干湿循环和吸力对非饱和下蜀土力学特性影响的试验研究

刘顺青 王永璐 蔡国军 姜朋明 王 杰 张 梦

(1东南大学交通学院, 南京 211189)(2江苏科技大学土木工程与建筑学院, 镇江 212005)

下蜀土作为一种特殊的风沉积性土,在宁镇地区的低山、丘陵等地貌单元中广泛分布,通常呈现出厚度大、层次清晰、多孔隙等特点[1].下蜀土在天然状态下多呈现褐色、黄褐色,强度和承载力较高[2],其所含黏土矿物以伊利石为主,具有较强的水敏感性[3],通常为弱膨胀性土[4].

目前干湿循环及吸力对非饱和下蜀土力学特性的影响方面还未有系统研究.因下蜀土通常为弱膨胀性土,而已有非饱和膨胀土的研究中大都仅考虑吸力或干湿循环对其力学特性的影响.在吸力的影响方面,詹良通等[5]采用非饱和直剪试验研究了吸力对膨胀土剪切特性的影响;Gan等[6]通过试验证明了非饱和膨胀土抗剪强度与吸力呈非线性关系;Fredlund等[7]通过土-水特征曲线来表征吸力对抗剪强度的贡献,提出了计算非饱和土抗剪强度的经验性公式;吴珺华等[8]采用滤纸法测定了非饱和膨胀土的基质吸力,并结合直剪试验结果建立了其在全吸力范围内的抗剪强度模型.在干湿循环的影响方面,Xiao等[9]采用直剪试验研究了广西膨胀土在不同干湿循环次数及低围压下的强度特性;刘宽等[10]通过三轴强度试验、核磁共振测试及扫描电镜试验,探索研究了干湿循环作用下膨胀土力学性质与其结构损伤的多尺度效应;Dong等[11]为研究干湿循环对膨胀土强度的影响,研发了一台可精确控制含水率的直剪仪;Ma等[12]通过核磁共振技术研究了干湿循环条件下膨胀土的微观结构演变规律;Zhao等[13]提出了一种模拟膨胀土在干湿循环过程中胀缩体积变化的本构模型;Rosenbalm等[14]研究了压缩膨胀土在干湿循环下的力学特性,表明该膨胀土在经过4次循环后,膨胀或坍塌应变与其膨胀压力达到平衡.

由上述分析可知,目前针对非饱和膨胀土力学特性的研究主要集中在干湿循环或吸力等单因素的影响方面,而实际工程中的膨胀土(包括下蜀土)通常处于干湿循环和吸力的共同影响下,因此有必要研究干湿循环和吸力共同作用下非饱和下蜀土的力学特性变化规律.本文以镇江某边坡的下蜀土为研究对象,采用4FDJ-20型全自动非饱和直剪仪研究干湿循环和吸力对非饱和下蜀土力学特性的影响.研究结果可为干湿循环作用下下蜀土边坡的稳定性分析提供计算参数,具有实际工程意义.

1 试验土料及测试方法

1.1 试验用土

试验所用下蜀土取自镇江某边坡,土样呈黄褐色,天然含水率(质量分数)约为17%.对所取土样在自然条件下进行风干、晾晒处理,待其含水率稳定后取部分土样测定其风干含水率,之后碾碎、筛分并装袋封存.取部分土样进行液塑限、自由膨胀率等试验,测定出的该土样基本物理力学指标如表1和表2所示.试验严格按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[15]进行.

由表1可知试验所用下蜀土的液限为32.3%,塑限为16.7%,塑性指数为15.6,结合表1、表2及《膨胀土地区建筑技术规范》(GB 50112—2013)[16],可判断本次试验所用下蜀土为弱膨胀性粉质黏土.

表2 下蜀土的颗粒组成

1.2 试验方案

1.2.1试样制备

试样干密度取1.7 g/cm3.由测定的风干含水率及干密度等参数配备初始含水率为17%的湿土,将配备好的湿土装入塑料袋中密封24 h,以保证湿土含水率均匀.采用击实法制备直径为61.8 mm、高为20 mm的环刀样共72个.

1.2.2 干湿循环方式的实现

将制备好的环刀样放入一密封塑料箱中,在试样上、下依次放入直径为79.8 mm的透水石及滤纸,防止土样吸水膨胀后土颗粒散落.在塑料箱底部加水,水面与下透水石顶面齐平,并在试样上方加5 kPa的荷载,以防止土样吸水膨胀后对非饱和剪切试验结果造成影响.试验中采用喷雾器对试样进行喷水加湿,每天喷水3次,每次喷水至试样不再吸水为止,连续喷洒3 d后认为试样达到饱和状态.称取饱和试样的质量后,将饱和试样放入40 ℃的烘箱中烘干至恒重,并称取干燥试样的质量,如此为完成1次干湿循环.干湿循环过程中的含水率变化如图1所示.

图1 干湿循环过程中下蜀土的含水率变化

1.3 试验仪器

本次试验所用仪器为4FDJ-20型全自动非饱和土直剪仪(四联),如图2所示.该仪器共由5个部分组成,分别为容器缸、剪切盒、水平加载部件、竖向加载部件及数据采集系统.该仪器在试验中通过轴平移技术来控制土样中的吸力,从而实现非饱和剪切的目的.每次试验开始前应按照操作规范冲洗陶土板下积聚的空气,以保证试验中能准确控制土体内的吸力.本次试验中所有数据为计算机全自动采集.

1—容器缸 2—剪切盒 3—水平加载部件 4—竖向加载部件 5—数据采集系统

本次试验中分别采用竖向应力N=50,100,200 kPa,吸力s=0,50,100,200 kPa.非饱和直剪试验开始前应先将陶土板饱和,而后将剪切盒放入仪器内,拧紧压力室上盖,通过计算机控制仪器打开进水阀门,关闭排水阀门,待外部进水管进满时通过空气压缩机向仪器内施加气压力300 kPa,并打开排水阀门,反复冲洗陶土板直至排水阀门有连续水排出,表明此时陶土板已饱和完成.每次剪切开始前试样应在相应吸力及竖向应力条件下进行固结,待试样固结稳定后再以0.08 mm/min的速率进行剪切.

2 试验结果分析

2.1 干湿循环作用对下蜀土结构形态的影响

不同干湿循环次数下下蜀土的结构形态如图3所示.从图中可以明显地看出下蜀土试样在经历干湿循环后土体形态急剧劣化.试样在经历干湿循环后表面产生明显裂隙,同时随着干湿循环次数的增加,试样表面裂隙从四周向中间发育.在第4次干湿循环后试样表面的裂隙逐渐开始加粗、加深,试样的完整性明显变差.同时试样在湿循环后,由于土体吸水膨胀的特性导致试样表面裂隙逐渐闭合,但在干燥后裂隙又重新出现并加速发展.

由上述分析可知下蜀土试样在经历干湿循环后整体性、结构性变差.土体内的土颗粒由于不断吸水膨胀和失水收缩,其内部空间结构发生明显改变,进而导致其力学特性变差.

(a) 干燥状态

(b) 湿润状态

2.2 下蜀土抗剪强度特性

不同干湿循环次数及吸力水平下的下蜀土抗剪强度包线如图4和图5所示.由图可以发现，干湿循环作用对于下蜀土的抗剪强度具有劣化作用,一定范围内的吸力对于土体抗剪强度具有提升作用.从图4可明显看出土体在第2次干湿循环后强度短暂提高,之后随着干湿循环次数的增加,土体抗剪强度逐渐降低,从第4次干湿循环到第5次干湿循环过程中土体的抗剪强度降低幅度较小,从第5次到第6次干湿循环过程中土体的抗剪强度并无显著变化,此时土体结构达到稳定状态.从图6可发现，随着吸力从0增大到200 kPa,下蜀土的抗剪强度逐渐上升，且随着干湿循环次数的增加,强度逐渐稳定.

土体抗剪强度产生上述变化规律的主要原因是:土体在经历干湿循环作用之后,土体内部结构随着裂隙不断地闭合与发育而发生变化,土体内的土颗粒排列可能会在某个阶段处于结构较好的位置,导致土体抗剪强度经历短暂提升后逐渐降低.然而下蜀土经历多次干湿循环后,其内部结构基本破坏,此时土体的抗剪强度变化幅度较小.同时由于吸力的存在,当外力使土体破坏时,部分有效吸力会加强土体的结构性,使土体的抗剪强度增大,且在一定范围内施加的吸力越大,土体的抗剪强度提升越明显.

因篇幅所限,仅给出了不同吸力水平下第1次及第6次干湿循环后下蜀土的剪应力-剪切位移曲线，如图6所示.由图可见,干湿循环作用下下蜀土的剪切破坏呈现一定的应力硬化特征,土体达到峰值强度后下降幅度不明显,呈稳定态势.随着吸力的增大，下蜀土的抗剪强度随之增大,再次说明了一定范围内的吸力对下蜀土的抗剪强度具有提升作用.

(a) s=0

(c) s=100 kPa

(a) 第1次干湿循环

(d) 第4次干湿循环

2.3 干湿循环作用对下蜀土抗剪强度参数的影响

图7(a)、(b)分别为相同吸力水平下干湿循环作用对下蜀土黏聚力和内摩擦角的影响曲线.从图中可看出,相同吸力水平下下蜀土的黏聚力经历短暂升高之后开始降低并保持基本稳定;而内摩擦角则在吸力s>50 kPa之后呈现出随干湿循环次数的增加先降低而后基本保持稳定的变化趋势.

下蜀土的黏聚力和内摩擦角呈上述变化规律的主要原因为:土体黏聚力的来源主要包括颗粒间的胶结力、范德华力、颗粒间接触点的化合价键和表观黏聚力等,其中胶结力是土体黏聚力最主要的来源[17].下蜀土作为一种特殊的膨胀土,其胀缩变形不具有完全可逆性,因此下蜀土在第2次吸湿过程中含水率可能小于第1次吸湿过程.下蜀土在脱湿阶段水分不断丧失，内部空间被压缩，导致其内部土颗粒形成了较大的团聚体,而在吸湿阶段由于上覆荷载的作用而导致下蜀土内部孔隙增加幅度不大,土体结构性衰减较小.土体较小的含水率导致第2次干湿循环后土体内部存在的较大团聚体分解程度小于第1次干湿循环,此时由于团聚体的存在导致下蜀土的土颗粒之间的黏结作用较强,土体的黏聚力短暂提升;同时由于下蜀土内部团聚体分解的过程中土颗粒不断迁移,会有部分土颗粒运动到小的孔隙内,土体结构性得到短暂增强,也导致下蜀土的黏聚力呈短暂上升趋势.当施加吸力时,吸力的存在改变了土体的气-水收缩膜,同时部分吸力转化为土体的有效黏聚力.因此,在第2次干湿循环后下蜀土的黏聚力有一定的提高,并且有吸力存在时提高更为明显.但随着干湿循环次数的增加,下蜀土内部裂隙发育加剧,土颗粒之间的胶结力被破坏,土体黏聚力开始呈下降趋势,并在多次干湿循环后保持稳定.

(a) N=50 kPa(第1次干湿循环)

(d) N=50 kPa(第6次干湿循环)

(a) 黏聚力

(b) 内摩擦角

下蜀土的内摩擦角在较低的吸力水平时,由于其土体结构的变化导致其大小并无明显变化规律.当施加的吸力逐渐增大后,土颗粒之间的摩擦作用受到吸力的影响开始变得稳定,并且随着干湿循环次数的增加，土体内部裂隙不断发育,从而降低了土颗粒之间的摩擦力,导致下蜀土的内摩擦角逐渐降低后保持稳定.

2.4 吸力对下蜀土抗剪强度参数的影响分析

图8(a)、(b)分别为吸力对下蜀土黏聚力及内摩擦角的影响曲线.对比图8(a)、(b)可看出,吸力对下蜀土黏聚力的影响大于对内摩擦角的影响,同时不同的干湿循环次数下下蜀土内摩擦角的变化规律不同.下蜀土的黏聚力随吸力的增大而逐渐升高,并最终保持稳定,而下蜀土的内摩擦角在前3次干湿循环过程中无明显变化规律,从第4次干湿循环开始,随着吸力的增大,下蜀土的内摩擦角先增大后减小再略微上升,整体变化幅度不大.

(a) 黏聚力

(b) 内摩擦角

图8 不同吸力水平下下蜀土黏聚力和内摩擦角的变化曲线

下蜀土在干湿循环作用下内部裂隙发育,导致其结构性变差,而吸力的加入提高了下蜀土的结构性并且改变了其气-水收缩膜,导致土体黏聚力提高.随着干湿循环次数的增加,下蜀土内部裂隙增大、增粗,土体结构性基本被破坏,此时下蜀土黏聚力整体水平较低.而下蜀土的内摩擦角随着土体结构的稳定开始受吸力的影响而发生波动,但整体变化幅度不大,说明下蜀土黏聚力受吸力的影响大于内摩擦角的影响.

3 结论

1) 下蜀土外观形态受干湿循环作用的影响而产生裂隙,随着循环次数的增加,裂隙不断增多、增大,并由四周逐渐向中间发育.

2) 下蜀土的抗剪强度受干湿循环和吸力共同作用产生不同的变化规律,吸力对土体抗剪强度具有提升作用.

3) 在相同吸力水平下,下蜀土的黏聚力随着干湿循环次数的增加,经历短暂提升后开始减小并最终趋于稳定.

4) 在相同的干湿循环次数下,下蜀土的黏聚力随吸力的增大呈上升趋势.

5) 下蜀土内摩擦角在较大吸力及较高的干湿循环次数下表现出规律性,但整体变化幅度不大,干湿循环作用及吸力对下蜀土内摩擦角的影响小于黏聚力.