干濕循環(huán)作用對合肥膨脹土的影響

謝舒雷, 朱大勇, 侯超群， 孫志彬

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009； 2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

干濕循環(huán)作用對合肥膨脹土的影響

謝舒雷1, 朱大勇2, 侯超群1， 孫志彬1

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,安徽 合肥 230009； 2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

文章對干濕循環(huán)作用下合肥地區(qū)膨脹土的表觀形態(tài)和工程特性開展研究,采用圖像分析、直剪試驗等手段研究干濕循環(huán)條件下各指標(biāo)的變化特征。試驗結(jié)果反映強(qiáng)度指數(shù)隨含水率的增加呈下降趨勢,在高含水率條件下,強(qiáng)度主要由黏聚力提供;干濕循環(huán)過程中裂隙的發(fā)展可分為微裂縫-主裂隙-破碎3個階段,試樣的抗剪強(qiáng)度隨著表面裂隙率指標(biāo)增加呈均顯著衰減趨勢。分析表明，膨脹土臨界破壞時,其強(qiáng)度主要由黏聚力提供。最后探討了干濕循環(huán)作用形成裂隙與土中水在破壞膨脹土土體過程中的相互關(guān)聯(lián)。

合肥膨脹土;干濕循環(huán);表面裂隙率;抗剪強(qiáng)度

0 引 言

在受季風(fēng)氣候控制的地區(qū),土體在夏季高溫多雨的影響下會反復(fù)經(jīng)歷降雨吸水-干燥脫水的過程。膨脹土遇水膨脹、失水收縮的特性在這種環(huán)境下更為明顯。含水率的上升使膨脹土體積增加,強(qiáng)度下降;失水時則在收縮不均的過程中產(chǎn)生裂縫。干濕交替循環(huán)作用導(dǎo)致裂隙擴(kuò)大,改變了土體結(jié)構(gòu),更增加了其與外界的接觸面積,使得破壞進(jìn)程加快且不具有明顯的規(guī)律性。文獻(xiàn)[1]通過原位氣象數(shù)據(jù)分析與試驗證實了降雨與蒸發(fā)效應(yīng)是膨脹土邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素。但現(xiàn)場試驗耗費(fèi)人力物力,且不易控制試驗條件,因而膨脹土的干濕循環(huán)模擬仍以室內(nèi)試驗為主。國內(nèi)學(xué)者對其進(jìn)行了多項試驗,試驗的方向主要為:

(1) 干濕循環(huán)引起的強(qiáng)度衰減。利用直剪儀、三軸儀或非飽和土工儀器,測量強(qiáng)度參數(shù)在循環(huán)過程中的變化,文獻(xiàn)[2]指出膨脹土強(qiáng)度在多次循環(huán)后基本不變,接近殘余強(qiáng)度;文獻(xiàn)[3]指出常規(guī)直剪下干濕循環(huán)過程使黏聚力c值大幅降低而對φ值影響較小;文獻(xiàn)[4]在測得的SWCC曲線滯回圈中指出脫濕過程中試樣抗剪強(qiáng)度低于吸濕過程;文獻(xiàn)[5]指出干濕循環(huán)使得有效內(nèi)摩擦角φ′和吸力內(nèi)摩擦角φb均降低；文獻(xiàn)[6-7]分別研究了SH固化劑、摻沙法改良膨脹土在干濕循環(huán)下的強(qiáng)度性能。

(2) 干濕循環(huán)造成的形態(tài)變化。該形態(tài)變化包括利用土的數(shù)碼圖像來探究其宏觀裂隙發(fā)育[8],利用電子顯微鏡圖像研究循環(huán)下微觀結(jié)構(gòu)的變化路徑[9],以及運(yùn)用CT圖像測定干濕過程中裂隙擴(kuò)展閉合、結(jié)構(gòu)損傷與修復(fù)[10],運(yùn)用壓汞試驗測定微孔隙參數(shù)的變化[11]等。

這2類試驗為更好地研究膨脹土干濕循環(huán)規(guī)律提供了有效的途徑和寶貴的經(jīng)驗,但兩者之間缺乏關(guān)聯(lián)性,即很難定量地說明土體結(jié)構(gòu)形態(tài)的改變對強(qiáng)度參數(shù)產(chǎn)生影響的程度。文獻(xiàn)[12]分析了裂縫的開展對膨脹土抗剪強(qiáng)度衰減的影響,并提出了經(jīng)驗公式,但該公式中自變量為干濕循環(huán)次數(shù),沒有使用與裂隙相關(guān)的定量分析指標(biāo)。

合肥地區(qū)的膨脹土膨脹潛勢不強(qiáng),屬于弱-中型膨脹土，但分布廣泛,且該地區(qū)建筑、道路密集,危害較為嚴(yán)重[13]。文獻(xiàn)[14]對該地膨脹土工程性質(zhì)進(jìn)行概述；文獻(xiàn)[15]研究了其礦物組成和微結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[16]測得了該地一組土水特征曲線。本文嘗試采用室內(nèi)直剪試驗,結(jié)合對裂隙的圖像分析可得,合肥膨脹土在干濕循環(huán)條件下,含水率及裂隙發(fā)育對土體強(qiáng)度的影響,以期進(jìn)一步認(rèn)識該地區(qū)膨脹土的工程特性,并在此基礎(chǔ)上建立膨脹土裂隙發(fā)育與強(qiáng)度指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系。

1 膨脹土含水率與強(qiáng)度的關(guān)系

膨脹土干燥時極堅硬而遇水之后迅速軟化,強(qiáng)度下降快。文獻(xiàn)[2]指出,含水率上升6%,膨脹土的黏聚力c下降約150 kPa。如果忽略裂隙的影響,膨脹土的干濕循環(huán)過程就是含水率反復(fù)升高-降低的過程。因此,控制其他條件不變,可將含水率和裂隙率作為2個分開的自變量獨(dú)立分析,并探究兩者與強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)。

本文試驗采用的土樣取自合肥市鳳陽路與臨泉路之間,南淝河一、二級階地交界處。取土地點(diǎn)位于文獻(xiàn)[17]中ⅠB區(qū)與ⅡB區(qū)的邊界位置?，F(xiàn)場鉆孔取樣的結(jié)果顯示該地的地層分布為:上層1.5 m為褐黃色雜填土,下層至7.5 m深處均為超固結(jié)性的硬塑態(tài)黏土,土質(zhì)較均勻。試樣的取土深度為2.5～4 m,所取試樣呈棕黃-灰黃色,部分夾雜灰白色塊,含有褐黑色鐵錳結(jié)核,沿裂隙切開時表面呈蠟質(zhì)光澤,遇水時軟化極快,不能維持自身形狀。其基本物理性質(zhì)見表1所列。

表1 試驗用土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

采用直剪試驗,控制其他指標(biāo)參數(shù)不變,分別對每組試樣進(jìn)行浸水處理(未處理、浸水3 h、浸水12 h、浸水48 h),處理后放置在密閉容器內(nèi)24 h使其水分分布均勻。4組試樣測得的含水率分別為21.5%、26.0%、30.0%、33.0%。

對4組試樣進(jìn)行快剪試驗,其強(qiáng)度指標(biāo)c、φ隨含水率的變化規(guī)律如圖1所示。在該膨脹土的塑性含水率區(qū)間內(nèi),隨著含水率的上升,c、φ指標(biāo)均大幅下降:在含水率從21.5%發(fā)展到33%的過程中,黏聚力喪失了88.0%,內(nèi)摩擦角衰減了77.6%,下降至僅4.5°。

圖1 強(qiáng)度指標(biāo)與含水率之間的變化關(guān)系

對比文獻(xiàn)[2,14,18]發(fā)現(xiàn)，與其他地區(qū)相比,合肥膨脹土強(qiáng)度受含水率變化的影響較明顯,在遇到降雨、河水沖刷等浸水條件下,浸水原狀土強(qiáng)度甚至可能低于經(jīng)過反復(fù)干濕循環(huán)后破碎的干土強(qiáng)度,說明水對強(qiáng)度的影響較為顯著。同時,試驗中浸水后內(nèi)摩擦角急劇下降(不足5°)，說明在高含水率條件下,膨脹土抗剪強(qiáng)度主要由黏聚力提供。

2 干濕循環(huán)對膨脹土裂隙的影響

2.1 試驗方法

制取循環(huán)試樣時,將取得的圓柱狀土樣切成直徑略大于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀,高度為30～35 mm的土餅,對其表面拍照。拍照后將其放置在水槽中,連續(xù)向土餅表面噴水直至注水水平面略高于土餅,浸水24 h使試樣充分吸水。而后將土餅放入烘箱,模擬夏季地表溫度(45 ℃)加熱8 h(此時的含水率穩(wěn)定在7%±1%),取出后靜置拍照。如此為土樣經(jīng)歷了一次干濕循環(huán)。本試驗共制得3組完整的循環(huán)試樣,每組4枚。在該過程中除浸水和烘干外不對試樣進(jìn)行任何的接觸及擾動。

2.2 試驗結(jié)果及分析對比

與自然的降雨-風(fēng)干作用相比,本試驗中每次干濕循環(huán)都經(jīng)歷了飽和-烘干的過程,含水率變化明顯,因此每次循環(huán)后相比前次,土樣在表觀形態(tài)上都有較大差異。有代表性的一組土餅在0～3次循環(huán)下,表面形態(tài)發(fā)生的變化如圖2所示，圖2中，0次循環(huán)時為原狀土,1～3次循環(huán)時為烘干土。

第1次循環(huán)(微裂縫階段)。試樣發(fā)生不均勻變形,使土餅表面凹凸不平,在灰白土帶集中的區(qū)域、試樣邊緣處以及與鐵錳結(jié)核交界處等產(chǎn)生少許微裂縫。

第2次循環(huán)(主裂隙階段)。前述微裂縫擴(kuò)大,產(chǎn)生若干條貫穿試樣的主裂隙,裂隙寬度增加明顯,達(dá)到1～2 mm。部分裂隙交錯連通,產(chǎn)生數(shù)個裂隙節(jié)點(diǎn),并將土餅表面分割成大小不等的若干區(qū)域。試樣邊緣出現(xiàn)碎裂。

第3次循環(huán)(破碎階段)。主裂縫消失,多條極不規(guī)則的網(wǎng)狀細(xì)裂縫出現(xiàn),呈網(wǎng)狀分割土樣,表面出現(xiàn)大量細(xì)屑土粒突出。裂隙總長度、節(jié)點(diǎn)個數(shù)和分隔的土塊數(shù)量迅速上升,但裂隙平均長度、寬度、土塊平均面積大幅下降。大部分裂隙已完全連通。試樣邊緣進(jìn)一步碎裂崩解。

第4次循環(huán)(圖中未表示)。幾乎所有試樣已經(jīng)完全崩解,分解成眾多顆粒,喪失原有的形狀。

對圖2示中后3幅(經(jīng)過循環(huán)的)土樣圖片利用圖像處理軟件二值化(灰度閾值統(tǒng)一選取為96)、降噪處理得到僅反映裂隙的黑白圖像如圖3所示。

圖2 0～3次干濕循環(huán)后土餅試樣的裂隙開展

圖3 3組土餅試樣的二值化圖

裂隙網(wǎng)絡(luò)圖像的定量分析指標(biāo)很多,如表面裂隙率、裂隙節(jié)點(diǎn)個數(shù)、裂隙條數(shù)、總長度、平均長度、土塊個數(shù)、平均面積等[19]。表面裂隙率是反映土體開裂程度的最基本指標(biāo),可較好地反映土體的開裂程度變化規(guī)律。對不同循環(huán)次數(shù)下表面裂隙率的比較如圖4所示。其中第3次循環(huán)的試樣由于邊緣崩解,只選取了土餅中心部分(面積占總面積50%)進(jìn)行計算。由圖4可知，在表面裂隙率的增長絕大多數(shù)發(fā)生在主裂縫發(fā)展的階段,而第1次循環(huán)、第2次循環(huán)所帶來的表面裂隙率增長幅度較小。

圖4 干濕循環(huán)后土餅表面裂隙率的變化

在文獻(xiàn)[8]中,表面裂隙率在第1次干濕循環(huán)時達(dá)到極值,隨后降低至一穩(wěn)定值,這可能與試驗制樣有關(guān)。文獻(xiàn)[8]中土樣被放置在容器或環(huán)刀內(nèi),存在側(cè)限約束,干濕循環(huán)中土樣只能豎向變形,不能發(fā)生側(cè)向膨脹。本文采用的土餅無側(cè)限膨脹方法類似于文獻(xiàn)[20],不限制試樣的體積變形,其裂隙開展規(guī)律與本文類似。

3 干濕循環(huán)對膨脹土強(qiáng)度的影響

3.1 試驗方法

測定抗剪強(qiáng)度時,先將有裂縫的干燥土餅小心地從水槽中取出,放入保濕箱中,用噴霧器灑少許水養(yǎng)護(hù)至含水率接近原狀土(21%)后取樣。該直剪試驗未采用飽和試樣,原因是循環(huán)到3次后試樣已極為破碎,飽和后取樣困難。用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀從已經(jīng)歷干濕循環(huán)的土餅上切取環(huán)刀樣,確保能保留絕大多數(shù)的表面、淺層裂隙,然后進(jìn)行快剪試驗。

3.2 試驗結(jié)果及分析

直剪試驗結(jié)果如圖5所示,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,裂隙的發(fā)展,一組試驗的4個試樣存在結(jié)構(gòu)性差異,部分應(yīng)力-應(yīng)變曲線線型出現(xiàn)不連續(xù)等現(xiàn)象。直剪試驗強(qiáng)度指標(biāo)c、φ與循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系如圖6所示。由圖6可知，c在第2次循環(huán)時有較大的下降,經(jīng)過3次循環(huán)后共計衰減84.0%;φ下降過程較為平緩,近似于隨循環(huán)次數(shù)的增加線性減小,3次循環(huán)后相比原狀樣下降了49.9%。由圖4、圖5可知該土樣的表面裂隙率、c2項指標(biāo)有很高的關(guān)聯(lián)性。1～2次循環(huán)時裂隙率大幅上升,平均增加量占最終裂隙率的69.5%,黏聚力c亦大幅下降,下降值占初始黏聚力c的69.8%。0～1、2～3次循環(huán)時表面裂隙率上升幅度較小,黏聚力c也無較大變化。3次循環(huán)以后的干土餅,土餅結(jié)構(gòu)基本破碎,表面的粗顆粒、細(xì)顆粒之間已基本喪失黏結(jié)力,且這類黏結(jié)力不能通過再次吸濕膨脹而恢復(fù),因此可認(rèn)為在3次循環(huán)以后,黏聚力不再明顯變化。

圖5 1～3次循環(huán)下的直剪試驗結(jié)果

圖6 強(qiáng)度指標(biāo)與循環(huán)次數(shù)之間的變化關(guān)系

文獻(xiàn)[12]提出了一反映膨脹土強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而降低規(guī)律的經(jīng)驗公式,采用衰減型雙曲線擬合。本文將黏聚力公式中的循環(huán)次數(shù)指標(biāo)替換為裂隙率指標(biāo),形式為:

其中,r為裂隙率;c0為黏聚力的初值,即原狀土抗剪強(qiáng)度指標(biāo);a1、b1分別為擬合參數(shù)。

對黏聚力擬合得到的結(jié)果為：

其中，相關(guān)性系數(shù)r2=0.99。

正常地質(zhì)情況下膨脹土的裂縫開展深度不深,膨脹土邊坡發(fā)生滑坡時一般屬于淺層破壞,不少滑面深度[3]小于2 m,發(fā)生破壞時上覆荷載較小,且根據(jù)本文試驗,3次干濕循環(huán)后內(nèi)摩擦角降至10.02°,說明在反復(fù)的干濕循環(huán)下內(nèi)摩擦角也會產(chǎn)生較大衰減，從而影響抗剪強(qiáng)度。綜上所述可以認(rèn)為,實際工程中膨脹土邊坡遇到類似干濕循環(huán)破壞時,其抗剪強(qiáng)度主要由黏聚力提供。

綜合考慮含水率和裂隙率對膨脹土強(qiáng)度的影響,兩者還存在協(xié)同作用的關(guān)系。土體的裂隙長度及面積的增加使得水易浸入裂隙,加快了膨脹土含水率的增長速率;自由水進(jìn)入裂隙后難以被蒸發(fā),同時因膨脹土本身滲透率低也難以滲出,從而在裂縫中長期存在,向下緩慢滲透,還能起到劈裂土體、牽引擴(kuò)大裂隙的作用。協(xié)同作用使膨脹土土體破壞進(jìn)程加快。

4 結(jié) 論

本文通過對干濕循環(huán)下膨脹土試樣的圖像分析,同時配以直剪試驗的方法,測試了干濕循環(huán)過程中合肥膨脹土含水率、裂隙、強(qiáng)度等變化規(guī)律。

(1) 在干濕循環(huán)過程中,裂隙的產(chǎn)生發(fā)展按照微裂縫-主裂隙-破碎3個階段展開,主要體現(xiàn)在表面裂隙率指標(biāo)的變化上。直剪試驗說明干濕循環(huán)過程中隨著裂隙的發(fā)展,黏聚力和內(nèi)摩擦角都產(chǎn)生衰減,黏聚力的衰減更為顯著。

(2) 對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨表面裂隙率增加而衰減的變化規(guī)律使用經(jīng)驗公式擬合,發(fā)現(xiàn)黏聚力指標(biāo)是抗剪強(qiáng)度的主要組成,其變化與表面裂隙率關(guān)聯(lián)度較高,內(nèi)摩擦角對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較低。

(3) 膨脹土含水率在塑性含水率區(qū)間的上升亦使土壤強(qiáng)度顯著下降,同時干濕循環(huán)作用形成裂隙與水的相互作用,加速膨脹土體的破壞進(jìn)程。

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(責(zé)任編輯 馬國鋒)

Test on the influence of drying-wetting cycles on expansive soil in Hefei

XIE Shulei1, ZHU Dayong2, HOU Chaoqun1， SUN Zhibin1

(1.School of Automobile and Traffic Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China; 2.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology， Hefei 230009， China)

In this paper， the morphological characteristics and strength change of the expansive soil in Hefei area under the action of the drying-wetting cycles are investigated by using the image analysis and direct shear test analysis. The results show that the strength index decreases with the increase of the moisture content， and the strength is mainly provided by the cohesion under the condition of high moisture content. The development of fracture under the drying-wetting cycles can be divided into three stages, namely the micro-fracture stage, main crack stage and broken stage. The strength of the expansive soil decreases significantly with the increase of the soil surface crack rate. According to the empirical formula fitting, at the moment of critical damage， most of the shear strength is provided by its cohesion. Finally, the interaction between the fissure and soil moisture during the destruction of the expansive soil under the drying-wetting cycles is discussed.

Hefei expansive soil; drying-wetting cycle; surface crack rate; shear strength

2015-09-02；

2015-11-23

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項目(51408180);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項科研基金資助項目(20110205110013)

謝舒雷(1991-),男,安徽歙縣人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生； 朱大勇(1965-),男,安徽樅陽人,博士，合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.03.015

TU411.3

A

1003-5060(2017)03-0368-05