)次數(shù)下的土體分別在50,100,150,200 kPa的荷載作用下進(jìn)行直剪試驗(yàn)，限于文章篇幅，僅將干密度為1.80 g/cm3土樣的直剪試驗(yàn)結(jié)果列出，如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，不同上覆壓力下的應(yīng)力-位移曲線均呈現(xiàn)出明顯的位移軟化特征。在相同的干濕循環(huán)次數(shù)下，最大剪應(yīng)力隨著上覆壓力的增大而逐漸增大。原因?yàn)橥馏w受剪時(shí)，由于土體排列緊密，一部分土體顆粒翻過(guò)另一部分顆粒而產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)時(shí)，需要克服較大的“咬合”作用力，因而表現(xiàn)出較大的抗剪強(qiáng)度，當(dāng)土體顆粒一旦繞過(guò)另一部分土體顆粒時(shí)，結(jié)構(gòu)變松，抗剪能力減弱，表現(xiàn)為軟化特性。將2種干密度土樣在0～4次干濕循環(huán)時(shí)的最大剪應(yīng)力分別列于表2。

圖4不同干濕循環(huán)次數(shù)剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線(1.80g/cm3)
Fig.4Relationshipbetweenshearstressandsheardisplacementunderdifferentdry-wetcycles(1.80g/cm3)

表2 不同上覆壓力下的抗剪強(qiáng)度Table 2 Shear strength under different overburden pressures

由表2可見(jiàn)：在相同的干濕循環(huán)次數(shù)下，土體的抗剪強(qiáng)度均隨著上覆壓力的增大而增大；干密度越大，抗剪強(qiáng)度越大。這是由于干密度越大，土體粒間的水膜越薄，原始凝聚力增大。不同干濕循環(huán)次數(shù)下的抗剪強(qiáng)度與上覆壓力的關(guān)系如圖5所示。

圖5上覆壓力與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

Fig.5Relationshipbetweenoverburdenpressureandshearstrength

由圖5可見(jiàn)，2種干密度的土體在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的抗剪強(qiáng)度均隨著上覆壓力的增大而增大，呈現(xiàn)明顯的線性特征，線性擬合后的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.95以上。這表明在相對(duì)較高的上覆壓力作用下，采用線性擬合的方式確定凝聚力與內(nèi)摩擦角具有一定的可靠性。

4.2 土體凝聚力試驗(yàn)結(jié)果分析

將土樣線性擬合后獲取的不同干濕循環(huán)次數(shù)的凝聚力繪于圖6。

圖6凝聚力與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

Fig.6Relationshipbetweencohesionanddry-wetcycle

由圖6可見(jiàn)，2種干密度土體的凝聚力均隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，干密度為1.80 g/cm3的土體在干濕循環(huán)次數(shù)為1，2，3，4時(shí)的凝聚力絕對(duì)衰減率差值分別為30.9%,21.2%,17.2%,9.0%；干密度為1.65 g/cm3的土體在干濕循環(huán)次數(shù)為1，2，3，4時(shí)的凝聚力絕對(duì)衰減率差值分別為49.3%,17.5%,8.7%,5.6%?？梢?jiàn)，第1次干濕循環(huán)時(shí)土體的凝聚力降低幅度最大，隨后隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加凝聚力的衰減率逐漸減小。干密度為1.65 g/cm3的土體經(jīng)過(guò)4次干濕循環(huán)后凝聚力絕對(duì)衰減率的差值為5.6%，基本接近穩(wěn)定，而對(duì)于干密度為1.80 g/cm3的土體，經(jīng)過(guò)4次干濕循環(huán)后土體的凝聚力絕對(duì)衰減率差值為9.0%，仍然沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定值。這表明在相同的干濕循環(huán)試驗(yàn)條件下，不同干密度的土體達(dá)到凝聚力穩(wěn)定的干濕循環(huán)次數(shù)不同。干密度越大，達(dá)到凝聚力穩(wěn)定值的干濕循環(huán)次數(shù)越多。

土體干濕循環(huán)過(guò)程中凝聚力降低的根本原因是由干濕循環(huán)過(guò)程中裂縫的開(kāi)展，結(jié)合上文土體裂隙的開(kāi)展過(guò)程可以看出，凝聚力絕對(duì)衰減率穩(wěn)定所需的干濕循環(huán)次數(shù)與土體開(kāi)裂所需的干濕循環(huán)穩(wěn)定次數(shù)基本一致，從另一方面驗(yàn)證了文獻(xiàn)[9]的研究結(jié)論。文獻(xiàn)[4]通過(guò)汞試驗(yàn)研究干濕循環(huán)后土體的微孔隙特征，得出干濕循環(huán)后膨脹性土體強(qiáng)度降低的主要原因是干濕循環(huán)效應(yīng)使得土體內(nèi)部的顆粒間黏結(jié)產(chǎn)生了不可逆損傷，土體凝聚力的降低是微結(jié)構(gòu)劣化的結(jié)果。2種結(jié)論并無(wú)本質(zhì)的差異，認(rèn)為由于裂隙開(kāi)展導(dǎo)致土體凝聚力的降低主要從宏觀角度分析，而認(rèn)為土體凝聚力降低是微結(jié)構(gòu)劣化的結(jié)果則是從微觀方面分析。事實(shí)上，土體裂隙開(kāi)展的主要原因之一也是土體干濕循環(huán)過(guò)程中土體顆粒產(chǎn)生不可逆的損傷。

由圖6還可以看出，干密度越大，土體的凝聚力越大，但不同干密度的土體經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的干濕循環(huán)后，土體的凝聚力逐漸接近，在0-4次干濕循環(huán)下，2種干密度的凝聚力差值分別為26,19.5,15.5,6.5，3 kPa?？梢?jiàn)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同干密度土體的凝聚力差值逐漸減小，至第4次干濕循環(huán)時(shí)2種干密度凝聚力的差值只有3 kPa?？紤]到干密度為1.80 g/cm3的土體在第4次干濕循環(huán)時(shí)凝聚力還未完全穩(wěn)定，表明不同干密度的土體經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的干濕循環(huán)后土體的凝聚力逐漸趨于同一值，這是由于經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的干濕循環(huán)后，土體的干密度逐漸趨于穩(wěn)定造成的。國(guó)外學(xué)者Basma等[10]和Tripathy等[11]發(fā)現(xiàn)在相同的固結(jié)壓力下，經(jīng)過(guò)一定的干濕循環(huán)次數(shù)后，土體的干密度保持不變，且此干密度與土樣的初始干密度無(wú)關(guān)，證明了本試驗(yàn)出現(xiàn)的現(xiàn)象的合理性。

這種現(xiàn)象的出現(xiàn)可以采用以下理論解釋，膨脹土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)具有典型的雙尺度特性，即土體內(nèi)部雙重結(jié)構(gòu)可以采用圖7表示。

(a)微觀結(jié)構(gòu)和微觀孔隙 (b)宏觀結(jié)構(gòu)和宏觀孔隙

圖7膨脹土的雙重結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.7Illustrationofdual-structureofexpansivesoil

膨脹土干濕循環(huán)中體積變化的原因?yàn)榧垠w單元由于含水率變化而引起土體顆粒的膨脹與崩解或收縮與聚合，體積變化是這種結(jié)構(gòu)變化在宏觀上的表現(xiàn)。對(duì)于干密度較小的土樣，土顆粒集聚體之間存在大空隙，集聚體的膨脹與崩解作用將引起土體宏觀大孔隙的減小，土體的膨脹更多是由于水嵌入土體空隙及集聚體內(nèi)部而造成，因此，膨脹變形較小。而對(duì)于干密度較大的土樣，在浸水吸濕過(guò)程中，土體的吸力減小，導(dǎo)致集聚體單元有效應(yīng)力降低，在集聚體內(nèi)部因吸附水的作用使得集聚體的體積變大，進(jìn)而產(chǎn)生膨脹作用。在土顆粒的膨脹過(guò)程中，部分較大的集聚體崩解為較小的集聚體，對(duì)于處于緊密狀態(tài)的膨脹土土樣，土體顆粒的崩解及膨脹均可以造成土體宏觀體積的增大，進(jìn)而產(chǎn)生膨脹效應(yīng)。

在脫濕的過(guò)程中，土顆粒的吸力增大，作用于集聚體單元的有效應(yīng)力升高，導(dǎo)致集聚體單元內(nèi)孔隙減小，使得土顆粒集聚體本身的體積變小，部分集聚體在較大的壓力或者持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的壓力作用下將聚集為更大的集聚體。脫濕過(guò)程中顆粒的集聚及收縮均會(huì)導(dǎo)致土體宏觀體積減小，產(chǎn)生干縮或者壓縮特性。經(jīng)過(guò)多次干濕循環(huán)后，土體的顆粒逐漸由較大的顆粒分解為較小的顆粒，由集聚體顆粒重排列引起的不可逆的土體變形逐漸減小，經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的干濕循環(huán)后，由土體顆粒的崩解引起的重新排列對(duì)土體體積的影響逐漸減小，最后保持不變。由集聚體顆粒之間重排列引起的土體體積變化見(jiàn)圖8，因此，對(duì)于不同干密度的土體，在一定的干濕循環(huán)次數(shù)下，土體的最終穩(wěn)定干密度達(dá)到穩(wěn)定值，穩(wěn)定干密度的大小與初始干密度無(wú)關(guān)，而與固結(jié)壓力有關(guān)，這在文獻(xiàn)[10-11]中得到驗(yàn)證。

圖8集聚體干濕循環(huán)顆粒重排列

Fig.8Rearrangementofparticlesafterdry-wetcycles

4.3 土體內(nèi)摩擦角試驗(yàn)結(jié)果分析

以干濕循環(huán)次數(shù)為橫坐標(biāo)，內(nèi)摩擦角為縱坐標(biāo)，將2種干密度土體所測(cè)得的內(nèi)摩擦角與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系繪于圖9。

圖9內(nèi)摩擦角與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

Fig.9Relationshipbetweeninternalfrictionangleanddry-wetcycle

由圖9可知，內(nèi)摩擦角與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系的規(guī)律性不明顯，本文試驗(yàn)土樣的內(nèi)摩擦角均在19°～23°之間，總體而言，土體的內(nèi)摩擦角均存在隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，黃震等[1]、韋秉旭等[2]也得出了類似的結(jié)論，可以從土體自身性質(zhì)和試驗(yàn)本身2方面解釋其原因。

(1)從土體自身性質(zhì)來(lái)看：①對(duì)連續(xù)完整土體，影響土體內(nèi)摩擦角的主要因素有初始含水率、孔隙比及顆粒組成，對(duì)于制樣含水率相同的土體來(lái)說(shuō)，決定土體內(nèi)摩擦角的主要因素為孔隙比及顆粒組成，干濕循環(huán)后土體的體積逐漸減小，孔隙比減小，內(nèi)摩擦角增大；②干濕循環(huán)后土體顆粒發(fā)生了一定程度的重組，顆粒分布逐漸趨于穩(wěn)定，由顆粒重組造成的內(nèi)摩擦角的變化與干密度的變化密切相關(guān)；③土體干濕循環(huán)后的裂隙擴(kuò)展較大，土體裂隙的擴(kuò)展對(duì)于土體內(nèi)摩擦角具有明顯的減小作用。以上幾種因素對(duì)內(nèi)摩擦角影響的相對(duì)大小決定了土體最終內(nèi)摩擦角，因此，內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)呈現(xiàn)的變化規(guī)律性不明顯。

(2)從試驗(yàn)本身來(lái)看，內(nèi)摩擦角的測(cè)定具有一定的尺寸效應(yīng)，對(duì)于有結(jié)構(gòu)、構(gòu)造且各向異性的膨脹土，小尺寸試件的試驗(yàn)結(jié)果較難完全反映其真實(shí)的內(nèi)摩擦角狀態(tài)。

4.4 上覆荷載對(duì)抗剪強(qiáng)度衰減的影響

2種干密度的土體在上覆壓力下不同上覆壓力下的剪應(yīng)力衰減率與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖10所示。

圖10不同上覆壓力下的剪應(yīng)力衰減率與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

Fig.10Relationshipbetweendecayrateofshearstressanddry-wetcycleunderdifferentoverburdenpressures

由圖10可以看出，相同的干密度下，土體的剪應(yīng)力衰減率隨著上覆壓力的增大逐漸減小。干密度為1.65 g/cm3的土體第4次干濕循環(huán)時(shí)，上覆壓力50 kPa下的剪應(yīng)力衰減率比200 kPa大21%，干密度為1.80 g/cm3土體第3次干濕循環(huán)時(shí)，上覆壓力50 kPa下的剪應(yīng)力衰減率比200 kPa大17%，這表明直剪試驗(yàn)所使用的上覆壓力對(duì)于膨脹土干濕循環(huán)剪應(yīng)力測(cè)定的衰減約束作用十分明顯。楊和平等[3]對(duì)邊坡破壞的深度進(jìn)行分析，指出膨脹土低應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度更能反映土體抗剪強(qiáng)度的實(shí)際狀態(tài)，干濕循環(huán)過(guò)程中的上覆荷載對(duì)于土體強(qiáng)度的衰減具有明顯的約束作用。結(jié)合本文的研究結(jié)論，可見(jiàn)荷載對(duì)于土體的干濕循環(huán)強(qiáng)度衰減具有較大的影響，干濕循環(huán)及試驗(yàn)過(guò)程中的約束荷載越小，干濕循環(huán)對(duì)土體強(qiáng)度的衰減影響越大。在進(jìn)行膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，應(yīng)采用低上覆壓力下的干濕循環(huán)直剪強(qiáng)度參數(shù)，使得分析結(jié)果更符合土體破壞的實(shí)際狀態(tài)。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)2種干密度的膨脹土土樣進(jìn)行0-4次的干濕循環(huán)試驗(yàn)，分析了不同干濕循環(huán)次數(shù)下不同干密度土體的直剪強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度參數(shù)，得到了以下主要結(jié)論：

(1)在不同的干濕循環(huán)次數(shù)下，土體的裂隙擴(kuò)展具有不可逆性，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體的新裂隙不斷生成，原有裂隙不斷拓寬增長(zhǎng)。

(2)土體的凝聚力隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加不斷降低，不同干密度的土體經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的干濕循環(huán)后，土體的凝聚力差值逐漸減小，干濕循環(huán)后的穩(wěn)定凝聚力逐漸趨于一致。

(3)干濕循環(huán)與土體內(nèi)摩擦角關(guān)系的規(guī)律性不明顯，本文試驗(yàn)用土在不同干濕循環(huán)次數(shù)下，土體的內(nèi)摩擦角均處于19°～23°范圍內(nèi)。

(4)直剪試驗(yàn)時(shí)的上覆壓力對(duì)于不同干濕循環(huán)次數(shù)的剪應(yīng)力衰減的抑制作用十分明顯，上覆荷載越大，抗剪強(qiáng)度的衰減率越低，在脹縮性土的邊坡穩(wěn)定性分析中,采用低應(yīng)力下的直剪強(qiáng)度參數(shù)作為分析參數(shù)可更準(zhǔn)確反映出干濕循環(huán)對(duì)于土體直剪強(qiáng)度的影響。

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