引江濟(jì)淮試驗(yàn)工程膨脹土干濕循環(huán)強(qiáng)度特性研究

權(quán) 全 陳 恕 張坤勇 李 威 袁俊平

（1.安徽省引江濟(jì)淮集團(tuán)有限公司 合肥 230601 2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京 210098 3.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所 南京 210098）

1 引言

膨脹土是一種特殊的高塑性黏性土，具有吸水膨脹、失水收縮的工程特性。膨脹土的工程特性對(duì)氣候變化敏感，因其干濕循環(huán)特性所導(dǎo)致的破壞具有往復(fù)性、多發(fā)性和長(zhǎng)久性的特點(diǎn)，處于膨脹土地區(qū)的土坡，無(wú)論是路堤、路塹、渠道邊坡等常發(fā)生邊坡失穩(wěn)破壞，給工程建設(shè)帶來(lái)巨大的災(zāi)害。

引江濟(jì)淮工程南起長(zhǎng)江下游安徽江段北岸，向西北流經(jīng)巢湖，沿派河跨越江淮分水嶺后流入淮河流域，是一項(xiàng)以城鄉(xiāng)生活供水、工業(yè)供水、發(fā)展江淮航運(yùn)和農(nóng)業(yè)灌溉補(bǔ)水為主，結(jié)合改善巢湖及淮河水生態(tài)環(huán)境等綜合利用的大型跨流域調(diào)水工程。工程難點(diǎn)在于沿程開(kāi)挖的明渠邊坡，均上覆弱、中等膨脹潛勢(shì)的重粉質(zhì)壤土和粉質(zhì)黏土，如菜子湖線邊坡以混合邊坡為主，含膨脹土渠段長(zhǎng)約37.85km。過(guò)巢湖白石天河口取水線路膨脹土段約18.68km。江淮分水嶺普遍分布著膨脹土和具有崩解特性的泥質(zhì)砂巖，膨脹土渠段約55.4km，均對(duì)渠道邊坡的穩(wěn)定構(gòu)成不利影響，因此對(duì)引江濟(jì)淮工程膨脹土強(qiáng)度特性的研究極具實(shí)用價(jià)值。

2 試驗(yàn)思路

目前通常認(rèn)為：裂隙的存在和發(fā)展是膨脹土抗剪強(qiáng)度降低的主要原因。裂隙的擴(kuò)展不僅破壞了土體的結(jié)構(gòu)，還為地表水分的滲入提供入滲通道，使得較深層的膨脹土也開(kāi)始浸水膨脹，裂隙逐步向深層發(fā)展，許多學(xué)者從干濕循環(huán)效應(yīng)著手測(cè)定膨脹土抗剪強(qiáng)度，如呂海波等通過(guò)自然風(fēng)干和噴水措施模擬干濕循環(huán)，探討了南寧地區(qū)原狀膨脹土抗剪強(qiáng)度與循環(huán)次數(shù)、幅度以及含水率之間的關(guān)系。李雄威等先利用大環(huán)刀樣來(lái)模擬干濕循環(huán)過(guò)程再轉(zhuǎn)制小環(huán)刀樣，以此縮小因尺寸效應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的影響。為了更貼近工程實(shí)際，吳珺華等利用現(xiàn)場(chǎng)大型剪切儀，分別對(duì)經(jīng)歷與未經(jīng)歷干濕循環(huán)的膨脹土展開(kāi)直剪實(shí)驗(yàn)。以上述學(xué)者研究為基礎(chǔ)，本文通過(guò)室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)膨脹土強(qiáng)度特性展開(kāi)研究。

3 試驗(yàn)內(nèi)容

3.1 試驗(yàn)土樣

此次試驗(yàn)土樣取自引江濟(jì)淮試驗(yàn)段右岸裸4區(qū)k40+750附近，呈灰黑色。天然狀態(tài)下常處于硬塑狀態(tài)，土體裂隙發(fā)育，并且多成網(wǎng)狀和龜裂狀，裂面光滑，有時(shí)可見(jiàn)擠壓的擦痕，裂隙中局部有白色，灰白色填充物。

原狀樣制樣方法：試驗(yàn)土樣封閉包好后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。在標(biāo)準(zhǔn)鋼環(huán)刀（直徑61.8mm、高度20.0mm）內(nèi)壁涂一薄層凡士林后，垂直壓入土體，邊壓邊削，均勻用力，制得原狀土樣30個(gè)，選取其中密度相近（差值p≤0.03g/cm3）的24個(gè)土樣作為試驗(yàn)用樣（平均p=1.97g/cm3），并將其分為6組，分別用于不同循環(huán)次數(shù)下的試驗(yàn)。通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)，獲得所取膨脹土的基本物理性質(zhì)如表1所示，根據(jù)膨脹潛勢(shì)等級(jí)判別標(biāo)準(zhǔn)可知，該膨脹土具有強(qiáng)膨脹性。

3.2 試驗(yàn)方案

制備4個(gè)土樣為一組，進(jìn)行5次干濕循環(huán)，通過(guò)稱重來(lái)控制土樣含水率，在完成各自設(shè)定的干濕循環(huán)次數(shù)后對(duì)土樣進(jìn)行快剪試驗(yàn)，由此獲得土樣強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。脫濕溫度取40℃，為加快試驗(yàn)進(jìn)程，采用帶有小型電風(fēng)扇、溫度可控的烘干箱來(lái)模擬膨脹土體脫濕過(guò)程。脫濕過(guò)程結(jié)束后，將土樣裝進(jìn)飽和器重新進(jìn)行抽氣飽和，抽氣時(shí)間及浸泡時(shí)間為1h和12h，飽和完成后，重新進(jìn)行脫濕，如此反復(fù)5次，模擬反復(fù)干濕循環(huán)過(guò)程。經(jīng)測(cè)試，土樣飽和含水率為31%，脫濕穩(wěn)定時(shí)的含水率為4%，土樣含水率降低約27%。

4 試驗(yàn)結(jié)果

表1 膨脹土的物理性質(zhì)表

4.1 膨脹土表面裂隙開(kāi)展

隨著干濕循環(huán)試驗(yàn)的往復(fù)式進(jìn)行，在膨脹土體主（大）裂隙長(zhǎng)度與寬度有所增加的同時(shí)，次生裂隙也會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，總體趨勢(shì)是裂隙數(shù)量增多，土體更加破碎。這是因?yàn)榕蛎浲辽舷卤砻婷摑袼俾什⒉痪鶆颍翗由喜坑捎谂c熱空氣直接接觸所以其脫濕速率要高于下部，因而造成土樣上下收縮不均產(chǎn)生裂縫。隨著干濕循環(huán)的往復(fù)式進(jìn)行，次生裂隙逐步擴(kuò)展，相互貫通連接，表面裂隙發(fā)育成網(wǎng)狀，土體結(jié)構(gòu)性被極大地破壞。

4.2 膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

圖1 強(qiáng)度指標(biāo)隨干濕循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律圖

綜上可見(jiàn)，膨脹土強(qiáng)度特性受干濕循環(huán)效應(yīng)影響明顯，且其強(qiáng)度的衰減主要集中在前1～2次干濕循環(huán)過(guò)程中，說(shuō)明膨脹土邊坡開(kāi)挖后需及時(shí)通過(guò)覆蓋土工膜、噴漿等手段進(jìn)行防護(hù)，切忌讓邊坡坡面與大氣環(huán)境直接接觸。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）膨脹土受干濕循環(huán)效應(yīng)影響明顯，隨著干濕循環(huán)試驗(yàn)的往復(fù)式進(jìn)行，在膨脹土體主（大）裂隙長(zhǎng)度與寬度有所增加的同時(shí)，次生裂隙也會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展并相互貫通，最終表面裂隙發(fā)育成網(wǎng)狀，土體結(jié)構(gòu)性被極大破壞。

（2）隨著干濕循環(huán)試驗(yàn)的往復(fù)式進(jìn)行，膨脹土粘聚力c逐漸減小并趨于穩(wěn)定，而內(nèi)摩擦角雖在首次干濕循環(huán)后小幅減小，但在隨后數(shù)次干濕循環(huán)中并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，呈小幅波動(dòng)的現(xiàn)象。

（3）膨脹土強(qiáng)度的衰減主要集中在前1～2次干濕循環(huán)過(guò)程中，膨脹土邊坡開(kāi)挖后需及時(shí)通過(guò)如覆蓋土工膜，噴漿等手段進(jìn)行防護(hù)，切忌讓邊坡坡面與大氣環(huán)境直接接觸