干湿循环对膨胀土强度与裂缝开展的影响研究

翟宇

(河南省白龟山水库管理局,河南 平顶山 467000)

干湿循环对膨胀土强度与裂缝开展的影响研究

翟宇

(河南省白龟山水库管理局,河南 平顶山 467000)

通过对膨胀土干湿循环试验的研究,不仅得出干湿循环对膨胀土裂隙开展和强度的影响,而且发现了干湿循环次数对膨胀土的裂隙开展和强度也有一定影响。

膨胀土;干湿循环;裂缝

膨胀土的矿物成分对于环境变化,特别是对于湿度状态的变化非常敏感,会发生膨胀与收缩,并产生膨胀压力［1］。膨胀土造成的破坏具有长期性、反复性和潜在性,因此,必须探索和研究有效的膨胀土改良方法,提高土体的强度和基础的稳定性,减小膨胀土地基的变形以及对上部结构造成的破坏［2一3］。而干湿循环对膨胀土强度与裂缝开展具有重要影响,很有必要进行相关的研究。

膨胀土的胀缩变形可以描述为吸水后体积增大、失水后体积缩小,胀缩变形性质是膨胀土最基本的特性之一。膨胀土的干湿循环特性所导致的破坏具有往复性、多发性和长久性的特点,在实际工程中破坏巨大。而这些破坏都与膨胀土边坡在干湿循环后强度的衰减有关,因此,研究膨胀土稳定性问题首先要了解膨胀土强度随干湿循环变化的规律［4］。

目前,对膨胀土干湿循环后强度的研究需先制备扰动样或切取原状样后,再对试样进行干湿循环［5］。现有的试验方法都无法避免试样尺寸效应的影响,试样由于尺寸效应,影响了膨胀土的湿胀干缩特性,改变了干湿循环过程中裂隙的发展规律,所得到的强度指标也无法很好地反映实际情况［6一7］。而现场取样是对取得的原状试样进行干湿循环,要实现自然环境下的“干湿循环”并达到试验目的,难度较大。

1 实验方案

1.1 试样制备

试样为重塑压实膨胀土,首先将所采集的土样放入烘箱烘干,碾碎后过2mm的筛,取筛余土样按照最大干密度和最优含水率制配土样,采用直径6.18cm,高2cm的环刀做模一次击实成样,并称量试样重量,计算土样在天然含水率时的质量。然后将环刀制备样用饱和器夹紧放入水中浸泡,浸泡10h后,取出试样反复烘干称量,直到试样达到天然含水率重量为止。

1.2 试验过程

本次试验共准备2组试样,第一组4个试样,编号为011、012、013、014；第二组3个试样,编号为021、022、023。对2组试样分别进行3次干湿循环。

浸水膨胀过程：将环刀连同压实膨胀土土样一起放入固结仪中,加水膨胀,用百分表测定浸水膨胀过程中试样高度的变化。以安置百分表后记录的第一个数为试验干湿循环前的初始高度,每隔2h记录一次读数。当前后两次读数之差不超过0.01mm时,认为该循环的吸水膨胀阶段结束。

失水收缩过程：考虑到膨胀土样失水收缩时间比较长,失水收缩在烘箱内进行,控制温度在35℃左右。同样,用百分表测定试样高度的变化,每隔一定时间记录一次读数,直至两次百分表读数基本不变,则失水收缩阶段结束。

第1组试样：湿循环结束后,用直剪仪对试样进行竖向荷载为零的直接剪切试验。第2组试样：在烘箱内进行干循环,干循环结束后,对试样产生的缝隙进行观察并记录。

2 结果与讨论

2.1 干湿循环对膨胀土裂隙开展的影响

试样在干湿循环作用下,无论是裂隙面积,裂隙长度以及裂隙宽度的峰值都随循环的次数增长而增长,但是干湿循环的作用是有限的,试样裂隙的发展同样也是有限的。当裂隙将土体割裂成很小的部分时,小块土体表面抗拉强度相当大,而由含水率梯度产生的拉应力远小于抗拉强度,故无法对土体产生破坏,此时裂隙的发展基本稳定下来。此外裂隙性的有限性还与试样土体的整体收缩性有关。当土体收缩时,裂隙受到四周土体传递的收缩压力也会随着收缩。试样的裂缝开展情况如图1、图2、图3所示。

图1 1号试样裂隙开展情况

图2 2号试样裂隙开展情况

图3 3号试样裂隙开展情况

干湿循环对膨胀土裂隙开展影响的分析如下：

(1)裂隙的产生机理与内外脱湿速率不均匀有关,含水率梯度的变化导致体内外应力作用转变。

(2)裂隙面积率,裂隙的长度比,裂隙的平均宽度在脱湿过程中先随含水率的降低而迅速增大,达到峰值后随含水率降低而减小并逐渐达到稳定。

(3)裂隙在干湿循环的作用下裂隙面积率,裂隙的长度比,裂隙平均宽度,都会随循环级数增加而提高,但干湿循环的作用有限,裂隙不会无限收缩。膨胀土试样干湿循环过程中,土样的收缩率也相应增加,这对裂隙的发展起到相应的抑制作用,但是效果相对有限。

(4)对裂隙宽度变化规律进行了分析,浸水膨胀过程,使土体含水率增大时裂隙宽度变小,两者在此次试验中近似成负相关。伴随干湿循环次数的增加,主裂隙收缩效果减弱而发育的速度变快,次裂隙有发展成主裂隙的趋势。

2.2 干湿循环对膨胀土强度的影响

试样的抗剪强度结果,如表1所示。

表1 试样的抗剪强度结果

在干循环作用下土体内部含水量降低,与此同时土体体积由于收缩而减小,最终导致土体原有的完整结构受到破坏。产生这种破坏的原因从微观上可以这样来解释,其一：由于土体不同程度的收缩而导致土体原来的隐微裂隙张开、扩大甚至加深,其二：裂隙不断发展,原来短小裂隙不断延伸最终连通在一起形成长大裂隙,从而更加破坏了土体的完整性及均一性的原状,为地表水渗入土体在土中形成渗流及水分从土体中蒸发提供了良好的通道。

由于膨胀土是含有蒙脱石、伊利石等强亲水性矿物的一类黏土。因此湿循环过程中,在强亲水性矿物的影响下膨胀土就会大量吸水,这就会导致土颗粒与土颗粒之间的结合水膜厚度增加,水进入晶格构造之间使土体的晶格膨胀导致土体中原有的微小裂隙闭合软化。对于较宽的裂隙来说,由于水的作用力的存在,可以在较宽的裂隙中产生两种水压力：动水压力与净水压力,这两种压力可以将裂缝推开使土向边坡的方向挤出。在上述不断的土水作用下,土体的黏聚力最终会大幅度降低,从而导致膨胀土强度不断降低。

［1］缪林昌,刘松玉.论膨胀土的工程特性及工程措施［J］.水利水电科技进展,2001(4):37～40.

［2］尹宏磊,徐千军,李仲奎.膨胀变形对膨胀土边坡稳定性的影响［J］.岩土力学,2009,30(8):2506～2510.

［3］沈珠江.当前非饱和士力学研究的若干问题［A］.区域性土的岩土工程问题学术讨论会论文集［C］,南京:原子能出版社,1996:1～9.

［4］卢肇钧.非饱和土抗剪强度的探索研究［J］.中国铁道科学,1999,20(2):10～16.

［5］缪林昌,殷宗泽,刘松玉.非饱和膨胀土强度特性的常规三轴实验研究［J］.东南大学学报,2000,30(1):121～125.

［6］缪林昌,殷宗泽.非饱和士的剪切强度［J］.岩土力学, 1999,21(3):1～6.

［7］陈敬虞,Fredlund.D.G.非饱和土抗剪强度理论的研究进展［J］.岩土力学,2003(24):655～660.

[栏目责任编辑 席晓剑]

Study on the Effects of Drying-wetting Cycle on the Strength and Crack DeveloPment of ExPansive Soil

Zhai Yu
(Henan Provincial Baiguishan Reservoir Management Bureau,Pingdingshan Henan 467000)

Through the study of expansive soil under drying一wetting cycle test,not only the influences of drying一wetting cycle on the crack development and strength of expansive soil have been revealed,the number of drying一wettingcycles has also been found with certain effects on the crack development and strength of expansive soil.

Expansive soil；drying一wetting cycle；crack

X820

A

1003一5168(2015)07一0132一3

2015一6一13

翟宇(1977.5一),男,研究方向:水利工程管理。