干湿循环对重塑膨胀土强度的影响研究

王灵芝，宋钇宏

(1.中航建设集团有限公司，北京 101407；2.中国五冶集团有限公司，四川 成都 610063)

0 引 言

随着我国基础建设的不断推进与发展，在20多个省的工程基建过程中均频繁遇到膨胀土问题。膨胀土因其膨胀性、裂隙性、强度衰减性等原因，土体容易变形，极不稳定，使修在膨胀土上的公路、铁路、渠道边坡等因季节性干湿气候循环作用，经常遭受膨胀土破坏，我国每年因膨胀土问题造成的经济损失日益增多[1]。因此，掌握干湿循环过程中膨胀土抗剪强度的变化规律，对膨胀土地区的地质灾害防治有重要意义。近年来，国内外许多学者对膨胀土开展了大量的强度影响因素试验研究，并取得了很多有价值的成果。杨和平等[2]以南宁膨胀土进行的试验研究发现，其抗剪强度随干湿循环次数增加而衰减。徐彬等[3-4]在研究影响膨胀土抗剪强度的因素中对比发现，对其强度影响突出的是含水率和裂隙，密度影响较小，此外膨胀土的黏聚力和内摩擦角均随干湿循环次数呈双曲线关系衰减。吕海波[5]、吴道祥[6]、吴珺华[7]等研究发现，干湿循环会显著降低膨胀土的抗剪强度，前3次的干湿循环对膨胀土强度的影响较为明显。徐丹等[8]对干湿气候过程中膨胀土力学性质进行的分析发现，其强度与干湿循环次数及含水状态密切相关。

大量学者大都以干湿循环次数或含水率变化作为自变量进行探究，但在干湿循环中同时讨论含水率和干湿循环次数对非饱和土样力学性质影响的较少。为此，本文采用室内三轴剪切试验，对干湿循环过程中河北地区重塑膨胀土强度变化进行探究，对试验结果进行拟合，比较计算值与试验值的符合程度，在干密度一定的情况下，得出重塑膨胀土抗剪强度指标随含水率及干湿循环次数的关系，可为膨胀土地区的工程建设提供参考。

1 试验设计

1.1 试验土样

试样采用河北地区膨胀土，经2 mm筛后重塑制样。通过室内土工试验得到试样的自由膨胀率为81%，为中等膨胀土。试样基本物性指标见表1。

表1 试样基本物理力学参数

1.2 试验过程

根据原状土体的密度指标，试样按天然含水率配土闷料24 h以上，根据试样设计的干密度(1.28 g/cm3)和试样大小计算出土样所需的湿土质量，分4层均匀击实，每层厚20 mm，击实次数为27次，制成直径39.1 mm、高80 mm的试样。受干湿作用的膨胀土大多分布在大气影响深度范围内的浅层土体，且取土范围内含水率的变化幅度较大，故试验土样干湿循环幅度控制在10%～46%。为了研究干湿循环对抗剪强度的影响，分别进行 0～3 次干湿循环试验。在每个循环里，选定含水率w为15%、25%、35%等3个控制点。试验控制过程见图1[8]。

图1 干湿循环过程

试样干燥过程通过烘箱模拟脱湿条件，温度控制为40℃。使用水膜转移法模拟增湿过程。通过称重法控制试样含水率，烘干过程每隔1 h进行称重计算试样含水率，含水率接近目标含水率时要提高量测频率。含水率降到控制点后，试样密封养护24 h，使试样内外含水率均匀分布。最后，在SLB-1A型三轴试验机上进行三轴不固结不排水剪切试验，剪切控制速率0.1 mm/min。每组4个试样，围压分别为100、200、300、400 kPa。诸多研究表明，2～3次干湿循环的土样强度基本趋于稳定[5-7]，故只进行0～3次干湿循环下干燥程度不同的三轴剪切试验，共需重塑膨胀土试样48个。

2 试验结果分析

2.1 干湿循环次数对重塑膨胀土强度的影响

含水率w=15%、25%、35%时，不同围压下重塑膨胀土样应力-应变关系分别见图2、3、4。从图2、3、4可知，含水率保持一定时，干湿循环的次数对试样的抗剪强度影响显著，随着轴向应变的加大，应力-应变关系随着干湿循环次数呈现出层次性。干湿循环次数为0、1、2、3次的应变硬化效果对比发现，干湿循环次数越多影响较大，干湿循环次数的增多易使重塑膨胀土的应变硬化效果相应降低，随之抗剪强度减弱。土体内部的孔隙经过多次的干湿循环会发生改变，通过干湿作用使水分在土体内部循环交替，在干燥作用下水分得到挥发，在吸湿作用下补充了土中的水分，土中水分的循环使土体内部的中、小孔隙发展变化成中、大孔隙，或贯穿原本的中、小孔隙，弱化了土体内部的结构，致使重塑膨胀土的应力-应变状态发生改变，劣化了土体强度。

图2 不同围压下重塑膨胀土样应力-应变关系(w=15%)

2.2 含水率对重塑膨胀土强度的影响

围压100 kPa时，不同含水率重塑膨胀土样应力-应变关系见图5。从图5可知，重塑膨胀土在干湿循环次数一定时，干燥程度越大，含水率越低，应变硬化越大，抗剪强度越高。对于上述的应力-应变曲线可解释为，干湿循环下土体的固有成分不变，其水分变化导致土体结构和土颗粒间的物理化学胶结物质改变。土的抗剪强度主要由黏聚强度和摩擦强度组成，土的黏聚力是由于颗粒间的相互作用而形成，其大小与胶结物质的成分、数量和土的含水率有关，干燥程度不同的土样中的胶结物质浓度存在差异，干燥条件下，土体内部水分不断蒸发，致使土体中的胶结物质浓度由低到高相互转换，胶结作用逐渐增强，黏聚力得到加强；而摩擦强度主要表现在颗粒间的咬合作用，随着含水率的减小，更少的自由水对土样颗粒表面润滑，减弱了土颗粒的咬合作用，从而在相同循环次数下，土样含水量减小反而应变硬化程度提高。

图3 不同围压下重塑膨胀土样应力-应变关系(w=25%)

图4 不同围压下重塑膨胀土样应力-应变关系(w=35%)

图5 不同干湿循环次数重塑膨胀土样应力-应变关系(围压100 kPa)

2.3 含水率及干湿循环次数与重塑膨胀土抗剪强度的关系

采用 M-C强度理论，非饱和膨胀土抗剪强度为

τ=c+σtanφ

(1)

式中，τ为抗剪强度；c为黏聚力；φ为内摩擦角。

从干湿循环路径下的重塑膨胀土应力-应变曲线可知，在出现峰值后取应力-应变峰值为破坏点，没有出现峰值时根据规范取15%的轴向应变的主应力差为破坏点，按围压依次为100、200、300 kPa和400 kPa，绘制破损应力圆包线，得到3次干燥过程中不同含水率的重塑膨胀土的抗剪强度指标，结果见表2。

表2 重塑膨胀土抗剪强度指标

从表2可知，随着干湿循环次数的增多，重塑膨胀土的黏聚力和内摩擦角随之降低；当含水率为15%时，第1次干湿循环减弱22.0%的黏聚力，减弱2.7%的内摩擦角；第2次干湿循环减弱12.2%的黏聚力，减弱1.0%的内摩擦角；第3次干湿循环减弱9.2%的黏聚力，减弱2.9%的内摩擦角。干湿循环次数逐渐增多，土体黏聚力的衰减差值随之减小，且对黏聚力衰弱程度影响大于内摩擦角。

对重塑膨胀土抗剪强度的影响因素进行多因素耦合作用讨论，通过多个自变量的最优组合，预测或估计因变量的多元线性回归。通过对试验数据的多元线性回归分析，得到抗剪强度随含水率变化的关系式

(2)

式中，w0为含水率；n为干湿循环次数，为0～3次；k、l、j为拟合参数，k1=-1.13、l1=-9.23、j1=87.31、k2=-0.16、l2=-0.66、j2=23.12。

取干湿循环0～3次下干燥到含水率为20%的16个土样进行不固结不排水三轴剪切试验。按式(2)计算出重塑膨胀土的抗剪强度指标，并与实测值进行对比，结果见图6。从图6可知，计算值与试验值吻合程度较高。因此，采用多元线性拟合三轴试验数据预测非饱和膨胀土的抗剪强度指标是可行的。

图6 抗剪强度指标实测值与计算值关系(w=20%)

3 结 语

本文基于河北地区膨胀土不固结不排水三轴剪切试验数据，采用多元线性拟合法，对干湿循环过程中重塑膨胀土强度变化进行研究，得出以下结论：

(1)含水率保持一定时，试样在不同干湿循环次数下的剪切强度也有着明显的区别，干湿循环次数越多影响较大。土体的黏聚力随着干湿循环次数的增多不断衰减，在一定次数的干湿循环下，土体的黏聚力差值随之减小。

(2)经干湿循环作用后，膨胀土的强度衰减主要是黏聚力大幅降低，且第1次干湿循环后的衰减幅度最大；内摩擦角虽也减小，但影响不是很明显。

(3)基于M-C强度理论，对抗剪强度指标的黏聚力、内摩擦角进一步分析，得出了重塑膨胀土抗剪强度随干湿循环次数及含水率变化的拟合关系式，计算值与试验值相符程度较高，为河北地区重塑膨胀土的地质灾害防治与施工提供参考。