等幅干濕循環對成都膨脹土強度的影響

何艷清 李 濤 葉 豪 劉諾金 羅沐池 張玉鑫

(中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

等幅干濕循環對成都膨脹土強度的影響

何艷清 李 濤 葉 豪 劉諾金 羅沐池 張玉鑫

(中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

以成都某工程現場膨脹土樣為研究對象，對不同干濕循環次數的膨脹土試樣開展直剪試驗，結果表明，在相同循環幅度和初始含水率下，隨著干濕循環次數的增加，試樣的抗剪強度不斷減小，最終趨于一個穩定值。

干濕循環，膨脹土，峰值強度，殘余強度

0 引言

國內外學者針對膨脹土在干濕循環條件下的膨脹收縮及強度特征，依據國家規范及不同的工程情況，已開展過大量試驗研究。如楊和平等[1]對南寧膨脹土進行常規直剪試驗，驗證了荷載對膨脹土強度變化有較大影響。黃震等[2]通過室內常規直剪試驗得到膨脹土內摩擦角隨干濕循環次數和循環幅度呈起伏變化。徐彬等[3]通過直剪試驗和三軸試驗，發現影響膨脹土強度的三個重要因素即含水率、密度、裂隙。趙艷林等通過對膨脹土進行直剪試驗發現除縮限之外，其他脹縮性指標均隨干濕循環級數的增加而逐漸減小。Tony LT Zhan and Charles WW Ng[4]通過實驗發現膨脹土的強度隨著基質吸力的增加而增加。但在以往的干濕循環模擬試驗研究中，土樣的豎向荷載變化范圍多是5 kPa～50 kPa，不符合規范，且實際較大工程設有支擋結構的邊坡處膨脹土受到的豎向壓力往往較大，不能準確反映工程實際和膨脹土強度隨干濕循環過程變化而變化的完整規律。所以，為獲得更全面的實際工況的試驗參數和指標，開展規范荷載下多次干濕循環脹縮變形和強度特性試驗研究就顯得尤為必要。

1 試驗方案

試驗采用擊實法制樣，根據預定的干密度計算出土餅的高度，再按照壓實要求擊實土樣。在此次試驗中控制土餅的干密度為1.6 g/cm3，預設擊實后的土餅厚度為3 cm；土餅的直徑為10 cm，土餅的體積為235 cm3，以含水率為18%為例，則干土重量為376 g，含水率為18%，則濕土重量為443.68 g。為防止試驗裝土過程中的損耗，稱取含水量為18%的濕潤土445 g，放入擊實儀中擊實成厚度為3 cm的土餅。最后，對環刀逐一進行編號，并測量環刀的體積和質量，用環刀從預先制好的土餅中取出直徑為6.18 cm，高2 cm的土樣。

控制試樣的初始含水率為18%、干密度為1.6 g/cm3，試樣經過不同干濕循環次數(0,1,2,3,4,5)，對其進行直剪試驗，直剪時土樣的含水率控制為18%，循環幅度介于縮限含水率4.5%與飽和含水率32%之間。

2 試驗結果分析

圖1是相同豎向壓力下各循環次數后強度變化曲線。第1次～第3次循環分別相對于上一次循環后的峰值強度平均下降17.02%,8.37%,7.56%，殘余強度平均下降17.88%,15.82%,17.62%；第3次～第5次循環分別相對于上一次循環后的峰值強度平均下降5.97%,2.22%，殘余強度平均下降9.85%,4.45%。

從圖1中明顯能夠看出，相同豎向應力條件下，伴隨著循環級數的逐漸增加，試樣的峰值強度不斷減小，且曲線的斜率越來越小。表明第1次～第3次循環峰值強度和殘余強度的減小幅度較大，隨后的2次循環減小幅度雖有降低，但總體仍呈減小的趨勢，最后趨于一個穩定值。這與國內外許多研究結果[5-11]相同。原因在于第1次～第3次干濕循環過程引起土體內部結構發生不可恢復的改變或破壞，導致試樣雖然含水量相同，但內部密實度減小，基質吸力急劇降低，土樣中突然產生較多裂隙面，裂隙發育較快，使得試樣峰值強度和殘余強度急劇減小；第4次、第5次循環后由于土顆粒大小的局限性以及含水量的控制，土樣基質吸力和密實度逐漸恒定，土體中裂隙面雖仍有發育，但在原來已生成的裂隙基礎上基本不再變化，故而試樣的峰值強度和殘余強度逐漸趨于穩定。

從峰值強度和殘余強度二者的比較來看，在等幅干濕循環5次后，各種豎向荷載作用下峰值強度減小值分別為30.48 kPa，34.02 kPa，32.93 kPa，49.39 kPa，53.19 kPa，平均值為40.00 kPa；殘余強度減小值分別為28.5 kPa，28.43 kPa，35.64 kPa，50.12 kPa，56.52 kPa，平均值為39.84 kPa。兩平均值相差0.15%，極為接近，可視為相同。說明在循環幅度和初始含水率相同的情況下，經歷相同次數的干濕循環過程后，峰值強度和殘余強度的減小值相同，又由于循環5次后，土體的峰值強度減小，故而可得，隨著循環次數的增加，土樣的脆性指數逐漸增大，這也正是膨脹土強度減小的原因所在。同時峰值強度和殘余強度的減小值相同這一點，也說明了在膨脹土從峰值強度到殘余強度這個階段中，干濕循環對其并沒有影響。主要是因為膨脹土達到峰值強度后，結構被破壞，土體被壓到最密實的狀態，土體強度的變化主要是由于最大主應力面即破壞面的變化，與干濕循環導致的土體黏聚力和內摩擦角的變化無關，所以峰值強度和殘余強度的差值才不會改變。

從豎向荷載的角度分析，隨著豎向荷載的增大，膨脹土樣的峰值強度和殘余強度都會增大，這正與庫侖準則一致：即隨著正應力的增大，顆粒間產生的與正應力成正比的摩擦力逐漸增大，土的抗剪強度也就隨之增加。這也間接證明了試驗的正確性與可靠性。因此在工程中適當提高豎向荷載有助于提高膨脹土的穩定性。

3 結語

1)在相同循環幅度和初始含水率下，隨著循環級數的逐漸增加，試樣的峰值強度和殘余強度不斷減小，且減小的幅度值越來越小,最終趨于一個穩定值。因此多雨膨脹土地區的施工應在雨后進行及時的邊坡穩定監測和加固。

2)經歷相同次數的干濕循環過程后，峰值強度和殘余強度的減小值相同，并由此得出，隨著循環次數的增加，土樣的脆性指數逐漸增大，也說明了在膨脹土從峰值強度到殘余強度這個階段中，干濕循環對其并沒有影響。

[1] 楊和平，王興正，肖 杰.干濕循環效應對南寧外環膨脹土抗剪強度的影響[J].巖土工程學報，2014,36(5)：949-954.

[2] 黃 震，傅鶴林，韋秉旭，等.等幅干濕循環條件下膨脹土的低應力抗剪強度特征[J].四川大學學報，2016,48(1)：70-77.

[3] 徐 彬，殷宗澤，劉述麗.膨脹土強度影響因素與規律的試驗研究[J].巖土力學，2011，32(1)：44-50.

[4] Tony LT Zhan,Charles WW Ng.Shear strength characteristics of an unsaturated expansive clay[J].Canadian Geotechnical Journal,2016,43(7)：751-763.

[5] 呂海波，曾召田，趙艷林.干濕交替環境下膨脹土的累積損傷初探[J].自然災害學報，2012,21(6)：119-123.

[6] 李新明，孔令偉，郭愛國，等.基于工程包邊法的膨脹土抗剪強度干濕循環效應試驗研究[J].巖土力學，2014,35(3)：675-682.

[7] 趙 鑫，陽云華，朱瑛潔，等.裂隙面對強膨脹土抗剪強度影響分析[J].巖土力學，2014,35(1)：130-133.

[8] 于連順.干濕交替環境下膨脹土的累積損傷研究[D].南寧：廣西大學，2008.

[9] 徐 彬，殷宗澤，劉述麗.裂隙對膨脹土強度影響的試驗研究[J].水利水電技術，2010,41(9)：100-104.

[10] 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)：41-46.

[11] GOH S G,RAHARDJO H,LEONG E C.Shear strength of unsaturated soils under multiple drying-wetting cycles[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2014,140(2):362-363.

Influenceofconstantamplitudedrying-wettingcyclesonstrengthcharacteristicsofChengduexpansivesoils

HeYanqingLiTaoYeHaoLiuNuojinLuoMuchiZhangYuxin

(SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,China)

A series of shear tests were conducted on expansive soil of a engineering site in Chengdu which was subjected to different drying-wetting cycles to study the influence of drying-wetting cycles on the strength characteristics of Chengdu expansive soils. The results show that as the number of drying-wetting cycles increases, the shear strength of expansive soil decay. Finally, it’s going to end up with a stable value.

drying-wetting cycle, expansive soil, shear strength, residual strength

2017-10-05

何艷清(1995- )，男，在讀本科生； 李 濤(1981- )，男，副教授; 葉 豪(1995- )，男，在讀本科生；

劉諾金(1996- )，男，在讀本科生； 羅沐池(1995- )，男，在讀本科生； 張玉鑫(1996- )，女，在讀本科生

1009-6825(2017)35-0084-02

TU411.7

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