干濕循環(huán)條件下陜南膨脹土力學(xué)特性研究*

支梟雄， 李寶平， 張 玉,2，王哲成，王 鵬

(1.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710021;2.西安理工大學(xué) 陜西省黃土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710048)

膨脹土在我國分布十分廣泛。近年來，膨脹土地區(qū)發(fā)生沉降破壞的情況越來越多，因此膨脹土地區(qū)安全合理的工程設(shè)計(jì)及施工已成為一個(gè)亟待解決的重要問題。土的抗剪強(qiáng)度是地基工程和邊坡工程設(shè)計(jì)過程中的主要指標(biāo)之一。尤其在各季節(jié)不同氣候的干濕循環(huán)作用條件下,由于膨脹土顯著的脹縮和裂隙特性，使土體抗剪強(qiáng)度極易發(fā)生變化，進(jìn)而對建筑物造成危害，這是目前我國膨脹土地區(qū)工程建設(shè)過程中的主要致災(zāi)因素。因此研究干濕循環(huán)作用下陜南膨脹土的力學(xué)特性有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

國內(nèi)外學(xué)者[1-4]對膨脹土受干濕循環(huán)作用的影響做了大量的研究工作，并取得了豐富的研究成果。文獻(xiàn)[5]模擬大氣干濕循環(huán)條件，對擊實(shí)的膨脹土土樣通過直剪試驗(yàn)測定其抗剪強(qiáng)度，結(jié)果表明氣候是膨脹土強(qiáng)度的一個(gè)重要影響因素,因此在進(jìn)行膨脹土地區(qū)工程設(shè)計(jì)和研究時(shí),必須考慮膨脹土抗剪強(qiáng)度受季節(jié)性干濕循環(huán)作用的影響。文獻(xiàn)[6]研究表明，模擬大氣干濕循環(huán)效應(yīng)并開展常規(guī)三軸試驗(yàn)對于合理分析并正確評價(jià)膨脹土土坡淺層坍滑的破壞特性是不可或缺的。文獻(xiàn)[7]對擊實(shí)的膨脹土試樣進(jìn)行模擬不同干濕循環(huán)路徑條件下的試驗(yàn),研究表明膨脹土的抗剪強(qiáng)度在少于5次干濕循環(huán)次數(shù)條件下不能很好地反映抗剪強(qiáng)度的衰減;而超過5次干濕循環(huán)，則周期過長并且沒有有效的研究價(jià)值。研究發(fā)現(xiàn)約5次的干濕循環(huán)后,膨脹土的抗剪強(qiáng)度趨于穩(wěn)定狀態(tài),因此進(jìn)行陜南膨脹土干濕循環(huán)研究時(shí)將5次干濕循環(huán)作為一個(gè)特征循環(huán)次數(shù)。文獻(xiàn)[8]主要探究干濕循環(huán)下裂隙發(fā)展與抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系，研究表明干密度和初始含水率對膨脹土的裂隙發(fā)展有一定程度的影響，干濕循環(huán)次數(shù)和干密度兩個(gè)因素對抗剪強(qiáng)度的大小都有不同程度的影響，未能定量探討干濕循環(huán)次數(shù)和干密度等參數(shù)對膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響程度。文獻(xiàn)[9]研究表明當(dāng)含水率增大時(shí)，弱膨脹土的抗剪強(qiáng)度有非常明顯的降低趨勢,并且含水率與黏聚力有類似指數(shù)函數(shù)的關(guān)系,與內(nèi)摩擦角有明顯的線性遞減關(guān)系,其主要研究膨脹土的抗剪強(qiáng)度隨潛勢的變化規(guī)律，未能定量地揭示初始含水率與膨脹土抗剪強(qiáng)度的關(guān)系。文獻(xiàn)[10]在模擬大氣干濕循環(huán)條件下對膨脹土土樣進(jìn)行直剪和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明膨脹土的抗剪強(qiáng)度隨著干濕次數(shù)的增加而衰減,究其原因主要是由于干濕循環(huán)效應(yīng)破壞了土體本身的結(jié)構(gòu)，使得黏聚力隨循環(huán)次數(shù)的增多而減小。采用直剪試驗(yàn)測定膨脹土強(qiáng)度，而直剪試驗(yàn)不能準(zhǔn)確地反映膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系，與之相比常規(guī)三軸試驗(yàn)更加符合陜南地區(qū)弱膨脹土在工程建設(shè)中的實(shí)際受力情況。文獻(xiàn)[11]主要研究風(fēng)化砂改良膨脹土在干濕循環(huán)條件下抗剪強(qiáng)度的變化情況。研究表明在第2次和第3次干濕循環(huán)過程中,土體抗剪強(qiáng)度減小的程度最大,之后的循環(huán)過程中衰減幅度逐漸減小直到最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),原狀膨脹土是否有類似的特征，值得學(xué)者進(jìn)一步探討研究。文獻(xiàn)[12]研究表明原狀膨脹土和重塑膨脹土經(jīng)過模擬大氣干濕循環(huán)效應(yīng)后的抗剪強(qiáng)度衰減主要表現(xiàn)在其黏聚力參數(shù)的大幅度減少，其試驗(yàn)方案和控制條件仍未能更好的模擬實(shí)際膨脹土地區(qū)工程建設(shè)。

從上述研究可見，目前我國膨脹土研究多集中于西南區(qū)域，而針對陜南地區(qū)弱膨脹土的研究較少，由于陜南地區(qū)工程建設(shè)的急切需要，陜南膨脹土的力學(xué)特性研究成為一個(gè)亟待解決的課題。基于此，本文選用陜南地區(qū)膨脹土作為研究對象，通過模擬大氣干濕循環(huán)過程進(jìn)行常規(guī)三軸試驗(yàn)，分析膨脹土土樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和抗剪強(qiáng)度特性，從而揭示膨脹土危害機(jī)理，同時(shí)為陜南地區(qū)工程建設(shè)和后續(xù)研究提供一定的參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用膨脹土土樣取自陜西省漢中市勉縣，土體顏色呈紅褐色并夾雜灰白色黏土條帶，為弱膨脹土。陜南膨脹土試樣的基本物理特性參數(shù)見表1。

表1 陜南膨脹土試樣基本物理特性

通過人工增濕法配置不同含水率的陜南膨脹土土樣，待土樣中的水分完全擴(kuò)散均勻后，采用開放系統(tǒng)的室內(nèi)模擬干濕循環(huán)試驗(yàn)，模擬自然條件下風(fēng)干和下雨增濕的實(shí)際環(huán)境。綜合參考陜南勉縣地區(qū)歷年的降雨量，將試樣加濕至30%，脫濕至10%作為試驗(yàn)控制點(diǎn)。分別進(jìn)行1次、3次、5次干濕循環(huán)，采用固結(jié)排水試驗(yàn)，以便用較簡便的方法來研究陜南地區(qū)膨脹土的靜力學(xué)特性。

2 結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變影響因素分析

2.1.1 初始含水率對應(yīng)力-應(yīng)變的影響

根據(jù)常規(guī)三軸試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，得到膨脹土在含水率為15%，18%，21%，24%與不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律。由于實(shí)際建設(shè)工程多受到淺層低應(yīng)力影響，為了模擬實(shí)際工程情況，故以50 kPa固結(jié)圍壓條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線作為研究對象。不同含水率下陜南膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖1所示。其中σ1-σ3為大小主應(yīng)力差(σ1為大主應(yīng)力，σ3為小主應(yīng)力)，ε1為軸向應(yīng)變。

圖1 不同含水率下膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變圖

通過圖1的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，隨著軸向應(yīng)變的增加，σ1-σ3不斷增加，因此峰值應(yīng)力不斷增加；初始含水率越大，膨脹土峰值強(qiáng)度越低。不同干濕循環(huán)條件下，初始含水率與峰值應(yīng)力的關(guān)系如圖2所示。由圖2可以明顯看出，隨著含水率的增加，峰值應(yīng)力基本呈線性關(guān)系降低；且未經(jīng)干濕循環(huán)的膨脹土與經(jīng)過干濕循環(huán)的膨脹土相比，未經(jīng)干濕循環(huán)的土樣峰值應(yīng)力降低幅度遠(yuǎn)大于經(jīng)過干濕循環(huán)的土樣。初始含水率與峰值應(yīng)力擬合關(guān)系見表2。其中R2為擬合指數(shù)。

圖2 初始含水率與峰值應(yīng)力圖

由表2可以看出，R2均大于0.99，說明函數(shù)擬合狀況良好。表明隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加,應(yīng)力-應(yīng)變曲線上最高點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)力值逐漸降低，說明峰值強(qiáng)度和干濕循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)，且第一次干濕循環(huán)對峰值強(qiáng)度的影響較大。

表2 初始含水率與峰值應(yīng)力擬合函數(shù)關(guān)系表

2.1.2 干濕循環(huán)次數(shù)對應(yīng)力-應(yīng)變的影響

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以峰值應(yīng)力為縱坐標(biāo)，軸向應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，得到不同干濕循環(huán)次數(shù)下陜南膨脹土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。干濕循環(huán)次數(shù)與峰值應(yīng)力具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)下陜南膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變圖

由圖3和表3可得第一次干濕循環(huán)對土體峰值強(qiáng)度的衰減作用相較后續(xù)干濕循環(huán)要明顯很多。陜南膨脹土應(yīng)力-應(yīng)變曲線在不同干濕循環(huán)次數(shù)和初始含水率條件下都會表現(xiàn)出土的應(yīng)變硬化性質(zhì)。初始含水率為15%時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線增長幅度比24%時(shí)要大,說明在較高含水率下,多次干濕循環(huán)對峰值強(qiáng)度的衰減較大，這是由于較高含水率下自由水含量較多,土顆粒間膠結(jié)物質(zhì)溶解破壞能力增強(qiáng)。

表3 峰值應(yīng)力表

2.2 抗剪強(qiáng)度影響因素分析

剪切破壞是膨脹土強(qiáng)度破壞的一個(gè)重要特性,當(dāng)土體部分剪應(yīng)力達(dá)到極限抗剪強(qiáng)度時(shí),就會出現(xiàn)剪切破壞,膨脹土抗剪力的最大值就是抗剪強(qiáng)度值,抗剪強(qiáng)度特性分析主要針對黏聚力和內(nèi)摩擦角。通過常規(guī)三軸試驗(yàn)所得數(shù)據(jù),得到相應(yīng)的莫爾應(yīng)力圓和強(qiáng)度包線,進(jìn)一步得到線性函數(shù)方程。通過分析初始含水率和干濕循環(huán)次數(shù)兩個(gè)因素對陜南膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響，對膨脹土強(qiáng)度特性進(jìn)行研究，在18%含水率條件下，分別進(jìn)行1，3，5次干濕循環(huán)周期，得到不同干濕循環(huán)次數(shù)下的摩爾應(yīng)力圓和強(qiáng)度包線如圖4所示。其中τ為剪應(yīng)力，σ為正應(yīng)力。

根據(jù)圖4得到擬合強(qiáng)度包線，其中擬合方程τ=kσ+b中的系數(shù)k為內(nèi)摩擦角的正切值，反算可得出內(nèi)摩擦角，方程的b值為黏聚力，抗剪強(qiáng)度擬合參數(shù)值見表4。

圖4 陜南膨脹土莫爾應(yīng)力圓及其強(qiáng)度包線

表4 不同干濕循環(huán)次數(shù)下抗剪強(qiáng)度參數(shù)值

2.2.1 干濕循環(huán)次數(shù)對黏聚力及內(nèi)摩擦角的影響

對干濕循環(huán)條件下陜南膨脹土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行研究，得到陜南膨脹土干濕循環(huán)次數(shù)和黏聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系如圖5～6所示。

通過圖5～6可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)不斷增加時(shí),膨脹土試樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)逐漸降低,干濕循環(huán)條件下膨脹土抗剪強(qiáng)度的降低主要是黏聚力降低幅度較大，內(nèi)摩擦角僅降低了很小的幅度，這是因?yàn)楦蓾裱h(huán)破壞了土的原有結(jié)構(gòu)，使得黏聚力減小，且減小幅度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多而減小。

圖5 陜南膨脹土黏聚力與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系

圖6 陜南膨脹土內(nèi)摩擦角與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系

2.2.2 初始含水率對黏聚力及內(nèi)摩擦角的影響

陜南膨脹土試樣在干濕循環(huán)條件下黏聚力、內(nèi)摩擦角與初始含水率之間的關(guān)系分別如圖7～8所示。黏聚力與初始含水率擬合數(shù)據(jù)見表5。

由圖7～8可以看出初始含水率和黏聚力之間呈線性變化關(guān)系。初始含水率越大，黏聚力和內(nèi)摩擦角受到的影響越大。如果初始含水率大于24%且繼續(xù)增加，兩者關(guān)系會逐漸從線性關(guān)系向類似指數(shù)關(guān)系發(fā)展，這進(jìn)一步說明了高含水率對陜南弱膨脹土地基的損傷性。由表5可知，擬合指數(shù)R2均大于0.99，說明函數(shù)擬合狀況良好。不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下,當(dāng)初始含水率增加時(shí)，陜南膨脹土黏聚力和內(nèi)摩擦角指標(biāo)均減小，且呈線性關(guān)系。

圖7 陜南膨脹土黏聚力與初始含水率的關(guān)系

圖8 陜南膨脹土內(nèi)摩擦角與初始含水率的關(guān)系

表5 黏聚力和含水率擬合函數(shù)表

3 結(jié) 論

1) 膨脹土強(qiáng)度的峰值應(yīng)力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增大而減小,且第一次干濕循環(huán)后峰值強(qiáng)度的降低幅度要明顯大于后續(xù)干濕循環(huán)。

2) 干濕循環(huán)次數(shù)依次增加時(shí),膨脹土抗剪強(qiáng)度衰減。多次干濕循環(huán)作用下，膨脹土力學(xué)性能下降，主要是因?yàn)轲ぞ哿Υ蠓档退斐傻目辜魪?qiáng)度衰減。第一次干濕循環(huán)對膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于后續(xù)干濕循環(huán)。

3) 膨脹土的抗剪強(qiáng)度隨初始含水率的增大而降低且大致呈線性相關(guān)。