干湿循环与持续浸泡下老黏土强度与变形特性变化

黄少平， 晏鄂川， 陈 前， 尹晓萌

(1.中国地质大学(武汉) 工程学院， 湖北 武汉 430074； 2.信阳师范学院 建筑与土木工程学院， 河南 信阳 464000)

老黏土是指第四系晚更新世Q3及以前沉积含铁锰质结核与高岭土条纹的黏性土，其分布十分广泛，尤其是在湖北中部和北部、河南中部及安徽中部和北部等地区.由于地区气候周期性变化，老黏土总在地下水位变化、降雨、蒸发等作用下经历干湿循环作用，同时由于每次作用时长不同，导致老黏土经历不同时间尺度的浸泡作用.由于老黏土具有复杂的水土-力学性质及其受干湿循环和浸泡作用影响导致该类边坡发育的地质灾害种类繁多、机制复杂.

针对老黏土工程特性，国内外做了大量研究.艾传井等[1]通过室内和现场试验对老黏土地基变形参数和承载性能进行了研究.李芳[2]则通过大量工程地勘资料和室内土工试验成果，分析了武汉市东西湖区老黏土的基本工程地质特性.老黏土工程特性主要由其土体结构、物质组成、颗粒之间作用力等决定，干湿循环作用破坏土体结构、弱化土体颗粒间作用力，导致土体强度降低[3-4].关于干湿循环对土体强度劣化作用，国内外学者取得了丰硕研究成果；杨和平等[5]、Aldaood等[6]和Chen等[7]通过不同试验条件对土样进行了干湿循环作用下强度及其指标变化规律的试验研究，得到了强度指标随循环次数的衰减规律.吕海波等[8]通过试验得到了膨胀土抗剪强度随干湿循环次数而衰减的规律，发现最初1～2次循环强度衰减幅度最大.慕现杰等[9]得到了膨胀土随干湿循环强度的变化规律，随着循环次数的增加，土体的大裂缝逐渐减少并产生了大量的微裂缝，膨胀土的抗剪强度逐渐减小.卢再华等[10]利用CT扫描试验研究干湿循环过程中裂隙演化过程，观察分析了裂隙产生、发展和闭合过程.沈珠江等[11]对干湿循环过程中土体裂缝的形成、发展到闭合的整个过程进行了数值模拟.综上，现有研究主要通过现场、室内试验及数值模拟等手段揭示土体强度随干湿循环衰减规律和获取裂隙演化过程，但仅仅对影响规律作定性分析，很少给出经验公式，对浸泡作用影响岩土体强度及其机制未作深入分析；且很少对试样横向变形(径向变形)受干湿循环和浸泡作用影响规律进行研究；同时，鲜有研究从裂隙演化角度揭示干湿循环对岩土体强度劣化机制.

因此，本文以湖北省嘉鱼县地区的典型老黏土为研究对象，通过三轴不固结不排水试验，对老黏土在干湿循环与浸泡作用下强度与变形的影响规律进行探究，建立劣化模型，揭示试样横向变形规律，同时从裂隙演化、水土作用角度揭示强度衰减机理.研究成果为进一步揭示干湿循环与持续浸泡作用对老黏土强度与变形特性的劣化规律提供理论依据和经验数据；为构建干湿循环与浸泡作用导致老黏土边坡失稳破坏预测模型、工程治理提供依据.

1 试验方案和过程

1.1 主要试验设备

试验主要仪器：台秤、应变式三轴仪(图1a)、TYS-50土样压实装置(图1b)、真空抽气机(图1c)、烘箱.试验加载由有级变速电机控制，加载速率0.01～3 mm/min；围压采用气压加载.

1.2 试验土样

试验用土取自嘉鱼县石鼓岭村不稳定斜坡典型老黏土层.采用直径39.1 mm、高80 mm圆柱形标准试样.土体基本物理力学参数见表1.

表1 老黏土基本物理力学参数表

1.3 试验方案及过程

1) 干湿循环试验.受气候周期性影响，土体在降雨作用下达到或接近饱和状态，雨过天晴后，土体含水率降低并维持稳定值.通过干湿循环试验模拟土体在自然状态下受气候周期性作用的真实情况，揭示其对土体强度与变形作用规律.

干湿循环试验共18个试样，分0,1,2,5,7,10次6组，其中0次为参照组试样，每组3个相同土样.首先将所有相同试样装饱和器中置于真空抽气机中抽气2 h，浸泡24 h；然后将试样取出放入65 ℃烘箱中，连续烘干至试样恒重.即完成干湿循环1次，静置冷却2 h后进行下一循环[5].

2) 浸泡试验.鉴于气候周期性变化、降雨时长不同，土体受浸泡作用时间不同，为此，本次浸泡试验采用改变试样在水中持续浸泡时长来揭示其对土体强度与变形的作用规律.

浸泡试验共21个试样，分别浸泡0,1,2,4,7,10,24 d 7组，每组取3个相同试样.

3) 三轴压缩试验.将完成预定浸泡时长、干湿循环次数的试样置于压力室，分别进行围压100,200,300 kPa的不固结不排水试验，加载速率0.5 mm/min.当试样完全破坏或者是轴应变达到15%时，试验停止，试验试样如图2所示.

2 试验结果与分析

2.1 干湿循环对老黏土强度与变形影响

试验过程中可明显观察到试样表面出现裂隙.几乎所有试样干湿循环1次后端面四周出现径向短小裂隙，少量由于制样产生的非均质性或受到不对称应力形成软弱面产生相对较宽的裂隙.通过监测记录试样裂隙演化过程获取裂隙发育情况(图3).由图可知，试样裂隙在干湿循环1，2次时发展迅速，5次以后相对缓慢趋于动态稳定.宏观角度来看，干湿循环次数增加表现为试样裂隙发展明显，通过对试样测量分析可直观获取裂隙演化过程和试样收缩程度.干湿循环后试样四周出现径向间断细小裂隙和径向收缩现象，侧面可见近端部裂隙.此外，由图3d～图3e可知随着干湿循环次数的增加试样裂隙由四周向中间扩展，裂隙增大、增长、增多，最终贯穿，试样收缩明显.

2.1.1 应力应变关系曲线

基于试验数据绘制老黏土试样应力-应变关系曲线，对不同干湿循环次数老黏土应力应变曲线(图4)进行对比分析.

相对于参照组，干湿循环后的应力应变曲线有所差异.随干湿循环次数的增加，产生相同轴向应变时对应的主应力差明显减小，前期曲线越缓，趋于平稳阶段出现越晚.可见干湿循环对老黏土强度具有劣化作用，干湿循环次数越多对老黏土劣化作用越明显.

由图4可知，干湿循环1,2次后，主应力差减小幅度最大，随后降低幅度呈变缓趋势，说明干湿循环破坏土体结构.从图4可知刚开始经历干湿循环时土体受到初次破坏，使得原生裂隙进一步发展，属于突变过程；反复干湿循环时，仅已有裂隙渐进性地扩张，少量原生裂隙萌生，对土体损伤没有起初强烈，损伤程度明显减弱.

2.1.2 抗剪强度指标

为研究干湿循环作用对老黏土强度特性的影响，通过三轴不固结不排水试验建立强度包络线获取不同干湿循环次数下老黏土强度参数.从图5可知老黏土属于弹塑性强化材料，采用强化弹塑性力学模型进行分析，运用莫尔-库伦破坏准则，基于试验数据绘制应力莫尔圆获取老黏土抗剪强度参数.重塑老黏土干湿循环0次黏聚力c为77.8 kPa,内磨擦角φ为6.2°;1次c为57.3 kPa,φ为5.8°;2次c为40.8 kPa,φ为5.5°；5次c为35.5 kPa,φ为5.4°；7次c为30.5 kPa,φ为5.5°；10次c为25.1 kPa,φ为5.3°；可知干湿循环对老黏土黏聚力劣化作用显著，内摩擦角变化微弱，针对此现象进行系统研究，揭示其影响规律，探究成因机制.

为揭示黏聚力c劣化规律，将得到的c进行无量纲化处理，即取不同干湿循环次数n下的黏聚力cn与未进行干湿循环的黏聚力c0进行比值，记为ηcn.基于试验数据的整理，结合数据分析软件进行拟合(图5)，构建ηcn随干湿循环次数n的劣化关系式：

ηcn=0.633×e-n/1.71+0.367,R2=0.962 3.

(1)

基于此，推导cn表达式：

cn=ηcn×cn0,R2=0.962 3.

(2)

综上分析可知，c随n的增加呈指数衰减，干湿循环1,2次时劣化作用最明显，衰减幅度较大，衰减趋势不断减缓逐渐趋于稳定，干湿循环5次后，衰减到45.6%，这与裂隙发展演化情况基本一致，可知裂隙发育是试样强度劣化的根本原因之一.基于拟合结果可知老黏土抗剪强度经历多次干湿循环后将趋于平衡状态.

脱湿过程中土体收缩，原生裂隙进一步扩展，同时形成新的裂隙，孔隙含量增加，对土体结构造成损伤，破坏土体完整性；增湿过程中土体内空隙被水分充填，使得颗粒中的胶结物得到溶蚀，同时颗粒之间的摩擦力减小，亲水性矿物吸水膨胀，使得土骨架反复收缩膨胀.反复的干湿循环导致裂隙加深加宽，数量增加，破坏土体的均匀性和完整性，造成不可逆转的结构损伤.因此在干湿循环过程中土体的黏聚力劣化明显.

2.1.3 横向变形特征

为进一步探究干湿循环对老黏土强度的影响，对试验后破坏试样的变形进行系统研究，揭示试样横向变形受干湿循环作用的影响规律.研究表明试样横向变形受干湿循环影响显著.

采用游标卡尺测量试验后试样直径，归纳总结其变形规律(图6)：试样横向变形随干湿循环次数的增加逐渐增大，随围压的增大而减小.脱湿过程中，土骨架收缩，原生裂隙凸显，试样表面可见明显裂隙，试样中微小孔隙扩张，孔隙含量增加.增湿过程中，水分充填裂隙，亲水性矿物吸水膨胀，导致试样体积增大.反复干湿循环增加试样孔隙含量，降低颗粒间黏结力，致使试样受压缩后产生更大变形.

2.2 浸泡作用对老黏土强度与变形影响

2.2.1 应力应变关系

基于三轴试验结果绘制不同围压条件下不同浸泡时间的应力应变曲线图(图7)，根据试验结果可知三个围压下应力应变曲线变化趋势与特征相似.由图7可明显看出，老黏土浸泡1 d后抗剪强度衰减最大，其次为浸泡2 d，随着浸泡时间增加衰减幅度逐渐减小.浸泡后试样逐渐由应变软化向应变硬化转变，说明试样浸泡过程中对其结构有一定的损伤作用，浸泡时间越长劣化作用越明显.浸泡过程中试样可溶性物质溶于水破坏试样结构，含水率升高胶结物浓度降低，弱化其胶结作用.相对于干湿循环作用，劣化趋势基本相同，但浸泡作用对试样强度的劣化幅度和速度更小，这主要由于在干湿循环脱湿过程中破坏土体结构，加速原生裂隙发展，致使土体收缩，破坏土体整体性、粒间连接结构和胶结作用，使得黏聚力大幅度降低.

2.2.2 抗剪强度指标

根据三轴压缩试验，老黏土浸泡0 dc为87.2 kPa,φ为8.5°;浸泡1 dc为77.8 kPa,φ为8.2°;浸泡2 dc为64.2 kPa,φ为8.3°;浸泡4 dc为55.4 kPa,φ为9.3°;浸泡7 dc为49.3 kPa,φ为9.2°;浸泡10 dc为46.6 kPa,φ为9.1°;浸泡24 dc为42.4 kPa,φ为8.8°;黏聚力随浸泡时间t变化显著，而摩擦角受其影响较小.将试验数据系统总结归纳，建立抗剪强度参数随浸泡时间经验劣化公式(图8)，揭示其衰减规律，探究其劣化机理.

图7 200 kPa不同浸泡时间应力应变曲线图

Fig.7Stress-strain curves of different soaking time

under confining pressure 200 kPa

建立老黏土ct与浸泡时间t的关系式：

ct=ηct×ct0=(0.495+0.51×e-t/3.12)×ct0,
R2=0.988 2.

(3)

式中：t为浸泡时间，d；ct0，kPa；ct，kPa.R2=0.988 2说明其可以很好地反映本文研究的老黏土c随浸泡时间t的劣化规律.综上可知，老黏土c随浸泡时间的增加呈指数趋势衰减，浸泡1 d衰减幅度最大，随着浸泡时间的增加黏聚力衰减幅度明显降低，逐渐趋于稳定.试样浸泡后，含水量升高，胶结物浓度降低，部分胶结物溶解，弱化胶结作用，亲水性物质经过浸泡后吸水膨胀，破坏土体骨架，从而使得黏聚力衰减.浸泡过程中老黏土吸湿、体积膨胀、含水率增大，浸泡刚开始时，试样含水量变化较大、胶结物浓度和试样体积变化最大，试样结构受影响最明显，因此浸泡1 d后黏聚力衰减最快.随着试验的进行各种作用逐渐减弱，黏聚力降低幅度趋于稳定.

2.2.3 横向变形特征

统计试验结果绘制试样横向变形与浸泡时间关系曲线图(图9)，可明显看出试样随浸泡时间的增长横向变形呈增大趋势，试样出现剪胀现象，试样两端横向变形较小，在分层接触处体积有所增大，距离试样顶端40～50 mm处横向变形略大，试样直接剪切破裂的较少，相对经过干湿循环作用的试样来说，试样横向变形较小.由于试样两端受到摩擦和约束作用，导致两端变化微小.

3 结 论

1) 老黏土黏聚力随干湿循环次数增加呈指数衰减，1，2次衰减幅度较大，衰减趋势不断减缓逐渐趋于稳定，内摩擦角保持稳定.干湿循环造成土体结构损伤，裂隙发展是强度衰减的宏观表现，随着干湿循环次数的增加试样裂隙由四周向中间扩展，裂隙增大、增长、数量增加，1，2次干湿循环裂隙发展显著，5次以后相对缓慢，裂隙发育是试样强度劣化的根本原因之一.

2) 抗剪强度受干湿循环作用呈降低趋势，且先快后慢，最初对土体结构破坏为突变过程，后期为裂隙渐进性扩张.

3) 黏聚力随浸泡时间的增加呈指数衰减趋势，表现出先快后慢.主要通过提高含水量溶解降低胶结物溶解浓度，弱化胶结作用，破坏土体结构.

4) 横向变形随干湿循环次数、浸泡时间的增加呈增大趋势，随围压增大有一定减小.