干濕循環對膨脹土強度與裂縫開展的影響研究

翟宇

(河南省白龜山水庫管理局,河南 平頂山 467000)

干濕循環對膨脹土強度與裂縫開展的影響研究

翟宇

(河南省白龜山水庫管理局,河南 平頂山 467000)

通過對膨脹土干濕循環試驗的研究,不僅得出干濕循環對膨脹土裂隙開展和強度的影響,而且發現了干濕循環次數對膨脹土的裂隙開展和強度也有一定影響。

膨脹土;干濕循環;裂縫

膨脹土的礦物成分對于環境變化,特別是對于濕度狀態的變化非常敏感,會發生膨脹與收縮,并產生膨脹壓力［1］。膨脹土造成的破壞具有長期性、反復性和潛在性,因此,必須探索和研究有效的膨脹土改良方法,提高土體的強度和基礎的穩定性,減小膨脹土地基的變形以及對上部結構造成的破壞［2一3］。而干濕循環對膨脹土強度與裂縫開展具有重要影響,很有必要進行相關的研究。

膨脹土的脹縮變形可以描述為吸水后體積增大、失水后體積縮小,脹縮變形性質是膨脹土最基本的特性之一。膨脹土的干濕循環特性所導致的破壞具有往復性、多發性和長久性的特點,在實際工程中破壞巨大。而這些破壞都與膨脹土邊坡在干濕循環后強度的衰減有關,因此,研究膨脹土穩定性問題首先要了解膨脹土強度隨干濕循環變化的規律［4］。

目前,對膨脹土干濕循環后強度的研究需先制備擾動樣或切取原狀樣后,再對試樣進行干濕循環［5］。現有的試驗方法都無法避免試樣尺寸效應的影響,試樣由于尺寸效應,影響了膨脹土的濕脹干縮特性,改變了干濕循環過程中裂隙的發展規律,所得到的強度指標也無法很好地反映實際情況［6一7］。而現場取樣是對取得的原狀試樣進行干濕循環,要實現自然環境下的“干濕循環”并達到試驗目的,難度較大。

1 實驗方案

1.1 試樣制備

試樣為重塑壓實膨脹土,首先將所采集的土樣放入烘箱烘干,碾碎后過2mm的篩,取篩余土樣按照最大干密度和最優含水率制配土樣,采用直徑6.18cm,高2cm的環刀做模一次擊實成樣,并稱量試樣重量,計算土樣在天然含水率時的質量。然后將環刀制備樣用飽和器夾緊放入水中浸泡,浸泡10h后,取出試樣反復烘干稱量,直到試樣達到天然含水率重量為止。

1.2 試驗過程

本次試驗共準備2組試樣,第一組4個試樣,編號為011、012、013、014；第二組3個試樣,編號為021、022、023。對2組試樣分別進行3次干濕循環。

浸水膨脹過程：將環刀連同壓實膨脹土土樣一起放入固結儀中,加水膨脹,用百分表測定浸水膨脹過程中試樣高度的變化。以安置百分表后記錄的第一個數為試驗干濕循環前的初始高度,每隔2h記錄一次讀數。當前后兩次讀數之差不超過0.01mm時,認為該循環的吸水膨脹階段結束。

失水收縮過程：考慮到膨脹土樣失水收縮時間比較長,失水收縮在烘箱內進行,控制溫度在35℃左右。同樣,用百分表測定試樣高度的變化,每隔一定時間記錄一次讀數,直至兩次百分表讀數基本不變,則失水收縮階段結束。

第1組試樣：濕循環結束后,用直剪儀對試樣進行豎向荷載為零的直接剪切試驗。第2組試樣：在烘箱內進行干循環,干循環結束后,對試樣產生的縫隙進行觀察并記錄。

2 結果與討論

2.1 干濕循環對膨脹土裂隙開展的影響

試樣在干濕循環作用下,無論是裂隙面積,裂隙長度以及裂隙寬度的峰值都隨循環的次數增長而增長,但是干濕循環的作用是有限的,試樣裂隙的發展同樣也是有限的。當裂隙將土體割裂成很小的部分時,小塊土體表面抗拉強度相當大,而由含水率梯度產生的拉應力遠小于抗拉強度,故無法對土體產生破壞,此時裂隙的發展基本穩定下來。此外裂隙性的有限性還與試樣土體的整體收縮性有關。當土體收縮時,裂隙受到四周土體傳遞的收縮壓力也會隨著收縮。試樣的裂縫開展情況如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 1號試樣裂隙開展情況

圖2 2號試樣裂隙開展情況

圖3 3號試樣裂隙開展情況

干濕循環對膨脹土裂隙開展影響的分析如下：

(1)裂隙的產生機理與內外脫濕速率不均勻有關,含水率梯度的變化導致體內外應力作用轉變。

(2)裂隙面積率,裂隙的長度比,裂隙的平均寬度在脫濕過程中先隨含水率的降低而迅速增大,達到峰值后隨含水率降低而減小并逐漸達到穩定。

(3)裂隙在干濕循環的作用下裂隙面積率,裂隙的長度比,裂隙平均寬度,都會隨循環級數增加而提高,但干濕循環的作用有限,裂隙不會無限收縮。膨脹土試樣干濕循環過程中,土樣的收縮率也相應增加,這對裂隙的發展起到相應的抑制作用,但是效果相對有限。

(4)對裂隙寬度變化規律進行了分析,浸水膨脹過程,使土體含水率增大時裂隙寬度變小,兩者在此次試驗中近似成負相關。伴隨干濕循環次數的增加,主裂隙收縮效果減弱而發育的速度變快,次裂隙有發展成主裂隙的趨勢。

2.2 干濕循環對膨脹土強度的影響

試樣的抗剪強度結果,如表1所示。

表1 試樣的抗剪強度結果

在干循環作用下土體內部含水量降低,與此同時土體體積由于收縮而減小,最終導致土體原有的完整結構受到破壞。產生這種破壞的原因從微觀上可以這樣來解釋,其一：由于土體不同程度的收縮而導致土體原來的隱微裂隙張開、擴大甚至加深,其二：裂隙不斷發展,原來短小裂隙不斷延伸最終連通在一起形成長大裂隙,從而更加破壞了土體的完整性及均一性的原狀,為地表水滲入土體在土中形成滲流及水分從土體中蒸發提供了良好的通道。

由于膨脹土是含有蒙脫石、伊利石等強親水性礦物的一類黏土。因此濕循環過程中,在強親水性礦物的影響下膨脹土就會大量吸水,這就會導致土顆粒與土顆粒之間的結合水膜厚度增加,水進入晶格構造之間使土體的晶格膨脹導致土體中原有的微小裂隙閉合軟化。對于較寬的裂隙來說,由于水的作用力的存在,可以在較寬的裂隙中產生兩種水壓力：動水壓力與凈水壓力,這兩種壓力可以將裂縫推開使土向邊坡的方向擠出。在上述不斷的土水作用下,土體的黏聚力最終會大幅度降低,從而導致膨脹土強度不斷降低。

［1］繆林昌,劉松玉.論膨脹土的工程特性及工程措施［J］.水利水電科技進展,2001(4):37～40.

［2］尹宏磊,徐千軍,李仲奎.膨脹變形對膨脹土邊坡穩定性的影響［J］.巖土力學,2009,30(8):2506～2510.

［3］沈珠江.當前非飽和士力學研究的若干問題［A］.區域性土的巖土工程問題學術討論會論文集［C］,南京:原子能出版社,1996:1～9.

［4］盧肇鈞.非飽和土抗剪強度的探索研究［J］.中國鐵道科學,1999,20(2):10～16.

［5］繆林昌,殷宗澤,劉松玉.非飽和膨脹土強度特性的常規三軸實驗研究［J］.東南大學學報,2000,30(1):121～125.

［6］繆林昌,殷宗澤.非飽和士的剪切強度［J］.巖土力學, 1999,21(3):1～6.

［7］陳敬虞,Fredlund.D.G.非飽和土抗剪強度理論的研究進展［J］.巖土力學,2003(24):655～660.

[欄目責任編輯 席曉劍]

Study on the Effects of Drying-wetting Cycle on the Strength and Crack DeveloPment of ExPansive Soil

Zhai Yu
(Henan Provincial Baiguishan Reservoir Management Bureau,Pingdingshan Henan 467000)

Through the study of expansive soil under drying一wetting cycle test,not only the influences of drying一wetting cycle on the crack development and strength of expansive soil have been revealed,the number of drying一wettingcycles has also been found with certain effects on the crack development and strength of expansive soil.

Expansive soil；drying一wetting cycle；crack

X820

A

1003一5168(2015)07一0132一3

2015一6一13

翟宇(1977.5一),男,研究方向:水利工程管理。