干濕循環作用對粉質黏土力學性能的影響研究

粟偉

（懷化市公路管理局（懷化市公路路政管理支隊），湖南懷化 418000）

干濕循環作用對粉質黏土力學性能的影響研究

粟偉

（懷化市公路管理局（懷化市公路路政管理支隊），湖南懷化 418000）

高速公路路基長期受到降雨—蒸發的干濕循環作用，其填料強度會出現一定劣化，對路基性能造成較大影響。文中基于水土特征曲線，對高速公路路基土含水率遷移規律進行分析，得到了路基干濕循環作用機理；以湖南某在建高速公路路基工程為依托進行干濕循環作用下粉質黏土剪切試驗，分析干濕循環作用對粉質黏土力學性能的影響。結果表明，高速公路路基干濕循環是以平衡含水率為中心上下波動的周期性循環過程；粉質黏土的粘聚力與內摩擦角隨干濕循環次數的增加不斷降低，呈現前期衰減快、后期衰減慢并最終趨于穩定的趨勢；粉質黏土的粘聚力受干濕循環的影響比內摩擦角更大，干濕循環10次后，粉質黏土的粘聚力降低約66.5%，內摩擦角降低約38.2%。

公路；路基；干濕循環；粉質黏土；剪切試驗；粘聚力；內摩擦角

高速公路路基由非飽和土填筑而成，存在基質吸力。填土中的基質吸力會在路基中產生毛細作用，地下水在毛細作用下不斷浸潤路基土，并逐漸向上遷移，導致路基含水率逐漸增加，在降雨條件下更加明顯。而當地下水位下降時，路基含水率會降低，同時在蒸發的影響下含水率進一步降低。因此，可以說高速公路路基周而復始地處在干濕循環作用下。

路基含水率的變化，尤其是周而復始的干濕循環過程會改變路基的使用性能，路基的強度、剛度、穩定性及耐久性均會降低。王建華等通過干濕循環試驗對水泥改良土在干濕循環條件下的抗剪強度變化規律進行了探討；汪東林、張芳枝等對非飽和重塑黏土進行干濕循環條件下的相關試驗，闡述了基于非飽和土理論的黏土干濕循環強度特性。然而由于非飽和土吸力難以量測，這些研究成果在工程實踐中的應用受到限制。另外，翟聚云、林中湘、楊和平等均對路基水分遷移及干濕循環對其強度的影響進行了研究。該文以湖南某在建高速公路典型粉質黏土為研究對象，基于土水特征曲線對路基干濕循環機理進行研究，并通過增濕—蒸發的方式模擬路基干濕循環過程，制作不同干濕循環次數的試件，通過直剪試驗開展干濕循環作用下粉質黏土力學性能研究，為路基穩定性分析提供指導。

1　路基土干濕循環作用機理

路基是經過開挖、重塑、碾壓成型的土，且位于地下水位上方，大多屬于非飽和土。路基施工時按最佳含水率碾壓成型，此時含水率相對較低。在路基運營過程中，其濕度狀態常年受到地下水位升降、降雨與蒸發、內部排水條件等因素的影響，路基濕度會逐漸發生變化，其含水率通常會由施工時的最佳含水率逐漸演變為運營期的平衡含水率狀態。運營路基含水率的變化主要是由于非飽和土對水分的吸引，致使水分在路基內發生遷移。研究非飽和土對水分的吸引主要采用土水特征曲線。

土水特征曲線是研究非飽和土吸力變化、持水特性及水分遷移規律的重要理論。近年來，隨著非飽和土力學理論的進步與發展，非飽和土的土水特征曲線研究進入一個新階段，并根據不同需要提出了多種土水特征曲線預測模型。Fredlund等利用統計分析方法，基于對土體孔徑分布曲線的研究，提出了適用于任何土體、全吸力范圍內的土水特征曲線表達式：

式中：θ為體積含水率；θs為飽和體積含水率；ψ為基質吸力；a為進氣值函數的土性參數；b為當基質吸力超過土的進氣值時土中水流出率函數的土性參數；c為殘余含水率函數的土性參數；ψr為殘余含水率θr所對應的基質吸力。

對式（1）進行變換，得到土體含水率計算公式：

由式（2）可知：隨著路基含水率的增加，路基土基質吸力逐漸降低，當路基土達到飽和時，殘余基質吸力達到一個固定值，路基含水率趨于穩定，此時含水率即為路基土平衡含水率。大量研究表明，路基平衡含水率與路基填土的塑限基本吻合。

同時，路基含水率受外界因素的影響較大，當遇到降雨、地下水位升高時，路基含水率提高；反之，在旱季，由于地下水位下降，蒸發作用強烈，路基含水率降低。可見，在外界因素作用下，路基的干濕循環是路基土以塑限含水率為中心上下波動的周期性變化過程。

2　干濕循環作用下粉質黏土直剪試驗

以湖南某在建高速公路為依托，進行干濕循環作用下典型粉質黏土直剪試驗。粉質黏土的基本指標見表1。

表1　粉質黏土的基本指標

2.1干濕循環標準試件制備

（1）環刀試件制備。路基是在最佳含水率的條件下碾壓成型，故試驗所用試件也按最佳含水率制備。先按照最佳含水率配置試驗用料，并悶料24h確保水分分布均勻；然后根據環刀的體積，按照96%壓實度反算環刀試件所需土的重量；最后將粉質黏土按照分層擊實的方法擊實至環刀內，并悶料24h確保水分分布均勻。此時環刀試件的含水率為16.76%，壓實度為96%。

（2）干濕循環過程模擬。路基干濕循環過程是以平衡含水率為中心，含水率在一定范圍內上下波動的過程。因此，在室內采用如下方式模擬路基干濕循環過程：首先通過增濕的方法將試件含水率增加到23.5%，即達到粉質黏土的平衡含水率，并密封養護24h確保試件水分分布均勻；然后通過增濕使試件含水率達到31.5%，即粉質黏土一年中最大含水率，并密閉養護24h使水分均勻擴散，以此模擬濕潤狀態；將增濕后的試件烘干減濕，使其含水率降低至16.5%，即粉質黏土一年中最小含水率，并密封養護24h使水分分布均勻，以此模擬干燥狀態。每經過一次增濕—脫濕的過程，就完成一次干濕循環，干濕循環次數最多為10次。干濕循環試件的制備見圖2。

圖1　干濕循環試件的制備

2.2干濕循環直剪試驗

采用不排水快剪的方法進行直剪試驗。試驗時對試件施加的荷載分為四級，分別為100、200、300、400kPa。通過快剪試驗測定試件的應力-應變曲線，得到不同荷載下粉質黏土的抗剪強度（見表2）。

表2　粉質黏土直剪試驗結果

根據庫侖定理，由抗剪強度與垂直壓力的關系曲線得到粉質黏土的抗剪強度參數（見表3）。

表3　干濕循環作用下粉質黏土的強度參數

從表3來看，隨著干濕循環次數的增多，粉質黏土的粘聚力和內摩擦角呈減小的趨勢。為了更精確、直觀地分析粘聚力和內摩擦角與干濕循環次數的衰減關系，對粘聚力和內摩擦角每次干濕循環條件下的衰減量和衰減幅度進行分析，結果見表4。

表4　粉質黏土強度參數分析結果

3　干濕循環直剪試驗結果分析

根據表3、表4所示試驗結果繪制干濕循環作用下粉質黏土粘聚力、內摩擦角衰減量及衰減幅度曲線（見圖3～6）。

圖2　粉質黏土粘聚力衰減量曲線

圖3　粉質黏土內摩擦角衰減量曲線

圖4　粉質黏土粘聚力衰減幅度曲線

圖5　粉質黏土內摩擦角衰減幅度曲線

由圖3～6可以看出：1）隨著干濕循環次數的增加，粉質黏土粘聚力及內摩擦角均不斷降低，呈現前期衰減快、后期衰減慢并最終趨于穩定的趨勢。2）粉質黏土粘聚力受前4次干濕循環的影響較大，變化較快，經過前4次干濕循環后，粘聚力已基本趨于穩定；內摩擦角則受前3次干濕循環的影響較大，變化較快，經過前3次干濕循環后，內摩擦角已基本趨于穩定。3）干濕循環對粉質黏土粘聚力的影響比內摩擦角大。經過4次干濕循環，粉質黏土的粘聚力由42.36kPa衰減至18.13kPa，衰減幅度達57.2%；內摩擦角由23.54°衰減至15.12°，衰減幅度為35.8%。

4　結論

（1）高速公路路基填土為不飽和土，在基質吸力作用下，路基含水率逐漸升高；隨路基含水率的升高，基質吸力逐漸降低，最終路基土含水率達到平衡含水率。路基平衡含水率與路基土塑限基本吻合。

（2）在降雨、蒸發等外界環境作用下，路基土含水率會以平衡含水率為中心上下周期浮動，據此可得到高速公路路基干濕循環的作用機理及過程。

（3）干濕循環作用下，粉質黏土粘聚力與內摩擦角均不斷下降，并呈現前期衰減速度快、后期衰減速度慢的趨勢。粘聚力經過4次干濕循環后基本趨于穩定，內摩擦角經過3次干濕循環后趨于穩定。

（4）干濕循環對粉質黏土粘聚力的影響比內摩擦角大，當粘聚力與內摩擦角穩定時，粘聚力衰減幅度為57.2%，內摩擦角衰減幅度為35.8%。

［1］ 王建華，高玉琴.干濕循環過程導致水泥改良土強度衰減機理研究［J］.中國鐵道科學，2006，27（5）.

［2］ 汪東林，欒茂田，楊慶.非飽和重塑黏土干濕循環特性試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2007，26（9）.

［3］ 張芳枝，陳曉平.反復干濕循環對非飽和土的力學特性影響研究［J］.巖土工程學報，2010，32（1）.

［4］ 翟聚云，魯潔.非飽和膨脹土水分遷移的試驗研究［J］.土木建筑與環境工程，2010，32（2）.

［5］ 林中湘.非飽和土水汽遷移規律試驗研究［J］.路基工程，2009（5）.

［6］ 楊和平，張銳，鄭健龍.有荷條件下膨脹土的干濕循環脹縮變形及強度變化規律［J］.巖土工程學報，2006，28 （11）.

U416.1

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