干湿循环作用对合肥膨胀土的影响

谢舒雷, 朱大勇, 侯超群， 孙志彬

(1.合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 230009； 2.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

干湿循环作用对合肥膨胀土的影响

谢舒雷1, 朱大勇2, 侯超群1， 孙志彬1

(1.合肥工业大学 汽车与交通工程学院,安徽 合肥 230009； 2.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

文章对干湿循环作用下合肥地区膨胀土的表观形态和工程特性开展研究,采用图像分析、直剪试验等手段研究干湿循环条件下各指标的变化特征。试验结果反映强度指数随含水率的增加呈下降趋势,在高含水率条件下,强度主要由黏聚力提供;干湿循环过程中裂隙的发展可分为微裂缝-主裂隙-破碎3个阶段,试样的抗剪强度随着表面裂隙率指标增加呈均显著衰减趋势。分析表明，膨胀土临界破坏时,其强度主要由黏聚力提供。最后探讨了干湿循环作用形成裂隙与土中水在破坏膨胀土土体过程中的相互关联。

合肥膨胀土;干湿循环;表面裂隙率;抗剪强度

0 引 言

在受季风气候控制的地区,土体在夏季高温多雨的影响下会反复经历降雨吸水-干燥脱水的过程。膨胀土遇水膨胀、失水收缩的特性在这种环境下更为明显。含水率的上升使膨胀土体积增加,强度下降;失水时则在收缩不均的过程中产生裂缝。干湿交替循环作用导致裂隙扩大,改变了土体结构,更增加了其与外界的接触面积,使得破坏进程加快且不具有明显的规律性。文献[1]通过原位气象数据分析与试验证实了降雨与蒸发效应是膨胀土边坡失稳的关键因素。但现场试验耗费人力物力,且不易控制试验条件,因而膨胀土的干湿循环模拟仍以室内试验为主。国内学者对其进行了多项试验,试验的方向主要为:

(1) 干湿循环引起的强度衰减。利用直剪仪、三轴仪或非饱和土工仪器,测量强度参数在循环过程中的变化,文献[2]指出膨胀土强度在多次循环后基本不变,接近残余强度;文献[3]指出常规直剪下干湿循环过程使黏聚力c值大幅降低而对φ值影响较小;文献[4]在测得的SWCC曲线滞回圈中指出脱湿过程中试样抗剪强度低于吸湿过程;文献[5]指出干湿循环使得有效内摩擦角φ′和吸力内摩擦角φb均降低；文献[6-7]分别研究了SH固化剂、掺沙法改良膨胀土在干湿循环下的强度性能。

(2) 干湿循环造成的形态变化。该形态变化包括利用土的数码图像来探究其宏观裂隙发育[8],利用电子显微镜图像研究循环下微观结构的变化路径[9],以及运用CT图像测定干湿过程中裂隙扩展闭合、结构损伤与修复[10],运用压汞试验测定微孔隙参数的变化[11]等。

这2类试验为更好地研究膨胀土干湿循环规律提供了有效的途径和宝贵的经验,但两者之间缺乏关联性,即很难定量地说明土体结构形态的改变对强度参数产生影响的程度。文献[12]分析了裂缝的开展对膨胀土抗剪强度衰减的影响,并提出了经验公式,但该公式中自变量为干湿循环次数,没有使用与裂隙相关的定量分析指标。

合肥地区的膨胀土膨胀潜势不强,属于弱-中型膨胀土，但分布广泛,且该地区建筑、道路密集,危害较为严重[13]。文献[14]对该地膨胀土工程性质进行概述；文献[15]研究了其矿物组成和微结构；文献[16]测得了该地一组土水特征曲线。本文尝试采用室内直剪试验,结合对裂隙的图像分析可得,合肥膨胀土在干湿循环条件下,含水率及裂隙发育对土体强度的影响,以期进一步认识该地区膨胀土的工程特性,并在此基础上建立膨胀土裂隙发育与强度指标间的相关关系。

1 膨胀土含水率与强度的关系

膨胀土干燥时极坚硬而遇水之后迅速软化,强度下降快。文献[2]指出,含水率上升6%,膨胀土的黏聚力c下降约150 kPa。如果忽略裂隙的影响,膨胀土的干湿循环过程就是含水率反复升高-降低的过程。因此,控制其他条件不变,可将含水率和裂隙率作为2个分开的自变量独立分析,并探究两者与强度的关联。

本文试验采用的土样取自合肥市凤阳路与临泉路之间,南淝河一、二级阶地交界处。取土地点位于文献[17]中ⅠB区与ⅡB区的边界位置。现场钻孔取样的结果显示该地的地层分布为:上层1.5 m为褐黄色杂填土,下层至7.5 m深处均为超固结性的硬塑态黏土,土质较均匀。试样的取土深度为2.5～4 m,所取试样呈棕黄-灰黄色,部分夹杂灰白色块,含有褐黑色铁锰结核,沿裂隙切开时表面呈蜡质光泽,遇水时软化极快,不能维持自身形状。其基本物理性质见表1所列。

表1 试验用土的基本物理性质指标

采用直剪试验,控制其他指标参数不变,分别对每组试样进行浸水处理(未处理、浸水3 h、浸水12 h、浸水48 h),处理后放置在密闭容器内24 h使其水分分布均匀。4组试样测得的含水率分别为21.5%、26.0%、30.0%、33.0%。

对4组试样进行快剪试验,其强度指标c、φ随含水率的变化规律如图1所示。在该膨胀土的塑性含水率区间内,随着含水率的上升,c、φ指标均大幅下降:在含水率从21.5%发展到33%的过程中,黏聚力丧失了88.0%,内摩擦角衰减了77.6%,下降至仅4.5°。

图1 强度指标与含水率之间的变化关系

对比文献[2,14,18]发现，与其他地区相比,合肥膨胀土强度受含水率变化的影响较明显,在遇到降雨、河水冲刷等浸水条件下,浸水原状土强度甚至可能低于经过反复干湿循环后破碎的干土强度,说明水对强度的影响较为显著。同时,试验中浸水后内摩擦角急剧下降(不足5°)，说明在高含水率条件下,膨胀土抗剪强度主要由黏聚力提供。

2 干湿循环对膨胀土裂隙的影响

2.1 试验方法

制取循环试样时,将取得的圆柱状土样切成直径略大于标准环刀,高度为30～35 mm的土饼,对其表面拍照。拍照后将其放置在水槽中,连续向土饼表面喷水直至注水水平面略高于土饼,浸水24 h使试样充分吸水。而后将土饼放入烘箱,模拟夏季地表温度(45 ℃)加热8 h(此时的含水率稳定在7%±1%),取出后静置拍照。如此为土样经历了一次干湿循环。本试验共制得3组完整的循环试样,每组4枚。在该过程中除浸水和烘干外不对试样进行任何的接触及扰动。

2.2 试验结果及分析对比

与自然的降雨-风干作用相比,本试验中每次干湿循环都经历了饱和-烘干的过程,含水率变化明显,因此每次循环后相比前次,土样在表观形态上都有较大差异。有代表性的一组土饼在0～3次循环下,表面形态发生的变化如图2所示，图2中，0次循环时为原状土,1～3次循环时为烘干土。

第1次循环(微裂缝阶段)。试样发生不均匀变形,使土饼表面凹凸不平,在灰白土带集中的区域、试样边缘处以及与铁锰结核交界处等产生少许微裂缝。

第2次循环(主裂隙阶段)。前述微裂缝扩大,产生若干条贯穿试样的主裂隙,裂隙宽度增加明显,达到1～2 mm。部分裂隙交错连通,产生数个裂隙节点,并将土饼表面分割成大小不等的若干区域。试样边缘出现碎裂。

第3次循环(破碎阶段)。主裂缝消失,多条极不规则的网状细裂缝出现,呈网状分割土样,表面出现大量细屑土粒突出。裂隙总长度、节点个数和分隔的土块数量迅速上升,但裂隙平均长度、宽度、土块平均面积大幅下降。大部分裂隙已完全连通。试样边缘进一步碎裂崩解。

第4次循环(图中未表示)。几乎所有试样已经完全崩解,分解成众多颗粒,丧失原有的形状。

对图2示中后3幅(经过循环的)土样图片利用图像处理软件二值化(灰度阈值统一选取为96)、降噪处理得到仅反映裂隙的黑白图像如图3所示。

图2 0～3次干湿循环后土饼试样的裂隙开展

图3 3组土饼试样的二值化图

裂隙网络图像的定量分析指标很多,如表面裂隙率、裂隙节点个数、裂隙条数、总长度、平均长度、土块个数、平均面积等[19]。表面裂隙率是反映土体开裂程度的最基本指标,可较好地反映土体的开裂程度变化规律。对不同循环次数下表面裂隙率的比较如图4所示。其中第3次循环的试样由于边缘崩解,只选取了土饼中心部分(面积占总面积50%)进行计算。由图4可知，在表面裂隙率的增长绝大多数发生在主裂缝发展的阶段,而第1次循环、第2次循环所带来的表面裂隙率增长幅度较小。

图4 干湿循环后土饼表面裂隙率的变化

在文献[8]中,表面裂隙率在第1次干湿循环时达到极值,随后降低至一稳定值,这可能与试验制样有关。文献[8]中土样被放置在容器或环刀内,存在侧限约束,干湿循环中土样只能竖向变形,不能发生侧向膨胀。本文采用的土饼无侧限膨胀方法类似于文献[20],不限制试样的体积变形,其裂隙开展规律与本文类似。

3 干湿循环对膨胀土强度的影响

3.1 试验方法

测定抗剪强度时,先将有裂缝的干燥土饼小心地从水槽中取出,放入保湿箱中,用喷雾器洒少许水养护至含水率接近原状土(21%)后取样。该直剪试验未采用饱和试样,原因是循环到3次后试样已极为破碎,饱和后取样困难。用标准环刀从已经历干湿循环的土饼上切取环刀样,确保能保留绝大多数的表面、浅层裂隙,然后进行快剪试验。

3.2 试验结果及分析

直剪试验结果如图5所示,随着循环次数的增加,裂隙的发展,一组试验的4个试样存在结构性差异,部分应力-应变曲线线型出现不连续等现象。直剪试验强度指标c、φ与循环次数的变化关系如图6所示。由图6可知，c在第2次循环时有较大的下降,经过3次循环后共计衰减84.0%;φ下降过程较为平缓,近似于随循环次数的增加线性减小,3次循环后相比原状样下降了49.9%。由图4、图5可知该土样的表面裂隙率、c2项指标有很高的关联性。1～2次循环时裂隙率大幅上升,平均增加量占最终裂隙率的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次循环时表面裂隙率上升幅度较小,黏聚力c也无较大变化。3次循环以后的干土饼,土饼结构基本破碎,表面的粗颗粒、细颗粒之间已基本丧失黏结力,且这类黏结力不能通过再次吸湿膨胀而恢复,因此可认为在3次循环以后,黏聚力不再明显变化。

图5 1～3次循环下的直剪试验结果

图6 强度指标与循环次数之间的变化关系

文献[12]提出了一反映膨胀土强度随干湿循环次数增加而降低规律的经验公式,采用衰减型双曲线拟合。本文将黏聚力公式中的循环次数指标替换为裂隙率指标,形式为:

其中,r为裂隙率;c0为黏聚力的初值,即原状土抗剪强度指标;a1、b1分别为拟合参数。

对黏聚力拟合得到的结果为：

其中，相关性系数r2=0.99。

正常地质情况下膨胀土的裂缝开展深度不深,膨胀土边坡发生滑坡时一般属于浅层破坏,不少滑面深度[3]小于2 m,发生破坏时上覆荷载较小,且根据本文试验,3次干湿循环后内摩擦角降至10.02°,说明在反复的干湿循环下内摩擦角也会产生较大衰减，从而影响抗剪强度。综上所述可以认为,实际工程中膨胀土边坡遇到类似干湿循环破坏时,其抗剪强度主要由黏聚力提供。

综合考虑含水率和裂隙率对膨胀土强度的影响,两者还存在协同作用的关系。土体的裂隙长度及面积的增加使得水易浸入裂隙,加快了膨胀土含水率的增长速率;自由水进入裂隙后难以被蒸发,同时因膨胀土本身渗透率低也难以渗出,从而在裂缝中长期存在,向下缓慢渗透,还能起到劈裂土体、牵引扩大裂隙的作用。协同作用使膨胀土土体破坏进程加快。

4 结 论

本文通过对干湿循环下膨胀土试样的图像分析,同时配以直剪试验的方法,测试了干湿循环过程中合肥膨胀土含水率、裂隙、强度等变化规律。

(1) 在干湿循环过程中,裂隙的产生发展按照微裂缝-主裂隙-破碎3个阶段展开,主要体现在表面裂隙率指标的变化上。直剪试验说明干湿循环过程中随着裂隙的发展,黏聚力和内摩擦角都产生衰减,黏聚力的衰减更为显著。

(2) 对抗剪强度指标随表面裂隙率增加而衰减的变化规律使用经验公式拟合,发现黏聚力指标是抗剪强度的主要组成,其变化与表面裂隙率关联度较高,内摩擦角对强度的贡献较低。

(3) 膨胀土含水率在塑性含水率区间的上升亦使土壤强度显著下降,同时干湿循环作用形成裂隙与水的相互作用,加速膨胀土体的破坏进程。

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(责任编辑 马国锋)

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

国家自然科学基金青年科学基金资助项目(51408180);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20110205110013)

谢舒雷(1991-),男,安徽歙县人,合肥工业大学硕士生； 朱大勇(1965-),男,安徽枞阳人,博士，合肥工业大学教授,博士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.03.015

TU411.3

A

1003-5060(2017)03-0368-05