干濕循環對非飽和土力學性質影響研究

卞明智 （林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶 400000）

1 概述

非飽和土邊坡，是典型的三相土壤結構，比常規的飽和土體相比多了一個氣相，但研究土體結構時并不是單純的加入一個氣相，而是氣態、液態、固態三項互相影響、互相耦合的狀態。特別是氣相與液相交接面處的氣-液二相水膜具有表面張力，生活中宏觀稱為毛細作用。從物理參數的角度需要考慮土體中的空氣孔隙率、級配及壓縮指數等指標；力學參數中需要引入孔隙水壓力，即基質吸力。然而現實中的所有室內物理力學實驗，均為飽和土所測出來的物理力學參數，不具有工程實際意義。

現實自然界中有90%以上的邊坡屬于非飽和土邊坡，工程界中的路基邊坡、河壩等人工填土邊坡也屬于非飽和土邊坡，經過大氣降水-滲流-蒸發或蒸騰等反復循環作用，其內部的物理性質如單位體積含水量、級配及壓縮指數，力學性質如水土特征曲線、孔隙水壓力及抗剪強度等性質發生一定變化。

本文以非飽和土三軸儀為試驗儀器，以降水滲流-蒸發固結循環為實驗條件，以非飽和土三軸排水剪切樣與原土體樣為實驗對象進行對比實驗，其結果對土體邊坡變形、力學性能及穩定性有重要作用。

實驗使用標準室內壓實試驗方法制備直徑為39.0mm，高度為80.0mm的非飽和土三軸排水剪切樣品，樣品的初始含水量為22.5%，壓實后所需的密度為2.95g/m3。將非飽和土三軸排水剪切樣品分為12組，控制吸力值分別為0 kPa、50 kPa、100 kPa和200 kPa，控制固結壓力分別為50 kPa、100 kPa和200 kPa。待吸力平衡和固結穩定后，在相等吸力條件下施加預壓力，施加預定的吸力值和各向同性固結方法，保持孔隙水壓力恒定，孔隙水壓力恒定為零，并以0.0098 mm/min的恒定剪切速率緩慢施加軸向剪切。通過加載重復的干濕循環來研究非飽和土壤的機械強度。干濕循環樣編號為RDW1，擊實樣編號為RC1。

2 試驗結果研究

2.1 反復干濕循環對土水特征曲線的影響

根據試驗結果，繪制RC1樣和RDW1樣在脫水蒸發路徑中每單位體積含水率對應的基質吸力關系曲線，即水土特征曲線，如圖1所示。

圖1 土水特征曲線比較

根據土水特征曲線的比較，很容易能看出在單位體積含水率相同的條件下，兩個試樣對應的基質吸力不一樣，RC1樣在同一含水率下對應的基質吸力均高于RDW1樣。說明反復的干濕循環作用下土體的力學性質受到較為顯著影響，且明顯下降，降幅約為40%。

由以上結論探究其原因，在反復干濕循環后土體的主要結構發生了一些變化，從氣相來講，土壤內的孔隙度增加；從液相來講，土體單位體積含水率發生變化；從固相來講，土體級配變化，內部鈣質溶鹽流失導致化學場變化而引起力學性質變化。對于非飽和土而言，更重要的原因為土體內部的氣-液交接面處“黏膜”吸力發生較大變化導致力學性能下降。

2.2 反復干濕循環對固結特性的影響

圖2(a)顯示的是RC1樣和RDW1樣在吸力為0 kPa(飽和土)的等向壓縮曲線的對比，從圖中明顯可見，基質吸力在0kPa～1kPa時，孔隙比變化平緩；基質吸力超過1kPa后，孔隙比急劇從0.65下降至0.35左右，非飽和土較對照組土樣下降幅度更大，同等基質吸力下，下降幅度差約為0.1～0.2；圖2（b）分別顯示了在50和200 kPa下RC1和RDW1類吸力的各向同性壓縮曲線比較，其變化趨勢與圖（a）一致。但當基質吸力超過2.5 kPa后，孔隙比趨近于穩定值0.32，之后隨著基質吸力增加，孔隙比均不再變化。

根據以上分析表明，在基質吸力增加初期，土樣的收縮指數與基質的吸力成正向相關，試樣達到屈服點，以致土體內部結構疲勞甚至破壞，孔隙收縮的尺寸效應不甚明顯。

圖2 不同吸力條件下的等向壓縮曲線比較

2.3 反復干濕循環對非飽和土力學強度的影響

擊實樣和干濕循環樣在等吸力剪切試驗中氣-液二相水膜的平面上的臨界狀態線如式（1）所示。

在等式（1）中，M（s）和μ（s）是矩陣吸力的函數，它們分別是臨界狀態線的斜率和q軸上的截距。

對于RC1和RDW1，M（s）的變化很小，并且M（s）被認為是與吸力無關的常數。常數M在Fredlund非飽和土的剪切強度表達式中等于φ'。Fredlund的雙應力變強度理論非飽和土的抗剪強度表示為公式（2）。

RC1的M(s)平均值為0.837，相當于20.6°的內摩擦角，RDW1樣的M(s)平均值等于0.736，說明RDW1試樣經過反復干濕循環后，剪切曲線出現了明顯的峰值變化，然后軟化下降，剪應力減少約5%，內摩擦角減少約10%。

3 結語

本文針對實際情況中占自然界和工程中大部分的非飽和土的特點，考慮到非飽和土是氣態、液態、固態三相互相影響、互相耦合的狀態，針對力學分析中非飽和土的氣相與液相交接面處不可忽略的氣-液二相水膜的表面張力，因此采用非飽和土三軸儀在降水滲流-蒸發固結循環下進行多次壓縮試驗，研究了反復干濕循環對非飽和土力學性質的影響。得出以下結論。

①在反復干濕循環后，土體的主要結構發生了一些變化，土壤內的孔隙度增加、單位體積含水率發生變化、土體級配變化，內部鈣質溶鹽流失導致化學場變化而引起力學性質變化。特別是非飽和土體內部的氣-液交接面處“黏膜”吸力下降導致力學性能下降。

②非飽和土和原樣土在吸力為0 kPa(飽和土)的等向壓縮曲線中孔隙比無明顯變化，基質吸力在0kPa-1kPa時，孔隙比變化平緩；基質吸力超過1kPa后，孔隙比急劇下降，非飽和土較對照組土樣下降幅度更大，同等基質吸力下，下降幅度差約為0.1～0.2；在50和200 kPa下非飽和土和原樣土的各向同性壓縮曲線變化趨勢與0 kPa時一致。但當基質吸力超過2.5 kPa后，孔隙比趨近于穩定值0.32，之后隨著基質吸力增加，試樣達到屈服點，以致土體內部結構疲勞甚至破壞，孔隙比均不再變化，孔隙收縮的尺寸效應不甚明顯。

③經過反復吸濕和干燥后，剪切破壞產生明顯剪切滑裂面，土體力學性質降低，抗剪強度參數降低，其中摩擦角的幅度大約為10%。

以往針對土體的室內、室外力學實驗參數均為飽和土試樣，然而自然界天然邊坡、工程邊坡、人工填土邊坡等均為非飽和土體邊坡，自然氣候降雨-蒸發-蒸騰作用即為反復干濕循環條件，因此本文不僅在學科耦合理論上具有科研意義，更具有重要的工程實踐意義。