等幅度循環條件下膨脹土的抗剪強度特性

黃 震，柴 菲

膨脹土地區的公路和渠道邊坡通常會伴隨著失穩滑塌的現象。土體的抗剪強度則是評價邊坡穩定性的必要指標。在干、濕交替的氣候環境中，膨脹土由于特殊的礦物成分組成，對水分的敏感性很強，其抗剪強度表現出明顯的波動特性。因此，研究膨脹土抗剪強度特性是一個對工程具有重要意義的課題。譚羅榮［1］等人研究了膨脹土的強度指標與含水率、干密度及飽和度的關系，同時認為，任何狀態膨脹土的強度皆可表示為飽和狀態的強度和吸力引起的。徐彬［2］等人通過直剪試驗和三軸試驗，研究了膨脹土強度的影響因素，得出了含水率、密度以及裂隙是影響膨脹土強度的3個因素。楊和平［3］等人探討了干、濕循環效應對膨脹土強度的影響，認為膨脹土經過第一個干、濕循環后，土體強度衰減最大。詹良通［4－5］等人研究了吸力變化對非飽和膨脹土抗剪強度特性的影響，研究結果表明，吸力對膨脹土抗剪強度的貢獻隨吸力的增加呈非線性增加。

膨脹土力學性質變化與干、濕循環路徑密切相關［6－7］，因此，有必要采用不同干、濕循環路徑和試驗控制參數來研究膨脹土的抗剪強度變化規律。作者以廣西百色地區的膨脹土為研究對象，擬討論不同初始控制含水率等幅度干、濕循環后的膨脹土抗剪強度特性，并探討多個溫度或者循環幅度組合效應的試驗。

1 試驗設計及結果

1.1 膨脹土基本物理指標

試驗用土取自廣西百色地區，取土深度為1.5～2.0m，呈灰白色。通過室內土工試驗［8－9］，得到土的基本物理指標：容重2.092g／cm3；液限56.26%；塑性指數34.89；最佳含水率17.46%；最大干密度1.80g／cm3；自由膨脹率82%；大于0.075mm的顆粒占0.1%，0.075～0.005mm的顆粒占52.02%，小于0.005mm顆粒占47.88%。

1.2 干、濕循環試驗

由于地表以下膨脹土在一定深度內受到大氣干、濕循環影響的不同，導致含水率和變化幅度的不同。本研究選定初始控制含水率分別為15%，17%，19%及21%。循環幅度Δω分別為±10%，±7.5%，±5.0%及±2.5%。以循環幅度17%±10%為例，干、濕循環過程如圖1所示。

將取回的膨脹土樣經風干、搗碎后，過2mm篩。根據要求，配制成不同初始含水率的土樣，并密封悶料24h以上，以確保初始含水率的均勻。采用壓實儀，將土樣壓實成干密度為1.7g／m3的試件（直徑61.8mm，高20mm）。

圖1 干、濕循環過程（循環幅度：17%±10%）Fig.1 The process of dry－wet cyclic（cyclic amplitude：17%±10%）

試件分為15組，每組4個試件，共60個試件。為模擬膨脹土的脫濕過程，本次試驗采用低溫（40℃）對試件進行脫濕。脫濕至指定的循環幅度后，用微型噴霧器灑水模擬大氣降水，達到初始控制含水率后，將試件密封養護24h以上，使試件內、外含水率均勻分布。然后將完成相應干、濕循環次數的試件裝入ZJ－2型手動應變控制式直接剪切儀，在法向壓力分別為100，200，300及400kPa下進行不固結不排水剪切試驗，剪切速率為0.8mm／min。

2 膨脹土的強度特性分析

2.1 強度參數與循環次數的關系

初始控制含水率為17%時，膨脹土強度參數（粘聚力和內摩擦角）隨干、濕循環次數變化的關系分別如圖2，3所示。從圖2，3中可以看出，不同循環幅度作用下膨脹土的粘聚力c隨干、濕循環次數的增加呈衰減趨勢。第1～2次循環時，強度衰減幅度較大。第3～6次循環后，粘聚力c逐漸趨于一穩定值。其中，循環幅度越大，相應的粘聚力c衰減程度越大，最終的穩定值越小。但內摩擦角φ受干、濕循環次數和循環幅度作用的影響不大，曲線呈起伏變化，沒有發現一定的規律。

干、濕交替作用下，膨脹土內部含水率周期性的變化會引起基質吸力的周期變化，導致土體內部疲勞損傷破壞，形成微裂紋。隨著循環次數的增加，微裂紋逐漸擴大。膨脹土具有濕脹干縮的特性，循環幅度越大，試件內部的含水率就越大，脫濕過程中試件內部的含水率梯度作用就越明顯。而含水率梯度使土體內部產生拉應力，導致土體內部產生橫向和縱向的裂隙，土體將被分割，其完整性被破壞，使土體的強度下降。

圖2 粘聚力隨循環次數變化的關系（w＝17%）Fig.2 The change of the cohesion with cycles（w ＝17%）

圖3 內摩擦角隨循環次數變化的關系（w＝17%）Fig.3 The change of the internal friction angle with cycles（w ＝17%）

2.2 強度參數與初始含水率的關系

循環幅度為7.5%時，第0～6次干、濕循環后的膨脹土粘聚力隨初始控制含水率變化的關系如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著初始含水率的增大，第0～6次干、濕循環后的粘聚力均下降，但下降的趨勢具有明顯的階段性。當含水率從17%增大到19%（最有含水率附近）時，曲線變化斜率較小，粘聚力比較緩慢減小，而含水率從15%增大到17%和從19%增大到21%時，曲線梯度較大，粘聚力衰減較快。

研究認為［1］，土的粘聚力主要來源于水膜聯結、土顆粒間的膠結及粒間的相互吸引等，其中土顆粒間的水膜聯結對粘聚力的形成具有重要的作用，因而不同含水率對土的粘聚力影響較大。當含水率越小時，顆粒間的水膜聯結力越大；隨著含水率的增大，水膜聯結力逐漸減小，土體達到飽和狀態時，這種聯結力將完全喪失。另一方面，顆粒間的膠結作用也是粘聚力產生的重要原因，而膠結物是由于土體本身的礦物的溶解和重析形成的，那么當土體的含水率增大到一定程度后，一部分可溶解的膠結物將會被溶蝕，顆粒膠結能力逐漸減小。那么粘聚力隨含水率出現三階段變化，其主要原因是：當含水率逐漸增大時，剛開始只有水膜聯結力在逐漸減小。但當含水率增大到一定程度后，伴隨著膠結物的溶蝕，膠結作用才開始與水膜聯結力一起減小。

循環幅度為7.5%時，第0～6次干、濕循環后的膨脹土內摩擦角與初始控制含水率變化的關系如圖5所示。從圖5中可以看出，初始含水率的變化對膨脹土內摩擦角的影響較大。以第1次循環為例，當膨脹土的含水率從15%增大到21%時，內摩擦角在25.64°～11.58°之間變化，在整個變化過程中呈線性減小。土的內摩擦角與土的顆粒結構、大小及密實度密切相關［10］。百色膨脹土為細粒含量高的粘性土，含水率變化會引起其顆粒結構、大小及密實度的顯著變化，因此，含水率的變化對該膨脹土內摩擦角的影響較大。

圖4 粘聚力隨含水率變化的關系（Δω＝7.5%）Fig.4 The change of the cohesion with moisture contents（Δω＝7.5%）

圖5 內摩擦角隨含水率變化的關系（Δω＝7.5%）Fig.5 The change of the internal friction angle with moisture contents（Δω＝7.5%）

2.3 強度參數與循環幅度的關系

為了探討干、濕循環幅度對膨脹土強度參數的影響，以初始含水率為17%的膨脹土抗剪強度參數為例，繪制了粘聚力、內摩擦角與循環幅度的關系曲線，分別如圖6，7所示。從圖6，7中可以看出，干、濕循環次數從第1～6次后，粘聚力c隨循環幅度逐漸減小，曲線從上到下逐漸變得密集。這說明隨著循環次數的增加，粘聚力隨循環次數的增加逐漸趨于一穩定值。內摩擦角φ隨循環幅度的變化曲線，則表現為起伏波動特征，沒有發現一定的規律性，可認為內摩擦角不受循環幅度的控制。

圖6 粘聚力隨循環幅度變化的關系（w＝17%）Fig.6 The change of the cohesion with the cycle amplitude（w ＝17%）

圖7 內摩擦角隨循環幅度變化的關系（w＝17%）Fig.7 The change of the internal friction angle with the cycle amplitude（w ＝17%）

膨脹土的干、濕循環是一個由于基質吸力反復加、卸載，導致土體內部結構產生不可逆的疲勞破壞的過程，其中吸力的變化幅值（循環幅度值）對土體的力學性狀具有重要的影響。盡管在基質吸力的作用下，土體不會出現突然的失穩破壞狀態，但經過多次干、濕循環后膨脹土的力學性質均會衰減而趨于穩定狀態，強度指標不再隨循環次數的增加而發生改變。這一點與文獻［11］得到的結論一致。試驗結果表明，膨脹土強度參數的變化與干、濕循環的控制參數密切相關。該控制參數主要有循環溫度、含水率、循環次數及循環幅度等，因此，對于多個溫度或多個循環幅度的共同作用時，還需要討論與溫度或者循環幅度作用的順序問題。通過多個溫度或者循環幅度組合效應的試驗研究，探討膨脹土的強度特性，將更好地與實際工程應用接軌，促進研究的應用價值。

3 結論

1）膨脹土的粘聚力c隨干、濕循環次數的增加呈衰減趨勢，循環幅度越大，相應的c衰減程度越大，但內摩擦角φ受干、濕循環次數和循環幅度作用的影響不大 ?？辜魪姸鹊乃p與干、濕循環控制參數密切相關。

2）隨著初始含水率的增大，第0～6次干、濕循環后的粘聚力均下降，但下降的趨勢具有明顯的階段性。初始含水率的變化對膨脹土內摩擦角的影響較大，隨含水率的增大，內摩擦角有線性衰減的規律。

3）第1～6次干、濕循環后，粘聚力c隨循環幅度逐漸減小，趨于一穩定值。而內摩擦角不受循環幅度的控制。對于多個溫度或多個循環幅度的共同作用時，還需要討論多個溫度或者循環幅度組合效應的試驗研究，以促進研究的實用價值。

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