干濕循環(huán)對重塑膨脹土強度的影響研究

王靈芝，宋釔宏

(1.中航建設(shè)集團有限公司，北京 101407；2.中國五冶集團有限公司，四川 成都 610063)

0 引 言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷推進與發(fā)展，在20多個省的工程基建過程中均頻繁遇到膨脹土問題。膨脹土因其膨脹性、裂隙性、強度衰減性等原因，土體容易變形，極不穩(wěn)定，使修在膨脹土上的公路、鐵路、渠道邊坡等因季節(jié)性干濕氣候循環(huán)作用，經(jīng)常遭受膨脹土破壞，我國每年因膨脹土問題造成的經(jīng)濟損失日益增多[1]。因此，掌握干濕循環(huán)過程中膨脹土抗剪強度的變化規(guī)律，對膨脹土地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害防治有重要意義。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對膨脹土開展了大量的強度影響因素試驗研究，并取得了很多有價值的成果。楊和平等[2]以南寧膨脹土進行的試驗研究發(fā)現(xiàn)，其抗剪強度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而衰減。徐彬等[3-4]在研究影響膨脹土抗剪強度的因素中對比發(fā)現(xiàn)，對其強度影響突出的是含水率和裂隙，密度影響較小，此外膨脹土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨干濕循環(huán)次數(shù)呈雙曲線關(guān)系衰減。呂海波[5]、吳道祥[6]、吳珺華[7]等研究發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)會顯著降低膨脹土的抗剪強度，前3次的干濕循環(huán)對膨脹土強度的影響較為明顯。徐丹等[8]對干濕氣候過程中膨脹土力學(xué)性質(zhì)進行的分析發(fā)現(xiàn)，其強度與干濕循環(huán)次數(shù)及含水狀態(tài)密切相關(guān)。

大量學(xué)者大都以干濕循環(huán)次數(shù)或含水率變化作為自變量進行探究，但在干濕循環(huán)中同時討論含水率和干濕循環(huán)次數(shù)對非飽和土樣力學(xué)性質(zhì)影響的較少。為此，本文采用室內(nèi)三軸剪切試驗，對干濕循環(huán)過程中河北地區(qū)重塑膨脹土強度變化進行探究，對試驗結(jié)果進行擬合，比較計算值與試驗值的符合程度，在干密度一定的情況下，得出重塑膨脹土抗剪強度指標隨含水率及干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，可為膨脹土地區(qū)的工程建設(shè)提供參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗土樣

試樣采用河北地區(qū)膨脹土，經(jīng)2 mm篩后重塑制樣。通過室內(nèi)土工試驗得到試樣的自由膨脹率為81%，為中等膨脹土。試樣基本物性指標見表1。

表1 試樣基本物理力學(xué)參數(shù)

1.2 試驗過程

根據(jù)原狀土體的密度指標，試樣按天然含水率配土悶料24 h以上，根據(jù)試樣設(shè)計的干密度(1.28 g/cm3)和試樣大小計算出土樣所需的濕土質(zhì)量，分4層均勻擊實，每層厚20 mm，擊實次數(shù)為27次，制成直徑39.1 mm、高80 mm的試樣。受干濕作用的膨脹土大多分布在大氣影響深度范圍內(nèi)的淺層土體，且取土范圍內(nèi)含水率的變化幅度較大，故試驗土樣干濕循環(huán)幅度控制在10%～46%。為了研究干濕循環(huán)對抗剪強度的影響，分別進行 0～3 次干濕循環(huán)試驗。在每個循環(huán)里，選定含水率w為15%、25%、35%等3個控制點。試驗控制過程見圖1[8]。

圖1 干濕循環(huán)過程

試樣干燥過程通過烘箱模擬脫濕條件，溫度控制為40℃。使用水膜轉(zhuǎn)移法模擬增濕過程。通過稱重法控制試樣含水率，烘干過程每隔1 h進行稱重計算試樣含水率，含水率接近目標含水率時要提高量測頻率。含水率降到控制點后，試樣密封養(yǎng)護24 h，使試樣內(nèi)外含水率均勻分布。最后，在SLB-1A型三軸試驗機上進行三軸不固結(jié)不排水剪切試驗，剪切控制速率0.1 mm/min。每組4個試樣，圍壓分別為100、200、300、400 kPa。諸多研究表明，2～3次干濕循環(huán)的土樣強度基本趨于穩(wěn)定[5-7]，故只進行0～3次干濕循環(huán)下干燥程度不同的三軸剪切試驗，共需重塑膨脹土試樣48個。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 干濕循環(huán)次數(shù)對重塑膨脹土強度的影響

含水率w=15%、25%、35%時，不同圍壓下重塑膨脹土樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分別見圖2、3、4。從圖2、3、4可知，含水率保持一定時，干濕循環(huán)的次數(shù)對試樣的抗剪強度影響顯著，隨著軸向應(yīng)變的加大，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系隨著干濕循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)出層次性。干濕循環(huán)次數(shù)為0、1、2、3次的應(yīng)變硬化效果對比發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)次數(shù)越多影響較大，干濕循環(huán)次數(shù)的增多易使重塑膨脹土的應(yīng)變硬化效果相應(yīng)降低，隨之抗剪強度減弱。土體內(nèi)部的孔隙經(jīng)過多次的干濕循環(huán)會發(fā)生改變，通過干濕作用使水分在土體內(nèi)部循環(huán)交替，在干燥作用下水分得到揮發(fā)，在吸濕作用下補充了土中的水分，土中水分的循環(huán)使土體內(nèi)部的中、小孔隙發(fā)展變化成中、大孔隙，或貫穿原本的中、小孔隙，弱化了土體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，致使重塑膨脹土的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生改變，劣化了土體強度。

圖2 不同圍壓下重塑膨脹土樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(w=15%)

2.2 含水率對重塑膨脹土強度的影響

圍壓100 kPa時，不同含水率重塑膨脹土樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系見圖5。從圖5可知，重塑膨脹土在干濕循環(huán)次數(shù)一定時，干燥程度越大，含水率越低，應(yīng)變硬化越大，抗剪強度越高。對于上述的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可解釋為，干濕循環(huán)下土體的固有成分不變，其水分變化導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)和土顆粒間的物理化學(xué)膠結(jié)物質(zhì)改變。土的抗剪強度主要由黏聚強度和摩擦強度組成，土的黏聚力是由于顆粒間的相互作用而形成，其大小與膠結(jié)物質(zhì)的成分、數(shù)量和土的含水率有關(guān)，干燥程度不同的土樣中的膠結(jié)物質(zhì)濃度存在差異，干燥條件下，土體內(nèi)部水分不斷蒸發(fā)，致使土體中的膠結(jié)物質(zhì)濃度由低到高相互轉(zhuǎn)換，膠結(jié)作用逐漸增強，黏聚力得到加強；而摩擦強度主要表現(xiàn)在顆粒間的咬合作用，隨著含水率的減小，更少的自由水對土樣顆粒表面潤滑，減弱了土顆粒的咬合作用，從而在相同循環(huán)次數(shù)下，土樣含水量減小反而應(yīng)變硬化程度提高。

圖3 不同圍壓下重塑膨脹土樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(w=25%)

圖4 不同圍壓下重塑膨脹土樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(w=35%)

圖5 不同干濕循環(huán)次數(shù)重塑膨脹土樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(圍壓100 kPa)

2.3 含水率及干濕循環(huán)次數(shù)與重塑膨脹土抗剪強度的關(guān)系

采用 M-C強度理論，非飽和膨脹土抗剪強度為

τ=c+σtanφ

(1)

式中，τ為抗剪強度；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

從干濕循環(huán)路徑下的重塑膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，在出現(xiàn)峰值后取應(yīng)力-應(yīng)變峰值為破壞點，沒有出現(xiàn)峰值時根據(jù)規(guī)范取15%的軸向應(yīng)變的主應(yīng)力差為破壞點，按圍壓依次為100、200、300 kPa和400 kPa，繪制破損應(yīng)力圓包線，得到3次干燥過程中不同含水率的重塑膨脹土的抗剪強度指標，結(jié)果見表2。

表2 重塑膨脹土抗剪強度指標

從表2可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，重塑膨脹土的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨之降低；當含水率為15%時，第1次干濕循環(huán)減弱22.0%的黏聚力，減弱2.7%的內(nèi)摩擦角；第2次干濕循環(huán)減弱12.2%的黏聚力，減弱1.0%的內(nèi)摩擦角；第3次干濕循環(huán)減弱9.2%的黏聚力，減弱2.9%的內(nèi)摩擦角。干濕循環(huán)次數(shù)逐漸增多，土體黏聚力的衰減差值隨之減小，且對黏聚力衰弱程度影響大于內(nèi)摩擦角。

對重塑膨脹土抗剪強度的影響因素進行多因素耦合作用討論，通過多個自變量的最優(yōu)組合，預(yù)測或估計因變量的多元線性回歸。通過對試驗數(shù)據(jù)的多元線性回歸分析，得到抗剪強度隨含水率變化的關(guān)系式

(2)

式中，w0為含水率；n為干濕循環(huán)次數(shù)，為0～3次；k、l、j為擬合參數(shù)，k1=-1.13、l1=-9.23、j1=87.31、k2=-0.16、l2=-0.66、j2=23.12。

取干濕循環(huán)0～3次下干燥到含水率為20%的16個土樣進行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗。按式(2)計算出重塑膨脹土的抗剪強度指標，并與實測值進行對比，結(jié)果見圖6。從圖6可知，計算值與試驗值吻合程度較高。因此，采用多元線性擬合三軸試驗數(shù)據(jù)預(yù)測非飽和膨脹土的抗剪強度指標是可行的。

圖6 抗剪強度指標實測值與計算值關(guān)系(w=20%)

3 結(jié) 語

本文基于河北地區(qū)膨脹土不固結(jié)不排水三軸剪切試驗數(shù)據(jù)，采用多元線性擬合法，對干濕循環(huán)過程中重塑膨脹土強度變化進行研究，得出以下結(jié)論：

(1)含水率保持一定時，試樣在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的剪切強度也有著明顯的區(qū)別，干濕循環(huán)次數(shù)越多影響較大。土體的黏聚力隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多不斷衰減，在一定次數(shù)的干濕循環(huán)下，土體的黏聚力差值隨之減小。

(2)經(jīng)干濕循環(huán)作用后，膨脹土的強度衰減主要是黏聚力大幅降低，且第1次干濕循環(huán)后的衰減幅度最大；內(nèi)摩擦角雖也減小，但影響不是很明顯。

(3)基于M-C強度理論，對抗剪強度指標的黏聚力、內(nèi)摩擦角進一步分析，得出了重塑膨脹土抗剪強度隨干濕循環(huán)次數(shù)及含水率變化的擬合關(guān)系式，計算值與試驗值相符程度較高，為河北地區(qū)重塑膨脹土的地質(zhì)災(zāi)害防治與施工提供參考。