趙靜源，張振軍，呂 高

(1.陜西職業(yè)技術學院建筑工程學院，陜西 西安 710038; 2.西安石油大學土木工程學院，陜西 西安 710065)

0 引 言

地球表面的沉積土時刻承受地下水位升降變動及降雨蒸發(fā)等因素引起的干濕循環(huán)作用，且一般情況下處于非飽和狀態(tài)。經(jīng)受干濕循環(huán)作用的土體，其物理力學特性發(fā)生很大變化，這些變化常常是永久的、不可逆的[1-3]。同時，這類非飽和土又與公路、鐵路、邊坡等實際工程問題關系密切。因此，研究干濕循環(huán)作用對非飽和土力學特性的影響具有重要理論和工程意義，特別在評價新建土工結構或既有土工結的安全及穩(wěn)定性方面尤為重要。

回顧非飽和土的力學特性受干濕循環(huán)作用影響的研究成果，國內(nèi)外學者均做了大量研究。非飽和土強度受干濕循環(huán)影響顯著，當基質(zhì)吸力一定情況下脫濕和吸濕路徑抗剪強度存在差異。徐丹等[4]通過試驗手段研究干濕循環(huán)對非飽和膨脹土抗剪強度影響，結果表明，試樣經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后,其剪切特性越來越類似于超固結土，脆性顯著增加。張俊然等[5-6]認為，干濕循環(huán)進程會導致土體產(chǎn)生最大高達38 MPa的基質(zhì)吸力，可以認為土體受到了較大的先期固結壓力，亦即經(jīng)干濕循環(huán)作用后，土體會呈現(xiàn)超固結特性，且在同一基質(zhì)吸力下，干濕循環(huán)路徑（脫濕和吸濕路徑）對土體抗剪強度影響顯著。而GUAN等[7]通過試驗得出了在經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后土體抗剪強度發(fā)生變化，且脫濕路徑比吸濕路徑抗剪強度高，這是由于土試樣在干濕循環(huán)過程中所受的最大吸力不同導致的。

一般認為，吸濕和脫濕路徑對土體力學行為有顯著影響，而控制基質(zhì)吸力常采用軸平移技術或蒸汽平衡法實現(xiàn)，干濕循環(huán)試驗則通過增、減基質(zhì)吸力的方式。然而這種試驗方式過于理想，難以模擬實際干濕循環(huán)過程，因為實際的干濕循環(huán)過程存在顯著的蒸發(fā)過程。然而上述試驗方法在模擬不同深度土體具有不同蒸發(fā)速率和土試樣內(nèi)部含水率不均勻性方面，效果并不理想。因此，目前學者開始嘗試采用更符合實際情況的風干（或烘干）方法取代上述技術來模擬非飽和土抗剪強度受干濕循環(huán)的影響。楊和平等[8]采用風干方法對膨脹土進行干濕循環(huán)作用，研究了干濕循環(huán)次數(shù)對膨脹土脹縮特性的影響。劉文化等[9-10]研究了不同初始干密度的土樣，其靜、動力學特性受干濕循環(huán)作用的影響。

綜上，干濕循環(huán)對飽和土樣的變形及強度特性影響顯著。而以往在研究干濕循環(huán)對土力學特性的影響時，一般針對粉質(zhì)黏土或膨脹土，而且試驗中往往側重于某一特定的吸力歷史條件。而廣泛分布于陜北地區(qū)的黃土，其內(nèi)部具有原生裂隙結構，受干濕循環(huán)影響更為顯著。葉萬軍等[11]采用CT掃描技術研究了陜北延安地區(qū)黃土在增濕-減濕下裂隙演化規(guī)律，但未就干濕循環(huán)對黃土抗剪特性的影響進行研究。基于此，本文以陜北典型黃土為研究對象，對經(jīng)歷干濕循環(huán)作用不同風干飽和度的黃土樣開展不排水剪切試驗。重點研究不同風干飽和度對飽和黃土樣應力—應變特性、孔隙水壓力曲線以及有效應力路徑曲線的影響，并從細觀層面進行分析。值得一提的是，本文采用風干飽和度（易量測）表征干燥過程中土樣受到的最大吸力。

1 模型試驗介紹

1.1 試驗材料及過程

試驗用土為陜北地區(qū)典型黃土，最大干密度為1.81 g/cm3，土粒比重為 2.7，塑限為 11.8%，液限為24.2%，塑性指數(shù)為12.4。試驗開始前，將從某工地現(xiàn)場取得的試驗原狀土風干，過篩孔尺寸為0.5 mm的篩，然后加入適量的水將其配置為含水率為15.9%的土試樣，覆蓋隔水膜布，在恒溫恒濕環(huán)境下悶24 h。取出土樣，采用分層擊實方法（每層為20 mm）將備好的土試樣制作為三軸土柱模型，其幾何尺寸為直徑39 mm，高80 mm。經(jīng)擊實后的三軸試樣干密度控制在1.6 g/cm3。對于干濕循環(huán)土柱試樣，先將其放置于飽和容器中，然后進行風干脫水處理，當土樣達到設計的風干飽和度（通過土樣含水率測定）后再放入真空鍋，經(jīng)歷抽真空飽和，將這一流程作為土試樣的一個干濕循環(huán)過程。

1.2 試驗內(nèi)容

如前文所述，本文采用風干終止飽和度（簡稱風干飽和度）表征土樣干濕循環(huán)歷史上受到的最大吸力。為了研究干濕循環(huán)作用對陜北黃土力學特性的影響，對3種不同風干飽和度的黃土試樣開展固結不排水剪切試驗，3種風干飽和度分別設置為20%、40%、80%，并設置一組未經(jīng)歷干濕循環(huán)的土樣作為對照試驗，對照組的風干飽和度即為100%。試驗共經(jīng)歷6次干濕循環(huán)。三軸剪切試驗儀器為蘇州昱創(chuàng)流體科技有限公司生產(chǎn)的TSZ-1型應變控制式三軸剪切滲透儀（圖1）。待試樣固結完成穩(wěn)定后，對土柱試樣施加等應變的不排水剪切作用，試驗直至軸向應變達到0.2為止，設定試驗剪切速率為0.95 mm/min。另外，為消除或減小試驗誤差給試驗結果的影響，每組工況均采用3組平行試樣，最后取其平均值作為最終試驗數(shù)據(jù)。

圖1 TSZ-1型應變控制式三軸儀

2 試驗結果分析

2.1 對應力-應變關系的影響

圖2為不同圍壓下未經(jīng)歷干濕循環(huán)的土樣和經(jīng)歷干濕循環(huán)不同風干飽和度土樣的應力-應變關系曲線。從圖中可以看出，經(jīng)干濕循環(huán)作用的不同風干飽和度的土樣在不排水剪切作用下，其應力-應變曲線表現(xiàn)出不同的形態(tài)特征。具體來看，原始土樣（未經(jīng)歷干濕循環(huán)作用的土樣）和經(jīng)干濕循環(huán)風干飽和度為80%的土樣應力應變關系呈典型的應變硬化特征，即應力隨應變呈正相關關系。風干飽和度為40%的土樣，其應力-應變關系從應變硬化逐漸轉變?yōu)閼冘浕?。而當風干飽和度為20%時，該土樣的應力-應變曲線表現(xiàn)出明顯的應變軟化特征。當圍壓一定情況下，對比經(jīng)干濕循環(huán)作用不同風干飽和度的土樣應力-應變曲線，還可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷干濕循環(huán)作用的土樣初始剪切剛度均較原始土樣要高，且隨著風干飽和度的降低（最大吸力的增大），土樣初始剪切剛度越大。而伴隨不排水剪切作用的發(fā)展，經(jīng)干濕循環(huán)作用的土樣，其殘余強度比原始土樣要小，且土樣的殘余強度隨風干飽和度的降低而呈減小的趨勢。

圖2 不同圍壓下未經(jīng)歷干濕循環(huán)的土樣和經(jīng)歷干濕循環(huán)不同風干飽和度土樣的應力-應變關系曲線

2.2 對孔隙水壓力的影響

由于在不排水條件下土樣剪脹性可通過孔隙水壓力的發(fā)展變化得以體現(xiàn)，因此孔隙水壓力的變化規(guī)律也間接反映了土試樣的剪脹和強度特性。圖3表示不同圍壓下經(jīng)歷干濕循環(huán)后得到的不同風干飽和度試樣在固結不排水剪切過程中孔隙水壓力的變化規(guī)律，并與原始試樣進行對比。從圖中可以看出，在剪切試驗初始階段，經(jīng)歷干濕循環(huán)的土樣孔隙水壓力小于原始試樣孔壓。隨著剪切過程的進行，不同試樣開始表現(xiàn)出明顯迥異的變化趨勢。對于原始土樣與風干飽和度為80%的試樣，其孔隙水壓力曲線隨軸向應變的增大呈先增后減的規(guī)律，且存在一個峰值；而風干飽和度為80%的土樣，其孔隙水壓降低速率比原始土樣要慢；對于風干飽和度為40%和20%的土樣，其孔隙水壓在不排水固結剪切過程中則呈現(xiàn)逐漸增長的變化趨勢，且初期（軸向應變在3%～5%之前）的增長速率較大，后期增長則逐漸趨于平緩。在后期的平緩階段，經(jīng)歷干濕循環(huán)作用的試樣，其孔隙水壓力曲線處于原始試樣孔壓曲線上方，且剪切破壞時的最大孔隙水壓力隨風干飽和度的減小（最大吸力的增大）而增大。這意味著在試樣受剪切過程中，未出現(xiàn)負孔隙水壓力，土樣剪脹性受到抑制，反而表現(xiàn)出剪縮特性。這是由于干濕循環(huán)使土顆粒聚集體產(chǎn)生微裂縫，在剪應力作用下破碎顆粒對孔隙進行充填，從而導致黃土樣受剪下出現(xiàn)剪縮現(xiàn)象，下文將詳細描述。

圖3 不同圍壓下未經(jīng)歷干濕循環(huán)的土樣和經(jīng)歷干濕循作用不同風干飽和度土樣的孔隙水壓力圖

2.3 對有效應力路徑的影響

土的有效應力路徑能直觀地反映土體的變形和強度特征。不排水剪切試樣在不同圍壓下的有效應力路徑如圖4所示。從圖中可以看出，原始土樣和經(jīng)干濕循環(huán)作用風干飽和度為80%的土樣，其有效應力路徑曲線均近似呈“S”型，存在一個明顯特征點（反彎點），在該特征點前后表現(xiàn)出迥異的有效應力路徑形式。在反彎點之前有效應力路徑曲線為近似圓弧，而在之后為近似直線。經(jīng)干濕循環(huán)作用風干飽和度為40%和20%的試樣，其應力路徑曲線在不排水剪切初期呈近似線性發(fā)展（朝右上方），而當土樣有效應力抵達峰值后曲線朝左下方發(fā)展，明顯轉折點，該點后曲線呈線性關系。從圖中還可以看出，隨著干濕循環(huán)后土樣風干飽和度的減?。ㄗ畲笪Φ脑龃螅溆行β窂角€存在向右偏移的趨勢。

圖4 不同圍壓下未經(jīng)歷干濕循環(huán)的土樣和經(jīng)歷干濕循作用不同風干飽和度土樣有效應力路徑

結合應力-應變曲線和孔隙水壓曲線，在初始不排水剪切階段，經(jīng)干濕循環(huán)作用的試樣，其應力-應變曲線位于未經(jīng)干濕循環(huán)的原始土樣的上方，初始剛度也比原始土樣大，且風干飽和度越低，初始剪切剛度越大；同時，在剪切初始階段，經(jīng)干濕循環(huán)的土樣孔隙水壓力小于原始土樣。這意味著在剪切初始階段，經(jīng)干濕循環(huán)作用的土樣，受到的平均有效應力大于原始土樣，經(jīng)干濕循環(huán)土樣的有效應力路徑曲線也位于原始土樣右側，且隨風干飽和度的減小土樣應力路徑曲線呈逐漸右移的趨勢。隨著不排水剪切的進程，經(jīng)干濕循環(huán)作用風干飽和度為40%和20%的土樣表現(xiàn)明顯的應力軟化特性，與此同時土樣孔隙水壓力繼續(xù)增大，有效應力減小，從而導致有效應力路徑曲線逐漸朝著偏應力和平均有效應力減小的方向偏移。

2.4 試驗機理分析

土試樣在干燥作用下內(nèi)部產(chǎn)生負孔隙水壓力（即吸力）。結合Bishop針對非飽和土有效應力理論，土樣在干燥過程會導致有效應力增大，因此在干濕循環(huán)過程土的密實度會發(fā)生變化，即不可逆變化的體積壓縮，土體孔隙比減小，土顆粒更加緊密，粒間力也得到增強，從而使得土的抗剪強度和初始剛度均增大[12-14]。并且，土樣干燥過程中終止飽和度越小，其有效應力越大，密實度也就越大。對于飽和土樣，由于土孔隙均被孔隙水填充，土中孔隙水的體積和孔隙的體積相等，因此通過測量飽和土樣經(jīng)歷反復干濕循環(huán)作用前后的質(zhì)量差（減少的質(zhì)量）間接計算出土樣孔隙體積的變化量。為便于計算，本文確定水的密度為1.0 g/cm3，經(jīng)干濕循環(huán)后飽和土樣的質(zhì)量差即為孔隙壓縮量，土樣在干濕循環(huán)后的體積變化可采用下式進行計算：

式中：εV——土樣經(jīng)干濕循環(huán)的體應變；

V0——土樣試驗前的初始體積，與飽和器的容積相等，其大小為 96 cm3；

V——土樣處于飽和狀態(tài)的體積。

干濕循環(huán)作用（循環(huán)次數(shù)為6次）引起不同風干飽和度下土樣的體積變化如圖5所示。從圖中可以看出，干濕循環(huán)作用對黃土樣的體應變產(chǎn)生較為顯著的影響，隨著風干飽和度的減小，干濕循環(huán)引起的土樣體積壓縮應變越大，具體來看，當土樣風干飽和度為80%、40%及20%，對應的塑性壓縮體應變?yōu)?.75%、0.85%及0.94%。這清晰表明經(jīng)干濕循環(huán)作用后土樣體積壓縮變形與風干飽和度存在內(nèi)在的關系。

圖5 經(jīng)干濕循環(huán)作用不同風干飽和度與體應變對應關系

2.5 細觀解釋分析

圖6為在不排水剪切過程中干濕循環(huán)作用對飽和黃土力學特性的細觀影響的演化概念圖。原始黃土樣經(jīng)干濕循環(huán)作用后在內(nèi)部產(chǎn)生微裂隙，經(jīng)過吸水飽和過程，由于結合水溶劑膜的楔入，造成微裂隙產(chǎn)生擴張，土體原狀結構發(fā)生破壞或局部破壞。黃土樣在不排水剪切下，同時相較于原始土體，土顆粒接觸點的土顆粒更易發(fā)生破碎，并嵌入大顆粒孔隙中。破碎土顆粒對孔隙的填充減小了土體產(chǎn)生剪脹的可能性[14-15]。結合圖3不難看出，在不排水剪切作用下經(jīng)干濕循環(huán)的土樣孔隙水壓力由原來的（未經(jīng)干濕循環(huán)）呈現(xiàn)出的先增后減，逐漸轉變?yōu)槌掷m(xù)增長的變化趨勢。而剪切完成穩(wěn)定后，經(jīng)干濕循環(huán)作用試樣孔隙水壓力較未經(jīng)干濕循環(huán)作用有所增加，這就相互印證。

圖6 經(jīng)干濕循環(huán)作用的土顆粒細觀結構發(fā)展示意圖

實際上，干濕循環(huán)作用對黃土試樣的影響是由干濕循環(huán)引起的體積壓縮和微裂隙的發(fā)展二者相互作用的結果。前者使土樣變得更密實，強度更高；而后者減弱土的剪脹性，削弱黃土的力學特性。在不排水剪切初期，由于干濕循環(huán)引起的密實度增加占主導地位，因此經(jīng)干濕循環(huán)的土樣初始剪切剛度較原始土樣要大。隨著剪切試驗的進行，與原始土樣相比，干濕循環(huán)產(chǎn)生的微裂隙引發(fā)的剪縮效應開始起主要作用，孔隙水壓逐漸增大，土樣有效應力降低，應力-應變曲線逐漸由應變硬化轉變應變軟化，有效應力路徑曲線也隨之向左下方偏移。

3 結束語

本文以陜北典型飽和黃土為研究對象，經(jīng)干濕循環(huán)作用的土樣劃分為風干飽和度為100%（未經(jīng)干濕循環(huán)，作為參照組）、80%、40%和20% 4個工況。隨后開展固結不排水剪切試驗，從應力-應變曲線、孔隙水壓力以及有效應力路徑3個方面探討干濕循環(huán)作用對飽和黃土力學特性的影響，主要結論如下：

1）在不排水剪切過程中，經(jīng)干濕循環(huán)作用的飽和黃土樣隨著風干飽和度的降低（歷史最大吸力越大），其應力—應變曲線由應變硬化型逐漸轉變?yōu)閼冘浕?，且土樣初始剪切剛度也越大?/p>

2）經(jīng)干濕循環(huán)作用的土樣在受剪時，其孔隙水壓力大于原始土樣（未經(jīng)歷干濕循環(huán)），有抑制土樣產(chǎn)生剪脹的趨勢，從而有效應力減小，有效應力路徑曲線也較原始土樣向左偏移。

3）干濕循環(huán)作用對飽和黃土力學特性影響的作用機理包含兩個互斥的方面，一是引起塑性體積壓縮；二是造成土樣內(nèi)部微裂隙的產(chǎn)生和發(fā)展。前者可增強土強度和剛度，而后者則削弱土的力學特性。

4）從細觀上，干濕循環(huán)引起黃土顆粒聚集體產(chǎn)生微裂隙和破碎顆粒，在剪應力作用下，破碎顆粒逐漸嵌入至既有孔隙和新生裂隙中，從而出現(xiàn)剪縮現(xiàn)象。