干濕循環(huán)對(duì)庫(kù)岸邊坡土體抗剪強(qiáng)度特性的影響研究

蔣 壘

(山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心寒亭管理站,山東 濰坊 261000)

0 引言

庫(kù)區(qū)水位周期性波動(dòng)會(huì)引起庫(kù)岸邊坡土體經(jīng)歷長(zhǎng)期周期性干濕循環(huán),進(jìn)而導(dǎo)致庫(kù)岸土體力學(xué)性質(zhì)劣化,造成庫(kù)岸滑坡及塌岸等工程事故。目前,不少學(xué)者對(duì)干濕循環(huán)作用對(duì)土體的力學(xué)特性影響開展了廣泛的研究。呂海波等[1]基于南寧地區(qū)膨脹土強(qiáng)度干濕循環(huán)試驗(yàn),研究了土體的干濕循環(huán)作用對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響,結(jié)果表明,膨脹土抗剪強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而衰減,最終趨于穩(wěn)定;呂光東[2]基于三軸試驗(yàn)研究了干濕循環(huán)對(duì)粉質(zhì)黏土抗剪強(qiáng)度的影響,結(jié)果表明,經(jīng)歷2次干濕循環(huán)后,土體軟化速率增大,且土體黏聚力、內(nèi)摩擦角隨壓實(shí)度的增加而增加;趙靜源等[3]基于干濕循環(huán)剪切試驗(yàn)研究了陜北黃土的強(qiáng)度特性,結(jié)果表明,干濕循環(huán)作用對(duì)土力學(xué)特性的影響是由干濕循環(huán)引起塑性體積壓縮和微裂隙發(fā)展所導(dǎo)致的;鄧華鋒等[4]基于室內(nèi)試驗(yàn),分析了干濕循環(huán)作用下岸坡消落帶土體抗剪強(qiáng)度劣化規(guī)律,結(jié)果表明,土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)劣化幅度隨干濕循環(huán)次數(shù)增大而非常明顯;彭小平等[5]基于三軸試驗(yàn),研究了干濕循環(huán)對(duì)紅黏土力學(xué)特性衰減規(guī)律的影響,結(jié)果表明,第1次干濕循環(huán)對(duì)紅黏土力學(xué)指標(biāo)的影響最大;劉順青等[6]研究了鎮(zhèn)江蜀土的干濕循環(huán)力學(xué)特性,結(jié)果表明,隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加,蜀土表面裂隙明顯增加并具有不可逆性,其中吸力的存在對(duì)于蜀土的黏聚力具有提升作用,而對(duì)內(nèi)摩擦角影響不明顯;石玉玲等[7]開展了不同干濕循環(huán)路徑下的室內(nèi)直剪試驗(yàn),結(jié)果表明,黃土黏聚力呈先減小后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì),而內(nèi)摩擦角呈線性降低。

既有研究沒有考慮干濕循環(huán)幅度對(duì)土體力學(xué)屬性的影響?；谀壳暗难芯坎蛔?本文借助室內(nèi)土工試驗(yàn),采用干濕循環(huán)三軸剪切試驗(yàn),研究干濕循環(huán)次數(shù)和循環(huán)幅度對(duì)庫(kù)岸邊坡土體抗剪強(qiáng)度的影響,為水利水電工程中庫(kù)岸邊坡穩(wěn)定性計(jì)算提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)概況

研究區(qū)位于某庫(kù)岸邊坡,土體主要為黏質(zhì)土類。物理狀態(tài)呈可塑～硬塑,顏色呈黃褐色。受水庫(kù)水位波動(dòng)的影響,庫(kù)岸局部土體處于周期性干濕循環(huán)狀態(tài)。本文進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣和室內(nèi)土工試驗(yàn)。取樣深度1 m,取樣后室外進(jìn)行密封,室內(nèi)進(jìn)行干燥壓碎,最后用2 mm篩子過(guò)濾并試驗(yàn)。最終得到土體的天然密度為1.73 g/cm3,最大干密度為1.58 g/cm3,液限和塑限值分別為19.52和32.10,天然含水率和最優(yōu)含水率分別為21.57%和15.3%。

1.2 試驗(yàn)步驟及方案

試樣主要為重塑土。制樣時(shí),將土層分為三層,并進(jìn)行壓實(shí)。制樣完成后在恒濕環(huán)境下放置24 h后再進(jìn)行剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備采用應(yīng)變控制式全自動(dòng)三軸儀。剪切速率為0.6 mm/min,采用固結(jié)不排水方法控制排水條件。加載圍壓分別設(shè)置為50 kPa、100 kPa、100 kPa和300 kPa。試樣高度和直徑分別為8 cm和4 cm。試驗(yàn)干濕循環(huán)次數(shù)設(shè)置為0次、1次、2次、3次、5次和7次。含水率上限為22%,試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)干濕循環(huán)控制干濕幅度,具體干濕幅度值分別為7%～22%、10%～22%和13%～22%。具體的循環(huán)次數(shù)及對(duì)應(yīng)的含水量如圖1所示。

圖1 干濕循環(huán)示意

2 結(jié)果與分析

2.1 干濕循環(huán)幅度對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

圖2和圖3匯總得到了不同干濕循環(huán)幅度和不同加載圍壓工況下,第1次和第7次干濕循環(huán)作用與試樣應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系。結(jié)果表明：

(a)圍壓50 kPa

(d)圍壓300 kPa

(a)圍壓50 kPa

(b)圍壓100 kPa

(c)圍壓200 kPa

(d)圍壓300 kPa

(1)在相同的圍壓工況下,隨干濕循環(huán)幅度增大,試樣的主應(yīng)力差減小,且在不同圍壓下,干濕循環(huán)幅度為7%～22%時(shí)主應(yīng)力差保持最小。

(2)當(dāng)試樣經(jīng)歷7次干濕循環(huán)時(shí),干濕循環(huán)幅度與試樣的主應(yīng)力差的影響比經(jīng)歷第1次干濕循環(huán)的影響更為顯著。其中,當(dāng)圍壓為100 kPa和200 kPa時(shí),兩者的主應(yīng)力差曲線基本接近,但當(dāng)圍壓為300 kPa時(shí),干濕循環(huán)幅度對(duì)結(jié)果影響最明顯。

(3)當(dāng)圍壓相同時(shí),主應(yīng)力差值隨干濕循環(huán)的幅度增大而減小[8]。

2.2 干濕循環(huán)幅度對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

圖4給出了不同圍壓條件下,干濕循環(huán)幅度、循環(huán)次數(shù)與主應(yīng)力差的關(guān)系。結(jié)果表明：

(a)圍壓50 kPa

(d)圍壓300 kPa

(1)其他條件相同的情況下,干濕循環(huán)幅度越大,主應(yīng)力差減小幅度越大。

(2)不同的干濕循環(huán)幅度下,在經(jīng)歷2次干濕循環(huán)時(shí),主應(yīng)力差基本趨于穩(wěn)定,但在干濕循環(huán)幅度介于13%～22%,循環(huán)次數(shù)為3次時(shí),主應(yīng)力差才達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)第1次干濕循環(huán)對(duì)主應(yīng)力差的影響最大。隨干濕循環(huán)次數(shù)增多,主應(yīng)力差峰值逐漸降低。對(duì)于圍壓為50 kPa,干濕循環(huán)幅度分別為7%～22%、10%～22%和13%～22%時(shí),達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的主應(yīng)力差分別為98 kPa、136 kPa和141 kPa;對(duì)于圍壓為100 kPa,干濕循環(huán)幅度分別為7%～22%、10%～22%和13%～22%時(shí),達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的主應(yīng)力差分別為123 kPa、125 kPa和126 kPa;對(duì)于圍壓為200 kPa,干濕循環(huán)幅度分別為7%～22%、10%～22%和13%～22%時(shí),達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的主應(yīng)力差分別為149 kPa、175 kPa和178 kPa;對(duì)于圍壓為300 kPa,干濕循環(huán)幅度分別為7%～22%、710%～22%和13%～22%時(shí),達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的主應(yīng)力差分別為162 kPa、167 kPa和208 kPa。

圖5給出了不同圍壓條件下,干濕循環(huán)幅度、循環(huán)次數(shù)對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響。圖5(a)結(jié)果表明,當(dāng)干濕循環(huán)幅度為7%～22%和10%～22%時(shí),1次循環(huán)后,土試樣的內(nèi)聚力減小幅度最大;但循環(huán)幅度介于13%～22%時(shí),經(jīng)歷2次循環(huán)后,土體的內(nèi)聚力降低幅度才最大。此外,不同的干濕循環(huán)幅度下,當(dāng)循環(huán)次數(shù)大于5次時(shí),土體的內(nèi)聚力基本趨于穩(wěn)定。其中,當(dāng)干濕循環(huán)幅度為7%～22%時(shí),內(nèi)聚力穩(wěn)定數(shù)值為43 kPa;當(dāng)干濕循環(huán)幅度為10%～22%時(shí),內(nèi)聚力穩(wěn)定數(shù)值為50 kPa;當(dāng)干濕循環(huán)幅度為13%～22%時(shí),內(nèi)聚力穩(wěn)定數(shù)值為56 kPa。

(b)內(nèi)摩擦角

圖5(b)結(jié)果表明,不同的干濕循環(huán)幅度下,當(dāng)循環(huán)幅度增大時(shí),在經(jīng)歷2～3次干濕循環(huán)后,試樣的內(nèi)摩擦角逐漸減小。此外,當(dāng)土體經(jīng)歷1次干濕循環(huán)后,試樣的內(nèi)摩擦角基本相同;當(dāng)經(jīng)歷過(guò)5次干濕循環(huán)后,不同的干濕循環(huán)幅度下試樣的內(nèi)摩擦角基本相同,即干濕循環(huán)幅度對(duì)內(nèi)摩擦角的影響不顯著。最終,試樣內(nèi)摩擦角穩(wěn)定數(shù)值為6.5°。

綜合以上分析可知,隨著干濕循環(huán)幅度的增大,脫水過(guò)程導(dǎo)致試樣失水,對(duì)應(yīng)的在吸濕過(guò)程中吸收的水分越多,土顆粒中的親水性礦物融入水中的數(shù)量越多。因此,干濕循環(huán)幅度越大,土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)降低越顯著。

進(jìn)一步對(duì)干濕循環(huán)次數(shù)與土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行公式擬合。由于試樣的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多基本呈指數(shù)規(guī)律下降。因此采用指數(shù)公式進(jìn)行擬合：

F(c,φ)=AeBS

(1)

式中,A和B為擬合參數(shù);S為循環(huán)次數(shù);c為土體內(nèi)聚力,kPa;φ為土體的內(nèi)摩擦角,°。

采用公式(1)對(duì)圖5試樣在不同干濕循環(huán)幅度下的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行公式擬合,其中,當(dāng)干濕循環(huán)幅度為7%～22%下,F(c)=63.8e-0.07S,F(φ)=15.8e-0.13S;干濕循環(huán)幅度為10%～22%下,F(c)=67.3e-0.05S,F(φ)=16.4e-0.83S;干濕循環(huán)幅度為13%～22%下,F(c)=79.4e-0.04S,F(φ)=15.8e-0.15S。此外,各公式的擬合相關(guān)系數(shù)R2均大于0.98,證明采用本文公式進(jìn)行擬合的相關(guān)度較好。

3 結(jié)論

本文采用三軸剪切試驗(yàn)系統(tǒng)研究了干濕循環(huán)次數(shù)和循環(huán)幅度對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響,得到如下結(jié)論：

(1)相同圍壓下,隨干濕循環(huán)幅度增大,試樣的主應(yīng)力差減小。不同圍壓下,干濕循環(huán)幅度為7%～22%時(shí)主應(yīng)力差保持最小;試樣經(jīng)歷7次干濕循環(huán)時(shí),試樣的主應(yīng)力差基本保持不變。

(2)干濕循環(huán)幅度越大,主應(yīng)力差減小幅度越明顯,第1次干濕循環(huán)對(duì)主應(yīng)力差的影響最大。隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多,主應(yīng)力差峰值逐漸降低。

(3)干濕循環(huán)幅度為7%～22%和10%～22%時(shí),1次干濕循環(huán)后,土試樣的內(nèi)聚力減小幅度最大,但循環(huán)幅度介于13%～22%時(shí),經(jīng)歷2次干濕循環(huán)后,土體的內(nèi)聚力降低幅度才最大。此外,土體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多呈指數(shù)規(guī)律下降。