等幅度循環(huán)條件下膨脹土的抗剪強(qiáng)度特性

黃 震，柴 菲

膨脹土地區(qū)的公路和渠道邊坡通常會(huì)伴隨著失穩(wěn)滑塌的現(xiàn)象。土體的抗剪強(qiáng)度則是評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的必要指標(biāo)。在干、濕交替的氣候環(huán)境中，膨脹土由于特殊的礦物成分組成，對(duì)水分的敏感性很強(qiáng)，其抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)特性。因此，研究膨脹土抗剪強(qiáng)度特性是一個(gè)對(duì)工程具有重要意義的課題。譚羅榮［1］等人研究了膨脹土的強(qiáng)度指標(biāo)與含水率、干密度及飽和度的關(guān)系，同時(shí)認(rèn)為，任何狀態(tài)膨脹土的強(qiáng)度皆可表示為飽和狀態(tài)的強(qiáng)度和吸力引起的。徐彬［2］等人通過直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)，研究了膨脹土強(qiáng)度的影響因素，得出了含水率、密度以及裂隙是影響膨脹土強(qiáng)度的3個(gè)因素。楊和平［3］等人探討了干、濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)膨脹土強(qiáng)度的影響，認(rèn)為膨脹土經(jīng)過第一個(gè)干、濕循環(huán)后，土體強(qiáng)度衰減最大。詹良通［4－5］等人研究了吸力變化對(duì)非飽和膨脹土抗剪強(qiáng)度特性的影響，研究結(jié)果表明，吸力對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)隨吸力的增加呈非線性增加。

膨脹土力學(xué)性質(zhì)變化與干、濕循環(huán)路徑密切相關(guān)［6－7］，因此，有必要采用不同干、濕循環(huán)路徑和試驗(yàn)控制參數(shù)來研究膨脹土的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律。作者以廣西百色地區(qū)的膨脹土為研究對(duì)象，擬討論不同初始控制含水率等幅度干、濕循環(huán)后的膨脹土抗剪強(qiáng)度特性，并探討多個(gè)溫度或者循環(huán)幅度組合效應(yīng)的試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

1.1 膨脹土基本物理指標(biāo)

試驗(yàn)用土取自廣西百色地區(qū)，取土深度為1.5～2.0m，呈灰白色。通過室內(nèi)土工試驗(yàn)［8－9］，得到土的基本物理指標(biāo)：容重2.092g／cm3；液限56.26%；塑性指數(shù)34.89；最佳含水率17.46%；最大干密度1.80g／cm3；自由膨脹率82%；大于0.075mm的顆粒占0.1%，0.075～0.005mm的顆粒占52.02%，小于0.005mm顆粒占47.88%。

1.2 干、濕循環(huán)試驗(yàn)

由于地表以下膨脹土在一定深度內(nèi)受到大氣干、濕循環(huán)影響的不同，導(dǎo)致含水率和變化幅度的不同。本研究選定初始控制含水率分別為15%，17%，19%及21%。循環(huán)幅度Δω分別為±10%，±7.5%，±5.0%及±2.5%。以循環(huán)幅度17%±10%為例，干、濕循環(huán)過程如圖1所示。

將取回的膨脹土樣經(jīng)風(fēng)干、搗碎后，過2mm篩。根據(jù)要求，配制成不同初始含水率的土樣，并密封悶料24h以上，以確保初始含水率的均勻。采用壓實(shí)儀，將土樣壓實(shí)成干密度為1.7g／m3的試件（直徑61.8mm，高20mm）。

圖1 干、濕循環(huán)過程（循環(huán)幅度：17%±10%）Fig.1 The process of dry－wet cyclic（cyclic amplitude：17%±10%）

試件分為15組，每組4個(gè)試件，共60個(gè)試件。為模擬膨脹土的脫濕過程，本次試驗(yàn)采用低溫（40℃）對(duì)試件進(jìn)行脫濕。脫濕至指定的循環(huán)幅度后，用微型噴霧器灑水模擬大氣降水，達(dá)到初始控制含水率后，將試件密封養(yǎng)護(hù)24h以上，使試件內(nèi)、外含水率均勻分布。然后將完成相應(yīng)干、濕循環(huán)次數(shù)的試件裝入ZJ－2型手動(dòng)應(yīng)變控制式直接剪切儀，在法向壓力分別為100，200，300及400kPa下進(jìn)行不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，剪切速率為0.8mm／min。

2 膨脹土的強(qiáng)度特性分析

2.1 強(qiáng)度參數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

初始控制含水率為17%時(shí)，膨脹土強(qiáng)度參數(shù)（粘聚力和內(nèi)摩擦角）隨干、濕循環(huán)次數(shù)變化的關(guān)系分別如圖2，3所示。從圖2，3中可以看出，不同循環(huán)幅度作用下膨脹土的粘聚力c隨干、濕循環(huán)次數(shù)的增加呈衰減趨勢(shì)。第1～2次循環(huán)時(shí)，強(qiáng)度衰減幅度較大。第3～6次循環(huán)后，粘聚力c逐漸趨于一穩(wěn)定值。其中，循環(huán)幅度越大，相應(yīng)的粘聚力c衰減程度越大，最終的穩(wěn)定值越小。但內(nèi)摩擦角φ受干、濕循環(huán)次數(shù)和循環(huán)幅度作用的影響不大，曲線呈起伏變化，沒有發(fā)現(xiàn)一定的規(guī)律。

干、濕交替作用下，膨脹土內(nèi)部含水率周期性的變化會(huì)引起基質(zhì)吸力的周期變化，導(dǎo)致土體內(nèi)部疲勞損傷破壞，形成微裂紋。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，微裂紋逐漸擴(kuò)大。膨脹土具有濕脹干縮的特性，循環(huán)幅度越大，試件內(nèi)部的含水率就越大，脫濕過程中試件內(nèi)部的含水率梯度作用就越明顯。而含水率梯度使土體內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致土體內(nèi)部產(chǎn)生橫向和縱向的裂隙，土體將被分割，其完整性被破壞，使土體的強(qiáng)度下降。

圖2 粘聚力隨循環(huán)次數(shù)變化的關(guān)系（w＝17%）Fig.2 The change of the cohesion with cycles（w ＝17%）

圖3 內(nèi)摩擦角隨循環(huán)次數(shù)變化的關(guān)系（w＝17%）Fig.3 The change of the internal friction angle with cycles（w ＝17%）

2.2 強(qiáng)度參數(shù)與初始含水率的關(guān)系

循環(huán)幅度為7.5%時(shí)，第0～6次干、濕循環(huán)后的膨脹土粘聚力隨初始控制含水率變化的關(guān)系如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著初始含水率的增大，第0～6次干、濕循環(huán)后的粘聚力均下降，但下降的趨勢(shì)具有明顯的階段性。當(dāng)含水率從17%增大到19%（最有含水率附近）時(shí)，曲線變化斜率較小，粘聚力比較緩慢減小，而含水率從15%增大到17%和從19%增大到21%時(shí)，曲線梯度較大，粘聚力衰減較快。

研究認(rèn)為［1］，土的粘聚力主要來源于水膜聯(lián)結(jié)、土顆粒間的膠結(jié)及粒間的相互吸引等，其中土顆粒間的水膜聯(lián)結(jié)對(duì)粘聚力的形成具有重要的作用，因而不同含水率對(duì)土的粘聚力影響較大。當(dāng)含水率越小時(shí)，顆粒間的水膜聯(lián)結(jié)力越大；隨著含水率的增大，水膜聯(lián)結(jié)力逐漸減小，土體達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，這種聯(lián)結(jié)力將完全喪失。另一方面，顆粒間的膠結(jié)作用也是粘聚力產(chǎn)生的重要原因，而膠結(jié)物是由于土體本身的礦物的溶解和重析形成的，那么當(dāng)土體的含水率增大到一定程度后，一部分可溶解的膠結(jié)物將會(huì)被溶蝕，顆粒膠結(jié)能力逐漸減小。那么粘聚力隨含水率出現(xiàn)三階段變化，其主要原因是：當(dāng)含水率逐漸增大時(shí)，剛開始只有水膜聯(lián)結(jié)力在逐漸減小。但當(dāng)含水率增大到一定程度后，伴隨著膠結(jié)物的溶蝕，膠結(jié)作用才開始與水膜聯(lián)結(jié)力一起減小。

循環(huán)幅度為7.5%時(shí)，第0～6次干、濕循環(huán)后的膨脹土內(nèi)摩擦角與初始控制含水率變化的關(guān)系如圖5所示。從圖5中可以看出，初始含水率的變化對(duì)膨脹土內(nèi)摩擦角的影響較大。以第1次循環(huán)為例，當(dāng)膨脹土的含水率從15%增大到21%時(shí)，內(nèi)摩擦角在25.64°～11.58°之間變化，在整個(gè)變化過程中呈線性減小。土的內(nèi)摩擦角與土的顆粒結(jié)構(gòu)、大小及密實(shí)度密切相關(guān)［10］。百色膨脹土為細(xì)粒含量高的粘性土，含水率變化會(huì)引起其顆粒結(jié)構(gòu)、大小及密實(shí)度的顯著變化，因此，含水率的變化對(duì)該膨脹土內(nèi)摩擦角的影響較大。

圖4 粘聚力隨含水率變化的關(guān)系（Δω＝7.5%）Fig.4 The change of the cohesion with moisture contents（Δω＝7.5%）

圖5 內(nèi)摩擦角隨含水率變化的關(guān)系（Δω＝7.5%）Fig.5 The change of the internal friction angle with moisture contents（Δω＝7.5%）

2.3 強(qiáng)度參數(shù)與循環(huán)幅度的關(guān)系

為了探討干、濕循環(huán)幅度對(duì)膨脹土強(qiáng)度參數(shù)的影響，以初始含水率為17%的膨脹土抗剪強(qiáng)度參數(shù)為例，繪制了粘聚力、內(nèi)摩擦角與循環(huán)幅度的關(guān)系曲線，分別如圖6，7所示。從圖6，7中可以看出，干、濕循環(huán)次數(shù)從第1～6次后，粘聚力c隨循環(huán)幅度逐漸減小，曲線從上到下逐漸變得密集。這說明隨著循環(huán)次數(shù)的增加，粘聚力隨循環(huán)次數(shù)的增加逐漸趨于一穩(wěn)定值。內(nèi)摩擦角φ隨循環(huán)幅度的變化曲線，則表現(xiàn)為起伏波動(dòng)特征，沒有發(fā)現(xiàn)一定的規(guī)律性，可認(rèn)為內(nèi)摩擦角不受循環(huán)幅度的控制。

圖6 粘聚力隨循環(huán)幅度變化的關(guān)系（w＝17%）Fig.6 The change of the cohesion with the cycle amplitude（w ＝17%）

圖7 內(nèi)摩擦角隨循環(huán)幅度變化的關(guān)系（w＝17%）Fig.7 The change of the internal friction angle with the cycle amplitude（w ＝17%）

膨脹土的干、濕循環(huán)是一個(gè)由于基質(zhì)吸力反復(fù)加、卸載，導(dǎo)致土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的疲勞破壞的過程，其中吸力的變化幅值（循環(huán)幅度值）對(duì)土體的力學(xué)性狀具有重要的影響。盡管在基質(zhì)吸力的作用下，土體不會(huì)出現(xiàn)突然的失穩(wěn)破壞狀態(tài)，但經(jīng)過多次干、濕循環(huán)后膨脹土的力學(xué)性質(zhì)均會(huì)衰減而趨于穩(wěn)定狀態(tài)，強(qiáng)度指標(biāo)不再隨循環(huán)次數(shù)的增加而發(fā)生改變。這一點(diǎn)與文獻(xiàn)［11］得到的結(jié)論一致。試驗(yàn)結(jié)果表明，膨脹土強(qiáng)度參數(shù)的變化與干、濕循環(huán)的控制參數(shù)密切相關(guān)。該控制參數(shù)主要有循環(huán)溫度、含水率、循環(huán)次數(shù)及循環(huán)幅度等，因此，對(duì)于多個(gè)溫度或多個(gè)循環(huán)幅度的共同作用時(shí)，還需要討論與溫度或者循環(huán)幅度作用的順序問題。通過多個(gè)溫度或者循環(huán)幅度組合效應(yīng)的試驗(yàn)研究，探討膨脹土的強(qiáng)度特性，將更好地與實(shí)際工程應(yīng)用接軌，促進(jìn)研究的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)論

1）膨脹土的粘聚力c隨干、濕循環(huán)次數(shù)的增加呈衰減趨勢(shì)，循環(huán)幅度越大，相應(yīng)的c衰減程度越大，但內(nèi)摩擦角φ受干、濕循環(huán)次數(shù)和循環(huán)幅度作用的影響不大 ?？辜魪?qiáng)度的衰減與干、濕循環(huán)控制參數(shù)密切相關(guān)。

2）隨著初始含水率的增大，第0～6次干、濕循環(huán)后的粘聚力均下降，但下降的趨勢(shì)具有明顯的階段性。初始含水率的變化對(duì)膨脹土內(nèi)摩擦角的影響較大，隨含水率的增大，內(nèi)摩擦角有線性衰減的規(guī)律。

3）第1～6次干、濕循環(huán)后，粘聚力c隨循環(huán)幅度逐漸減小，趨于一穩(wěn)定值。而內(nèi)摩擦角不受循環(huán)幅度的控制。對(duì)于多個(gè)溫度或多個(gè)循環(huán)幅度的共同作用時(shí)，還需要討論多個(gè)溫度或者循環(huán)幅度組合效應(yīng)的試驗(yàn)研究，以促進(jìn)研究的實(shí)用價(jià)值。

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）：

［1］ 譚羅榮，孔令偉.膨脹土的強(qiáng)度特性研究［J］.巖土力學(xué)，2005，26（7）：1009－1013.（TAN Luo－rong，KONG Ling－wei.Study on strength bebaviors of the expansive soil［J］.Rock and Soil Mechanics，2005，26（7）：1009－1013.（in Chinese））

［2］ 徐彬，殷宗澤，劉述麗.膨脹土強(qiáng)度影響因素與規(guī)律的試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2011，32（1）：44－50.（XU Bin，YIN Zong－ze，LIU Shu－li.Experimental study on factors influencing the expansive soil strength［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32（1）：44－50.（in Chinese））

［3］ 楊和平，肖奪.干濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響［J］.長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，2（2）：1－5.（YANG He－ping，XIAO Duo.The influence of alternate dry－wet effects on the strength characteristics of expansive soils［J］.Journal of Changsha University of Science and Technology：Natural Science，2005，2（2）：1－5.（in Chinese））

［4］ 詹良通，吳宏偉.吸力對(duì)非飽和膨脹土抗剪強(qiáng)度及剪脹特性的影響［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29（1）：82－86.（ZHAN Liang－tong，WU Hong－wei.Effect of the suction on the shear strength and the dilatancy of an unsaturated expansive clay［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2007，29（1）：82－86.（in Chinese））

［5］ 詹良通，吳宏偉.非飽和膨脹土變形和強(qiáng)度特性的三軸試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（2）：196－201.（ZHAN Liang－tong，WU Hong－wei.Experimental study on mechanical behaviors of the recompacted unsaturated expansive clay［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28（2）：196－201.（in Chinese））

［6］ 林鴻州，李廣信，于玉貞，等.基質(zhì)吸力對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度的影響［J］.巖土力學(xué)，2007，28（9）：1931－1936.（LIN Hong－zhou，LI Guang－xin，YU Yu－zhen，et al.Influence of the matric suction on shear strength behaviors of unsaturated soils［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，28（9）：1931－1936.（in Chinese））

［7］ 韓華強(qiáng)，陳生水，鄭澄鋒.非飽和膨脹土強(qiáng)度及變形特性試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30（12）：1872－1876.（HAN Hua－qiang，CHEN Sheng－shui，ZHENG Cheng－feng.Experimental study on the strength and the deformation of unsaturated expansive soils［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，30（12）：1872－1876.（in Chinese））

［8］ 楊和平，劉艷強(qiáng)，李晗峰.干濕循環(huán)條件下碾壓膨脹土的裂隙發(fā)展規(guī)律［J］.交通科學(xué)與工程，2012，28（1）：1－5.（YANG He－ping，LIU Yan－qiang，LI Han－feng.The development of cracks of compacted expansive soils under dry－wet cycling［J］.Journal of Transport Science and Engineering，2012，28（1）：1－5.（in Chinese））

［9］ 張銳.寧明非飽和膨脹土強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究［D］.長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2005.（ZHANG Rui.Testing study on strength charcteristics of Ningming unsaturated expansive soils［D］.Changsha：Changsha University of Science ＆ Technology，2005.（in Chinese））

［10］ 楊慶，賀潔，欒茂田.非飽和紅黏土和膨脹土抗剪強(qiáng)度的比較研究［J］.巖土力學(xué)，2003，24（1）：13－16.（YANG Qing，HE Jie，LUAN Mao－tian.Comparative study on shear strength of unsaturated red clay and expansive soils［J］.Rock and Soil Mechanics，2003，24（1）：13－16.（in Chinese））

［11］ 呂海波，曾召田，趙艷林，等.膨脹土強(qiáng)度干濕循環(huán)試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2009，30（12）：3797－3802.（LV Hai－bo，ZENG Zhao－tian，ZHAO Yan－lin，et al.Experimental studies on the strength of expansive soils in drying and wetting cycles［J］.Rock and Soil Mechanics，2009，30（12）：3797－3802.（in Chinese））