弱膨胀土干湿循环直剪强度试验研究

(南京交通职业技术学院 路桥与港航工程学院，南京 211188)

1 研究背景

膨胀土以颗粒高分散性的黏土矿物为主要成分，土体富含亲水性矿物成分，对环境的湿热变化极其敏感,导致其力学性能极易受季节气候变化影响。表现为随干湿循环次数的增加，力学性能逐渐劣化,而土体性能劣化造成了膨胀土地区路堤及边坡的破坏，因此，开展干湿循环作用下膨胀土力学特征研究对膨胀土地区路基和边坡治理极为重要。

近些年来，黄震等[1]、肖杰等[2]通过设置等幅度的干湿循环及低应力的干湿循环试验条件，对膨胀土在干湿循环作用下的强度特性进行了研究，研究结论表明土体在低应力及等干湿循环幅度下的强度特征与采用试验规范方法得到的强度特征具有明显的差异，杨和平等[3]对位于南宁外环公路的膨胀土进行了大量干湿循环的直剪试验研究，研究表明土体的凝聚力随着干湿循环次数的增加而逐渐减小，荷载对土体抗剪强度的衰减具有明显的影响。吕海波等[4-5]进行了控制干湿循环幅度的干湿循环试验，结果显示，抗剪强度的稳定值及达到稳定的干湿循环次数均随着干湿循环幅度的增大而减小，采用S型曲线可以较好地拟合胀缩性土凝聚力与干湿循环次数的关系。边加敏[6]根据膨胀土的膨胀变形建立了膨胀土的膨胀变形模式。

可以看出，现有研究主要从设置试验条件出发对膨胀土在干湿循环作用下抗剪强度进行研究，但这些结论主要针对单一干密度土体进行研究，对不同干密度土体经过干湿循环后直剪强度特性的对比较少，本文选择2种干密度的膨胀土进行干湿循环试验，对干湿循环试验后的直剪强度特征进行分析。

2 土样参数及试验方案

2.1 试验材料的基本性质

试验用土取自南京高淳胥河边坡的素膨胀土，取土深度为1.0～1.5 m左右，根据《公路土工试验规程》 (JTG E40—2007)[7]的试验方法，土样的相关试验参数如表1及图1，按照文献[8]，判断该土为高液限弱膨胀土。

表1 膨胀土物理性质Table 1 Physical properties of expansive soil

2.2 试验方案

破碎后测定土体的含水率，向土体中加入剩余的水，使得土体的含水率达到16.8%，装入密封塑料袋中放置24 h。制作时复测含水率，当含水率为(16.8±0.05)%认为含水率合格。分别按照1.80,1.65 g/cm3这2种初始干密度制作小环刀样，环刀直径为61.8 mm，高度为20 mm。将环刀样放入水槽中进行浸水饱和试验，为防止干湿循环过程中土样浸水崩解破坏，水槽中水体低于透水石2 mm。饱和后进行风干脱水，直至干燥后土体的含水率为(16.8±0.05)%时停止，分别进行0～4次干湿循环试验。每种干密度有20个小环刀试样，放入直剪仪中进行快剪试验，进行快剪试验时土体的上覆压力分别选择50,100,150,200 kPa，浸水后的土样如图2。

图1颗粒级配图

Fig.1Particlesizedistribution

图2浸水后的土样

Fig.2Soilspecimensafterwaterimmersion

试验中，可根据试验结果求出凝聚力和剪应力。其中不同干湿循环次数下凝聚力的绝对衰减率δc的计算公式为

(1)

式中：c0，ci为第0次、第i次干湿循环时土体的最大剪应力。

不同干湿循环次数下土体抗剪强度的衰减率δτ为

(2)

式中：τ0，τi为第0次、第i次干湿循环时土体的最大剪应力。

3 土样裂缝开展

图3为试验中干密度为1.80 g/cm3的土样在第1次至第4次干湿循环时土样的典型裂缝变化状态。

由图3可以看出，随着干湿循环次数的增加, 土体裂缝的宽度、深度不断增加。第1次浸水饱和后，土体没有出现裂缝，土体出现明显的膨胀凸起现象；第1次风干收缩后，土体边缘出现了少量的裂缝，有些区域裂缝较宽，边缘其余地方存在微裂隙，土体原有的结构出现了一定的破坏。第2次饱和后，土体裂隙明显收窄，但没有完全愈合，在原裂缝处仍存在微裂隙；第2次风干后，土体的裂隙在原有裂隙的基础上明显朝土样中部扩展，边缘出现了较多的微裂隙。第3次饱和后，土体的裂隙明显收窄，在原裂隙处出现了一定的土体剥离破坏现象；第3次风干时，土体原有裂缝宽度进一步开展，主裂缝的形状基本保持不变。第4次饱和时，土体裂隙愈合不完全，沿着裂隙处存在明显的土体剥离现象；第4次风干时，土体裂隙宽度及形状与第3次风干后变化不明显。其原因在于土体蒸发脱湿的过程中，土体不同部位之间的脱湿速度不同，造成了土体表面与土体内部的含水率存在明显的含水率梯度。

图3不同次数干湿循环过程裂缝变化

Fig.3Developmentofcracksunderdifferentdry-wetcycles

4 直剪试验的结果与分析

4.1 土体剪应力试验结果分析

将不同干湿循环次数下的土体分别在50,100,150,200 kPa的荷载作用下进行直剪试验，限于文章篇幅，仅将干密度为1.80 g/cm3土样的直剪试验结果列出，如图4所示。

由图4可见，不同上覆压力下的应力-位移曲线均呈现出明显的位移软化特征。在相同的干湿循环次数下，最大剪应力随着上覆压力的增大而逐渐增大。原因为土体受剪时，由于土体排列紧密，一部分土体颗粒翻过另一部分颗粒而产生相对错动时，需要克服较大的“咬合”作用力，因而表现出较大的抗剪强度，当土体颗粒一旦绕过另一部分土体颗粒时，结构变松，抗剪能力减弱，表现为软化特性。将2种干密度土样在0～4次干湿循环时的最大剪应力分别列于表2。

图4不同干湿循环次数剪应力与剪切位移关系曲线(1.80g/cm3)
Fig.4Relationshipbetweenshearstressandsheardisplacementunderdifferentdry-wetcycles(1.80g/cm3)

表2 不同上覆压力下的抗剪强度Table 2 Shear strength under different overburden pressures

由表2可见：在相同的干湿循环次数下，土体的抗剪强度均随着上覆压力的增大而增大；干密度越大，抗剪强度越大。这是由于干密度越大，土体粒间的水膜越薄，原始凝聚力增大。不同干湿循环次数下的抗剪强度与上覆压力的关系如图5所示。

图5上覆压力与抗剪强度的关系

Fig.5Relationshipbetweenoverburdenpressureandshearstrength

由图5可见，2种干密度的土体在不同干湿循环次数下的抗剪强度均随着上覆压力的增大而增大，呈现明显的线性特征，线性拟合后的相关系数均达到0.95以上。这表明在相对较高的上覆压力作用下，采用线性拟合的方式确定凝聚力与内摩擦角具有一定的可靠性。

4.2 土体凝聚力试验结果分析

将土样线性拟合后获取的不同干湿循环次数的凝聚力绘于图6。

图6凝聚力与干湿循环次数的关系

Fig.6Relationshipbetweencohesionanddry-wetcycle

由图6可见，2种干密度土体的凝聚力均随着干湿循环次数的增加而逐渐减小，干密度为1.80 g/cm3的土体在干湿循环次数为1，2，3，4时的凝聚力绝对衰减率差值分别为30.9%,21.2%,17.2%,9.0%；干密度为1.65 g/cm3的土体在干湿循环次数为1，2，3，4时的凝聚力绝对衰减率差值分别为49.3%,17.5%,8.7%,5.6%。可见，第1次干湿循环时土体的凝聚力降低幅度最大，随后随着干湿循环次数的增加凝聚力的衰减率逐渐减小。干密度为1.65 g/cm3的土体经过4次干湿循环后凝聚力绝对衰减率的差值为5.6%，基本接近稳定，而对于干密度为1.80 g/cm3的土体，经过4次干湿循环后土体的凝聚力绝对衰减率差值为9.0%，仍然没有达到稳定值。这表明在相同的干湿循环试验条件下，不同干密度的土体达到凝聚力稳定的干湿循环次数不同。干密度越大，达到凝聚力稳定值的干湿循环次数越多。

土体干湿循环过程中凝聚力降低的根本原因是由干湿循环过程中裂缝的开展，结合上文土体裂隙的开展过程可以看出，凝聚力绝对衰减率稳定所需的干湿循环次数与土体开裂所需的干湿循环稳定次数基本一致，从另一方面验证了文献[9]的研究结论。文献[4]通过汞试验研究干湿循环后土体的微孔隙特征，得出干湿循环后膨胀性土体强度降低的主要原因是干湿循环效应使得土体内部的颗粒间黏结产生了不可逆损伤，土体凝聚力的降低是微结构劣化的结果。2种结论并无本质的差异，认为由于裂隙开展导致土体凝聚力的降低主要从宏观角度分析，而认为土体凝聚力降低是微结构劣化的结果则是从微观方面分析。事实上，土体裂隙开展的主要原因之一也是土体干湿循环过程中土体颗粒产生不可逆的损伤。

由图6还可以看出，干密度越大，土体的凝聚力越大，但不同干密度的土体经过一定次数的干湿循环后，土体的凝聚力逐渐接近，在0-4次干湿循环下，2种干密度的凝聚力差值分别为26,19.5,15.5,6.5，3 kPa。可见随着干湿循环次数的增加，不同干密度土体的凝聚力差值逐渐减小，至第4次干湿循环时2种干密度凝聚力的差值只有3 kPa。考虑到干密度为1.80 g/cm3的土体在第4次干湿循环时凝聚力还未完全稳定，表明不同干密度的土体经过一定次数的干湿循环后土体的凝聚力逐渐趋于同一值，这是由于经过一定次数的干湿循环后，土体的干密度逐渐趋于稳定造成的。国外学者Basma等[10]和Tripathy等[11]发现在相同的固结压力下，经过一定的干湿循环次数后，土体的干密度保持不变，且此干密度与土样的初始干密度无关，证明了本试验出现的现象的合理性。

这种现象的出现可以采用以下理论解释，膨胀土内部微观结构具有典型的双尺度特性，即土体内部双重结构可以采用图7表示。

(a)微观结构和微观孔隙 (b)宏观结构和宏观孔隙

图7膨胀土的双重结构示意图

Fig.7Illustrationofdual-structureofexpansivesoil

膨胀土干湿循环中体积变化的原因为集聚体单元由于含水率变化而引起土体颗粒的膨胀与崩解或收缩与聚合，体积变化是这种结构变化在宏观上的表现。对于干密度较小的土样，土颗粒集聚体之间存在大空隙，集聚体的膨胀与崩解作用将引起土体宏观大孔隙的减小，土体的膨胀更多是由于水嵌入土体空隙及集聚体内部而造成，因此，膨胀变形较小。而对于干密度较大的土样，在浸水吸湿过程中，土体的吸力减小，导致集聚体单元有效应力降低，在集聚体内部因吸附水的作用使得集聚体的体积变大，进而产生膨胀作用。在土颗粒的膨胀过程中，部分较大的集聚体崩解为较小的集聚体，对于处于紧密状态的膨胀土土样，土体颗粒的崩解及膨胀均可以造成土体宏观体积的增大，进而产生膨胀效应。

在脱湿的过程中，土颗粒的吸力增大，作用于集聚体单元的有效应力升高，导致集聚体单元内孔隙减小，使得土颗粒集聚体本身的体积变小，部分集聚体在较大的压力或者持续较长时间的压力作用下将聚集为更大的集聚体。脱湿过程中颗粒的集聚及收缩均会导致土体宏观体积减小，产生干缩或者压缩特性。经过多次干湿循环后，土体的颗粒逐渐由较大的颗粒分解为较小的颗粒，由集聚体颗粒重排列引起的不可逆的土体变形逐渐减小，经过一定次数的干湿循环后，由土体颗粒的崩解引起的重新排列对土体体积的影响逐渐减小，最后保持不变。由集聚体颗粒之间重排列引起的土体体积变化见图8，因此，对于不同干密度的土体，在一定的干湿循环次数下，土体的最终稳定干密度达到稳定值，稳定干密度的大小与初始干密度无关，而与固结压力有关，这在文献[10-11]中得到验证。

图8集聚体干湿循环颗粒重排列

Fig.8Rearrangementofparticlesafterdry-wetcycles

4.3 土体内摩擦角试验结果分析

以干湿循环次数为横坐标，内摩擦角为纵坐标，将2种干密度土体所测得的内摩擦角与干湿循环次数的关系绘于图9。

图9内摩擦角与干湿循环次数的关系

Fig.9Relationshipbetweeninternalfrictionangleanddry-wetcycle

由图9可知，内摩擦角与干湿循环次数关系的规律性不明显，本文试验土样的内摩擦角均在19°～23°之间，总体而言，土体的内摩擦角均存在随着干湿循环次数的增加而呈现逐渐降低的趋势，黄震等[1]、韦秉旭等[2]也得出了类似的结论，可以从土体自身性质和试验本身2方面解释其原因。

(1)从土体自身性质来看：①对连续完整土体，影响土体内摩擦角的主要因素有初始含水率、孔隙比及颗粒组成，对于制样含水率相同的土体来说，决定土体内摩擦角的主要因素为孔隙比及颗粒组成，干湿循环后土体的体积逐渐减小，孔隙比减小，内摩擦角增大；②干湿循环后土体颗粒发生了一定程度的重组，颗粒分布逐渐趋于稳定，由颗粒重组造成的内摩擦角的变化与干密度的变化密切相关；③土体干湿循环后的裂隙扩展较大，土体裂隙的扩展对于土体内摩擦角具有明显的减小作用。以上几种因素对内摩擦角影响的相对大小决定了土体最终内摩擦角，因此，内摩擦角随干湿循环呈现的变化规律性不明显。

(2)从试验本身来看，内摩擦角的测定具有一定的尺寸效应，对于有结构、构造且各向异性的膨胀土，小尺寸试件的试验结果较难完全反映其真实的内摩擦角状态。

4.4 上覆荷载对抗剪强度衰减的影响

2种干密度的土体在上覆压力下不同上覆压力下的剪应力衰减率与干湿循环次数的关系如图10所示。

图10不同上覆压力下的剪应力衰减率与干湿循环次数的关系

Fig.10Relationshipbetweendecayrateofshearstressanddry-wetcycleunderdifferentoverburdenpressures

由图10可以看出，相同的干密度下，土体的剪应力衰减率随着上覆压力的增大逐渐减小。干密度为1.65 g/cm3的土体第4次干湿循环时，上覆压力50 kPa下的剪应力衰减率比200 kPa大21%，干密度为1.80 g/cm3土体第3次干湿循环时，上覆压力50 kPa下的剪应力衰减率比200 kPa大17%，这表明直剪试验所使用的上覆压力对于膨胀土干湿循环剪应力测定的衰减约束作用十分明显。杨和平等[3]对边坡破坏的深度进行分析，指出膨胀土低应力下的抗剪强度更能反映土体抗剪强度的实际状态，干湿循环过程中的上覆荷载对于土体强度的衰减具有明显的约束作用。结合本文的研究结论，可见荷载对于土体的干湿循环强度衰减具有较大的影响，干湿循环及试验过程中的约束荷载越小，干湿循环对土体强度的衰减影响越大。在进行膨胀土边坡稳定性分析时，应采用低上覆压力下的干湿循环直剪强度参数，使得分析结果更符合土体破坏的实际状态。

5 结 论

通过对2种干密度的膨胀土土样进行0-4次的干湿循环试验，分析了不同干湿循环次数下不同干密度土体的直剪强度及抗剪强度参数，得到了以下主要结论：

(1)在不同的干湿循环次数下，土体的裂隙扩展具有不可逆性，随着干湿循环次数的增加，土体的新裂隙不断生成，原有裂隙不断拓宽增长。

(2)土体的凝聚力随着干湿循环次数的增加不断降低，不同干密度的土体经过一定次数的干湿循环后，土体的凝聚力差值逐渐减小，干湿循环后的稳定凝聚力逐渐趋于一致。

(3)干湿循环与土体内摩擦角关系的规律性不明显，本文试验用土在不同干湿循环次数下，土体的内摩擦角均处于19°～23°范围内。

(4)直剪试验时的上覆压力对于不同干湿循环次数的剪应力衰减的抑制作用十分明显，上覆荷载越大，抗剪强度的衰减率越低，在胀缩性土的边坡稳定性分析中,采用低应力下的直剪强度参数作为分析参数可更准确反映出干湿循环对于土体直剪强度的影响。

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