干濕循環(huán)作用下陜北Q2黃土強度及水土特性試驗研究

白偉， 魏進， 卞海丁， 黃璜

(1.延安萬凱交通工程有限責(zé)任公司， 延安 716099; 2.長安大學(xué)公路學(xué)院， 西安 710064)

黃土主要分布于干旱與半干旱地區(qū)，具有良好的非飽和工程特性，因此黃土高原是中國地質(zhì)災(zāi)害的頻發(fā)地區(qū)，水土流失極為嚴(yán)重[1]。黃土邊坡在自然條件下處于蒸發(fā)-降雨的無限循環(huán)中，反復(fù)的蒸發(fā)-循環(huán)效應(yīng)會導(dǎo)致土顆粒骨架損傷，從而造成坡體強度與土水特性發(fā)生變化[2-3]，甚至發(fā)生滑動，這將導(dǎo)致巨大的安全隱患。

基于此，巖土界學(xué)者在干濕循環(huán)作用下黃土的強度及土水特征曲線等方面做了大量研究。劉宏泰等[4]針對重塑黃土在干濕循環(huán)作用下的滲透性與強度問題進行了研究；袁志輝等[5]利用常規(guī)三軸試驗發(fā)現(xiàn)黃土的結(jié)構(gòu)與衰減強度皆伴隨其含水率增大而降低，呈較好的對數(shù)函數(shù)關(guān)系，且試驗證明了原狀黃土在經(jīng)反復(fù)多次干濕循環(huán)后與重塑黃土結(jié)構(gòu)基本相同；王飛等[6]通過對壓實黃土路基土在反復(fù)干濕循環(huán)作用下的變形特性進行分析，發(fā)現(xiàn)割線模量與反復(fù)干濕循環(huán)次數(shù)之間呈負(fù)相關(guān)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，與初始壓實度呈正相關(guān)指數(shù)函數(shù)關(guān)系；劉奉銀等[7]對黃土干濕循環(huán)作用下的土水特征曲線的滯回特性規(guī)律進行了初步的研究探討；趙天宇等[8]認(rèn)為密度對黃土土水特征曲線的影響明顯，VG(Van Genuhten)模型可對非飽和黃土土水特征曲線進行很好的預(yù)測與描述；孫志杰等[9]通過模型試驗研究發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)次數(shù)與幅度均會對黃土邊坡坡面造成較為嚴(yán)重的影響；王鐵行等[10]認(rèn)為結(jié)構(gòu)強化與動強度提升的主要影響因素是孔隙結(jié)構(gòu)向均勻小孔隙演化和基質(zhì)吸力使土樣趨于密實；Chou等[11]認(rèn)為Gardner模型更適合描述土-水特征曲線，通過Gardner模型和Childs&Collis-George模型實測的土-水特征曲線分別得到了與基質(zhì)吸力呈指數(shù)關(guān)系、與體積含水量呈冪函數(shù)關(guān)系的非飽和黃土滲透系數(shù)預(yù)測模型；潘振興等[12]研究表明，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，因黃土內(nèi)部顆粒的集散動態(tài)變化致使黃土損傷，故土體呈塑性指數(shù)及液限減小、孔隙率增大、塑限基本不變的規(guī)律。

綜上可知，學(xué)者們針對黃土在干濕循環(huán)作用下強度衰減機理、物理力學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特性研究頗多，但對黃土抗剪強度與土水特征曲線在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的衰減預(yù)測研究較少。基于此，現(xiàn)以陜西延安Q2黃土為研究對象，通過直剪試驗、濾紙法探究Q2黃土土水特性與抗剪強度的干濕循環(huán)效應(yīng)，希望能為黃土高原地區(qū)黃土滑坡災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)提供理論參考。

1 干濕循環(huán)試驗研究

1.1 土樣物理力學(xué)指標(biāo)

試驗土樣取自延安市南泥灣樊莊邊坡坡體中下部3 m處，為陜北Q2黃土，原狀土與重塑土各取一部分，共取16個原狀樣。其中原狀土采用聚氯乙烯(PVC)管裝樣，PVC管直徑110 mm，高250 mm，裝樣后兩端用保鮮膜包裹，并用膠帶纏緊，最后刷一層蠟密封好。現(xiàn)場取樣如圖1所示。

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)[13]，分別采用環(huán)刀法、烘干法、比重瓶法、液塑限聯(lián)合測定法對黃土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進行了測試，土工試驗結(jié)果如表1所示。

圖1 現(xiàn)場取樣Fig.1 Field sampling

表1 陜北Q2黃土基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗原理

1.2.1 土-水特征曲線理論

土-水特征曲線(soil-water characteristic curve，SWCC)反映了非飽和土中體積含水量隨基質(zhì)吸力的變化衰減規(guī)律。圖2為典型SWCC的示意圖，可以看出，體積含水量隨著基質(zhì)吸力的增大先保持不變，再急劇減小，最后趨于穩(wěn)定。曲線上第一個反彎點M1對應(yīng)的橫坐標(biāo)表示土的進氣值，其含義為當(dāng)土中孔隙氣壓力增大到一定程度時，使土體孔隙開始排水，此時的基質(zhì)吸力稱為進氣值，用(ua-uw)b表示；曲線上第二個反彎點M2對應(yīng)的橫坐標(biāo)表示土的殘余吸力，其對應(yīng)的縱坐標(biāo)表示殘余體積含水量。

圖2 典型土-水特征曲線示意圖Fig.2 Schematic diagram of typical soil-water characteristic curve

1.2.2 非飽和抗剪強度理論

Fredlund非飽和抗剪強度公式為

τf=c′+(σ-ua)tanφ′+(ua-uw)tanφb

(1)

式(1)中：τf為非飽和抗剪強度；σ為法向應(yīng)力；ua為孔隙氣壓力；uw為孔隙水壓力；φb為隨基質(zhì)吸力變化的內(nèi)摩擦角。

由式(1)可知，τf由有效黏聚力c′、有效內(nèi)摩擦力(σ-ua)tanφ′以及與基質(zhì)吸力相關(guān)的吸附強度(ua-uw)tanφb組成。當(dāng)土體含水率發(fā)生改變時，根據(jù)土-水特征曲線的定義，式(1)右邊第三項中的基質(zhì)吸力(ua-uw)與體積含水量θ呈函數(shù)關(guān)系。

相關(guān)研究表明[14-15]，不同含水率下土樣的內(nèi)摩擦角幾乎是不變的，而黏聚力隨含水率的變化有明顯的改變。因此，可將式(1)右邊第一項和第三項合并為一項，稱為表觀黏聚力c，即

c=c′+(ua-uw)tanφb

(2)

式(2)中：(ua-uw)可根據(jù)土-水特征曲線確定，代入式(2)即可得到不同含水率土體的抗剪強度參數(shù)c′、φb。

1.3 試驗方案

1.3.1 土-水特征曲線實驗方案

降雨-蒸發(fā)實際上是一個干濕循環(huán)的過程。試驗采用真空飽和器飽和土樣，模擬土體降雨增濕的過程，設(shè)置烘箱溫度為40 ℃，模擬太陽照射下土體蒸發(fā)脫濕的過程。通過將原狀土樣進行不同的干濕循環(huán)次數(shù)，測定其土-水特征曲線并進行分析，研究陜北Q2黃土土-水特性隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。

同時根據(jù)相關(guān)研究[16-17]，經(jīng)3次干濕循環(huán)后，土體的持水性能逐漸呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢。因此，試驗設(shè)定土樣的干濕循環(huán)次數(shù)分別為1、2、3、5。將經(jīng)過干濕循環(huán)后的土樣制成環(huán)刀樣，烘干，每兩個環(huán)刀樣一組，采用滴定法將各組環(huán)刀樣配制成不同的質(zhì)量含水率，然后用濾紙法測定Q2黃土的土-水特征曲線，試驗方案設(shè)計如表2所示。

表2 土-水特征曲線試驗方案

1.3.2 非飽和抗剪強度實驗方案

為研究不同的干濕循環(huán)次數(shù)對原狀非飽和黃土的抗剪強度特性的影響，試驗采用慢剪法并結(jié)合土水特征曲線試驗結(jié)果，研究不同干濕循環(huán)條件下陜北Q2黃土的抗剪強度變化規(guī)律。試驗方案設(shè)計如表3所示。

表3 非飽和抗剪強度試驗方案

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同干濕循環(huán)次數(shù)下Q2黃土的土-水特征曲線分析

圖3為不同干濕循環(huán)次數(shù)下陜北Q2黃土脫濕與增濕的土-水特征曲線，總體而言，不同干濕循環(huán)次數(shù)下土-水特征曲線呈現(xiàn)出的變化趨勢大體相同。

圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)下的土-水特征曲線Fig.3 Soil-water characteristic curve under different drying-wetting cycles

同時由圖3可知：土體經(jīng)脫濕后，在吸濕過程中由于土體孔隙大小差異，孔隙水涌入后會產(chǎn)生“瓶頸效應(yīng)”，導(dǎo)致吸濕后的體積含水量小于脫濕時的體積含水量，因此，脫濕曲線與吸濕曲線之間由于高度差會形成滯回圈，同一干濕循環(huán)次數(shù)下脫濕曲線始終位于增濕曲線的上方。

第五次脫濕曲線的斜率明顯小于第一次脫濕曲線的斜率，這是由于第一次脫濕時土體孔隙比較大，持水能力很弱，因此脫濕速率較快，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，土體體積不斷發(fā)生變化，其內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)也在逐漸發(fā)生重分布，導(dǎo)致孔隙比逐漸減小，持水能力持續(xù)加強，因此脫濕速率會隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多而持續(xù)減小，由表4可知，第二次脫濕時的脫濕速率降幅最明顯，相比較第一次脫濕下降約30%。

隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，脫濕曲線第一個拐點M1的位置逐漸向左移動，進氣值逐漸降低，且下降幅度逐漸減小，第二次脫濕時的進氣值約為第一次的2/3。其原因是在反復(fù)干濕循環(huán)條件下，土體體積含水量不斷減小，土體骨架結(jié)構(gòu)不斷收縮，但同時造成土體內(nèi)部分中、小孔隙向深部擴展逐漸形成大孔隙，因此，第一次脫濕時進氣值最大，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，進氣值不斷減小直至趨于穩(wěn)定。

在反復(fù)干濕循環(huán)條件下，土骨架不斷收縮造成

表4 最大脫濕速率與進氣值隨干濕循環(huán)次數(shù)變化

土體飽和體積含水量不斷減小，由圖3可以看出，每次干濕循環(huán)時脫濕曲線與吸濕曲線都會產(chǎn)生高度差，且第一次干濕循環(huán)時產(chǎn)生的高度差最大，第五次干濕循環(huán)時脫濕曲線與吸濕曲線近似重合，高度差已經(jīng)不明顯，因此，每次干濕循環(huán)由于均能產(chǎn)生滯回效應(yīng)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土樣的持水能力逐漸增強，脫濕曲線與吸濕曲線逐漸逼近，滯回效應(yīng)逐漸減弱，土體內(nèi)小孔隙以及孔隙內(nèi)殘余的氣泡量趨于穩(wěn)定。

2.2 土-水特征曲線的擬合分析

分別采用Van Genuhten(VG)模型、Brooks-Corey(BC)模型及Fredlund-Xing(FX)模型對試驗結(jié)果進行擬合對比，分析3種模型對陜北Q2原狀黃土的適用性。3種模型的表達式如式(3)～式(5)所示，擬合結(jié)果如圖4所示。

(1) VG模型。

(3)

(2) BC模型。

(4)

(3)FX模型。

(5)

式中：θ為體積含水量；θs為飽和體積含水量；θr為殘余體積含水量；ψa為進氣值；ψ為基質(zhì)吸力；m、n為擬合參數(shù)，m=1-1/n；a為與進氣值有關(guān)的參數(shù)；e為自然對數(shù)常量。

圖4 土-水特征曲線擬合情況Fig.4 Fitting of soil-water characteristic curve

2.3 不同干濕循環(huán)次數(shù)下土-水特征曲線的預(yù)測模型分析

自然界中的邊坡處于長期反復(fù)的降雨-蒸發(fā)循環(huán)中，對于黃土邊坡，測定其多次干濕循環(huán)下的土水特征曲線是一項費時費力的工作，為此以VG模型的擬合數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，分析土-水特征曲線各項基本參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，通過擬合得到不同干濕循環(huán)次數(shù)下的VG模型預(yù)測公式，如圖5所示。

由圖5可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土樣的土水特征參數(shù)θs、θr、與進氣值有關(guān)的參數(shù)a先逐漸減小然后趨于穩(wěn)定，而土性參數(shù)n隨干濕循環(huán)的次數(shù)增加先逐漸增加然后趨于穩(wěn)定，相比θs、θr的干濕循環(huán)效應(yīng)不明顯；在第5次干濕循環(huán)時，4種基本參數(shù)的變化曲線斜率已經(jīng)基本與x軸平行，因此，可以認(rèn)為5次干濕循環(huán)條件下土-水特征曲線的干濕循環(huán)效應(yīng)基本消失。

采用指數(shù)函數(shù)可以很好地對VG模型各項基本參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線進行擬合，擬合結(jié)果如表5所示。

聯(lián)立表5中各參數(shù)擬合公式與式(3)，即可得到該土樣任意干濕循環(huán)次數(shù)下VG模型脫濕過程與吸濕過程的SWCC。為了檢驗預(yù)測模型的精度，用本文模型計算第4次干濕循環(huán)的SWCC，并與試驗數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果如表6及圖6所示。

用預(yù)測模型計算的第4次干濕循環(huán)脫濕與吸濕曲線與試驗數(shù)據(jù)點擬合度分別為0.996、0.994，吻合度較高，從而證明了本文模型具有較好的適用性。

2.4 剪應(yīng)力-剪切位移曲線分析

4組不同干濕循環(huán)次數(shù)下的固結(jié)慢剪試驗結(jié)果如圖7～圖10所示，取剪切位移為4 mm時對應(yīng)的剪應(yīng)力作為每組試樣的抗剪強度。

圖5 干濕循環(huán)次數(shù)對VG模型基本參數(shù)的影響Fig.5 The influence of the number of drying-wetting cycles on the basic parameters of the VG model

表5 VG模型參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)變化擬合公式

表6 第4次干濕循環(huán)預(yù)測模型與試驗數(shù)據(jù)對比

圖6 第4次干濕循環(huán)試驗數(shù)據(jù)擬合曲線與預(yù)測曲線對比Fig.6 Comparison of fitting curve and prediction curve of the 4th drying-wetting cycles test data

圖7 第1次干濕循環(huán)Fig.7 The first drying-wetting cycles

圖8 第2次干濕循環(huán)Fig.8 The 2nd drying-wetting cycles

由圖7～圖10可得出如下結(jié)論。

(1)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土樣的剪應(yīng)力-剪切位移曲線的峰值越發(fā)明顯，應(yīng)變軟化特性逐漸增強，這可能是因為土樣在反復(fù)的吸濕-脫濕過程中微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，土體內(nèi)產(chǎn)生了微小裂隙，剪切時沿著剪切面周圍分布的微小裂隙促成了破壞面的形成。

(2)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土樣達到相同剪切位移時所需的剪應(yīng)力逐漸減小，土樣的抗剪強度也逐漸減小。

2.5 干濕循環(huán)條件下非飽和原狀黃土抗剪強度參數(shù)分析

為預(yù)測不同干濕循環(huán)次數(shù)下土樣的抗剪強度，分別通過試驗做出不同干濕循環(huán)次數(shù)下土樣抗剪強度參數(shù)的變化曲線，并對其進行擬合，結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，反復(fù)的干濕循環(huán)可較顯著地削弱土樣的抗剪強度，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，非飽和強度參數(shù)φ′、c′及φb均有所降低，強度降低是土微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的宏觀反映。曲線擬合公式如表7所示。

根據(jù)擬合結(jié)果可知，非飽和抗剪強度參數(shù)均與干濕循環(huán)次數(shù)成指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合度較高。由指數(shù)函數(shù)變化特征可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，抗剪強度參數(shù)減小的速率逐漸降低，其中第1次干

圖9 第3次干濕循環(huán)Fig.9 The 3rd drying-wetting cycles

圖10 第5次干濕循環(huán)Fig.10 The 5th drying-wetting cycles

圖11 原狀黃土抗剪強度參數(shù)隨干濕循環(huán)變化規(guī)律Fig.11 Variation of shear strength parameters of undisturbed loess with drying-wetting cycles

表7 非飽和抗剪強度參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)變化擬合公式

濕循環(huán)時各參數(shù)減幅最大，φ′值減小10.3%，c′減小21.8%，φb減小14.4%。

3 結(jié)論

主要通過直剪試驗及濾紙法探究了陜北Q2黃土在不同干濕循環(huán)次數(shù)下其土水特性及強度的變化規(guī)律，得出的結(jié)論主要如下。

(1)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，黃土的進氣值逐漸降低，且降低的速率逐漸減小，第2次脫濕時進氣值較第1次約降低1/3。

(2)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，黃土脫濕曲線斜率逐漸變緩，持水能力逐漸加強，脫濕速率逐漸減小，第2次脫濕的最大速率比第1次脫濕約降低30%。

(3)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土樣的抗剪強度應(yīng)變軟化特性更加明顯，達到相同剪切位移時所需的剪應(yīng)力越來越小。

(4)得到了土樣的非飽和抗剪強度參數(shù)及土水特征曲線參數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的擬合公式，并預(yù)測了第4次干濕循環(huán)次數(shù)下土樣的土水特征參數(shù)，結(jié)果表明預(yù)測效果較為精確。