膨胀土的干湿循环性状及其在边坡稳定性分析中的应用

崔 ,张志耕,闫澍旺

(天津大学 建工学院,天津 300072)

0 引 言

膨胀土广泛分布于自然界中。具有吸水膨胀软化、失水收缩开裂、反复变形和强度可大幅度衰减等特性,并且这些特性与外界条件的变化密切相关。因此,膨胀土边坡的稳定性分析必须充分考虑由于外界环境的变化(主要是干湿条件)而引起的膨胀土强度的改变。关于非饱和土强度公式,最早是由Bishop提出的[1];目前,国际上公认的非饱和土强度理论是Fredlund等人提出的以两个独立的应力分量来表达的非饱和土强度公式[2],但由于对试验仪器和试验技术要求较高,一般较难获得[3～5]。本文试图在膨胀土干湿循环试验的基础上,探讨膨胀土性状改变与干湿循环次数的基本规律,并将其应用在膨胀土边坡稳定分析中,以较好的服务于工程实践。

1 干湿循环次数与膨胀土性状改变的基本规律

韩华强[3]等的试验成果对于膨胀土在干湿循环条件下的强度变化规律具有很高的参考价值。他利用常规的土工试验仪器,得出了干湿循环将改变膨胀土的土体结构,从而将导致膨胀土长期强度和变形模量明显降低的结论。图1～图3给出了通过本次膨胀土干湿循环试验得出的膨胀土性状改变结果。试验所用4份试样取自内蒙古自治区老集高速公路工程的部分路段(见表1)。试验的基本过程如下:将试样放置在压缩仪里,上下分别覆盖透水石,并让试样承受6.9 kPa的竖向围压。将试样完全浸没在水中不少于40h,使其完全膨胀,然后在实验室条件下风干试样至其初始含水率,数据的量测在开始的3 h每15 min记录1次,其后的500 min间隔100 min记录1次,最后间隔1 d记录一次。图1和图2为第1和第5个干湿循环试验过程膨胀百分比随时间的变化曲线。从图中可以看出,含有较多黏土矿物的土样具有较强的膨胀性;对于任何一种土样,初始干湿循环的膨胀百分比明显高于第5次的膨胀百分比,并且可以进一步看出,第5次干湿循环试验试样到达稳定膨胀百分比的时间(＜1 000 min)少于初始干湿循环试验(＞1 400 min),这说明,经过几次干湿循环之后,试样的渗透性能有了一定的增长。图3给出了试样的干湿循环次数与膨胀势变化的基本规律,从图中可以看出,膨胀势随着干湿循环次数的增加而减少;膨胀土试样在经过4～5次干湿循环之后,其在随后每一次干湿循环过程中的属性变化基本趋于稳定。

图1 第1次干湿循环试验曲线

图2 第5次干湿循环试验曲线

图3 干湿循环次数与膨胀势对比曲线

表1 膨胀土试样矿物成分(%)X衍射分析结果

膨胀土属性变化与干湿循环次数之间的基本规律可以用如下的理论加以解释[6,7]:从土的微观结构来说,膨胀土塑性特征随着干湿循环次数增加而减少的主要原因是由于膨胀土失水干缩引起微颗粒之间的结合而导致与水接触的表面面积的减少。众所周知,颗粒之间的表面张力与颗粒尺寸和颗粒之间的距离相关,相对较小的颗粒之间的距离产生相对较大的毛细管力。饱和膨胀土的失水过程引起土体的收缩,进而引起颗粒之间的粘结和范德华力的增大,并且这种粘结程度和增大量并不会因为吸水过程而完全恢复,也就是说,颗粒之间的粘结和范德华力在土体失水和吸水过程中的变化不是一个完全可逆的过程,其存在一定程度的不可恢复量。微颗粒粘结的直接结果是减少了与水接触的表面积,进而导致塑性特征的衰减(表2)。在经过4～5次干湿循环过程之后,颗粒粘结的过程基本趋于稳定,膨胀土在随后的每一次干湿循环过程中的属性变化也基本趋于稳定。

表2 膨胀土在干湿循环试验前后的属性对比

对于膨胀土在干湿循环下的强度变化规律,文献[8]在总结大量试验成果的基础上,给出了理论上的另一种解释。对于美国路易斯安娜高速公路地区的膨胀土,他把无侧限抗压强度与干密度和含水率之间的关系总结为如下的公式表示

其中:w为含水率;ρd为干密度。分析公式(1)可以看出,膨胀土的无侧限抗压强度随干密度的增加而增加,随含水率的增加而减小。结合上述的分析,干湿循环次数的增加将导致膨胀土干密度的减小,从而导致无侧限抗压强度的减小,对于粘性土来说,其抗剪强度就会减小;就某一次干湿循环过程来说,吸水膨胀过程就是膨胀土含水率增加的过程,也就是抗剪强度减小的过程。

2 膨胀土边坡强度参数的选取及稳定性分析

根据膨胀土干湿循环试验结果,对膨胀土边坡进行稳定性分析,必须选择合适的膨胀土强度,并且参数的选取可以参照如下几个基本原则:①在外界干湿循环环境中,膨胀土属性会发生弱化,并且第一个干湿循环对属性改变起主要作用,但其后的干湿循环过程也不能忽略;②在干湿循环条件下,膨胀土强度的衰减是有一个基本界限的,在经过4～5次干湿循环之后,其强度和变形属性的变化基本趋于稳定,因此,取第5次干湿循环的膨胀土强度作为计算参数是最安全的;③在膨胀土边坡稳定性分析中,外界环境对土体强度的影响深度是有限的,并且受边坡表层裂隙的影响[5]。裂隙深度由文献[7]给出的公式估算

式中:s0为土壤地表的基质吸力(kPa);h为地下水位线距离地面高度(m);c=(1-μ)/(1-2μ),D=μ ρ/(1-2μ),μ为泊松比;ρ为密度,kN/m3。工程经验和计算结果表明[5],裂隙的影响深度一般介于2 m～4 m。

老集高速公路K413+500和K412+100路段边坡施工开挖后在几次强度不大的降雨作用下先后出现边坡破坏,通过室内矿物成分分析,发现此处土体属于强～中膨胀土,采用常规方法分析边坡稳定性如图4和图5所示。从图中可以看出,采用常规方法计算得出的边坡安全系数基本都在1.5以上,而且失稳形式多为深层滑坡,这显然与工程实际不符合。

基于上述的3个参数选取原则,对两个路段边坡取样进行室内试验,得出1次、5次干湿循环后试样的强度如表3所示。分别根据上述两次的试验结果对边坡进行稳定分析,其安全系数在表3中标出。分析计算结果可以看出,如果按照第一次干湿循环后强度参数进行边坡稳定分析,其安全系数基本在1.1～1.2之间,这个结果是偏于安全的,根据第5次干湿循环后土体强度计算得出的边坡安全系数在1.0以下,且边坡破坏形式与实际情况十分吻合,都为表层的塌滑,滑坡形式如图6和图7所示。

图4 K413+500段边坡稳定分析

图5 K412+100段边坡稳定分析

3 结 论

由膨胀土的室内干湿循环试验和理论分析可知,膨胀土受外界干湿循环影响的强度变化和边坡稳定性分析必须充分考虑以下几点:

(1)外界干湿环境变化影响膨胀土的强度,并且第一次干湿循环对于膨胀土强度的衰减起主要作用,但其后的干湿循环变化对强度的衰减也不能忽略;

(2)膨胀土的强度特性与干湿循环次数密切相关,在经历4～5次干湿循环过程之后,其强度在随后每一次干湿循环中的变化基本趋于稳定;

(3)膨胀土强度衰减特性与干湿循环的关系可以通过土的微观结构变化进行解释;

表3 膨胀土干湿循环试验前后的强度变化及计算结果

图6 K453+500段边坡破坏形式

图7 K431+100段边坡破坏形式

(4)膨胀土边坡稳定性分析还必须考虑外界环境的影响深度,这个深度范围一般在2 m～4 m之间;但是膨胀土的裂隙性对膨胀土边坡稳定性的影响是一个有待深入研究的课题,本文涉及较少。

[1] Bishop A W,Alpan I,Blight G E,et al.Factors controlling the strength of partly saturated cohesive soils[C]//ASCE Research Conference on the shear strength of cohesive soils,University of Colorado,1960:503-532.

[2] Fredlund D G,Morgenstern N R,Widger R A.The shear strength of unsaturated soils[J].Canadian Geotechnical Journal,1978,(15):313-321.

[3] 韩华强,陈生水.膨胀土的强度和变形特性研究[J].岩土工程学报,2004,26(3):422-424.

[4] 卫 军,谢海洋,李小对,等.基于非饱和土理论的膨胀土边破稳定性分析[J].华中科技大学学报,2004,32(4):38-40.

[5] 包承刚.非饱和土性状及膨胀土边坡稳定问题[J].岩土工程学报,2004,26(1):1-15.

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