干湿循环条件下陕南膨胀土力学特性研究*

支枭雄， 李宝平， 张 玉,2，王哲成，王 鹏

(1.西安工业大学 建筑工程学院，西安 710021;2.西安理工大学 陕西省黄土力学与工程重点实验室，西安 710048)

膨胀土在我国分布十分广泛。近年来，膨胀土地区发生沉降破坏的情况越来越多，因此膨胀土地区安全合理的工程设计及施工已成为一个亟待解决的重要问题。土的抗剪强度是地基工程和边坡工程设计过程中的主要指标之一。尤其在各季节不同气候的干湿循环作用条件下,由于膨胀土显著的胀缩和裂隙特性，使土体抗剪强度极易发生变化，进而对建筑物造成危害，这是目前我国膨胀土地区工程建设过程中的主要致灾因素。因此研究干湿循环作用下陕南膨胀土的力学特性有重要的理论价值和实际意义。

国内外学者[1-4]对膨胀土受干湿循环作用的影响做了大量的研究工作，并取得了丰富的研究成果。文献[5]模拟大气干湿循环条件，对击实的膨胀土土样通过直剪试验测定其抗剪强度，结果表明气候是膨胀土强度的一个重要影响因素,因此在进行膨胀土地区工程设计和研究时,必须考虑膨胀土抗剪强度受季节性干湿循环作用的影响。文献[6]研究表明，模拟大气干湿循环效应并开展常规三轴试验对于合理分析并正确评价膨胀土土坡浅层坍滑的破坏特性是不可或缺的。文献[7]对击实的膨胀土试样进行模拟不同干湿循环路径条件下的试验,研究表明膨胀土的抗剪强度在少于5次干湿循环次数条件下不能很好地反映抗剪强度的衰减;而超过5次干湿循环，则周期过长并且没有有效的研究价值。研究发现约5次的干湿循环后,膨胀土的抗剪强度趋于稳定状态,因此进行陕南膨胀土干湿循环研究时将5次干湿循环作为一个特征循环次数。文献[8]主要探究干湿循环下裂隙发展与抗剪强度之间的关系，研究表明干密度和初始含水率对膨胀土的裂隙发展有一定程度的影响，干湿循环次数和干密度两个因素对抗剪强度的大小都有不同程度的影响，未能定量探讨干湿循环次数和干密度等参数对膨胀土抗剪强度的影响程度。文献[9]研究表明当含水率增大时，弱膨胀土的抗剪强度有非常明显的降低趋势,并且含水率与黏聚力有类似指数函数的关系,与内摩擦角有明显的线性递减关系,其主要研究膨胀土的抗剪强度随潜势的变化规律，未能定量地揭示初始含水率与膨胀土抗剪强度的关系。文献[10]在模拟大气干湿循环条件下对膨胀土土样进行直剪和无侧限抗压强度试验研究。研究结果表明膨胀土的抗剪强度随着干湿次数的增加而衰减,究其原因主要是由于干湿循环效应破坏了土体本身的结构，使得黏聚力随循环次数的增多而减小。采用直剪试验测定膨胀土强度，而直剪试验不能准确地反映膨胀土应力-应变的关系，与之相比常规三轴试验更加符合陕南地区弱膨胀土在工程建设中的实际受力情况。文献[11]主要研究风化砂改良膨胀土在干湿循环条件下抗剪强度的变化情况。研究表明在第2次和第3次干湿循环过程中,土体抗剪强度减小的程度最大,之后的循环过程中衰减幅度逐渐减小直到最后达到稳定状态,原状膨胀土是否有类似的特征，值得学者进一步探讨研究。文献[12]研究表明原状膨胀土和重塑膨胀土经过模拟大气干湿循环效应后的抗剪强度衰减主要表现在其黏聚力参数的大幅度减少，其试验方案和控制条件仍未能更好的模拟实际膨胀土地区工程建设。

从上述研究可见，目前我国膨胀土研究多集中于西南区域，而针对陕南地区弱膨胀土的研究较少，由于陕南地区工程建设的急切需要，陕南膨胀土的力学特性研究成为一个亟待解决的课题。基于此，本文选用陕南地区膨胀土作为研究对象，通过模拟大气干湿循环过程进行常规三轴试验，分析膨胀土土样的应力-应变关系和抗剪强度特性，从而揭示膨胀土危害机理，同时为陕南地区工程建设和后续研究提供一定的参考。

1 试验设计

试验所用膨胀土土样取自陕西省汉中市勉县，土体颜色呈红褐色并夹杂灰白色黏土条带，为弱膨胀土。陕南膨胀土试样的基本物理特性参数见表1。

表1 陕南膨胀土试样基本物理特性

通过人工增湿法配置不同含水率的陕南膨胀土土样，待土样中的水分完全扩散均匀后，采用开放系统的室内模拟干湿循环试验，模拟自然条件下风干和下雨增湿的实际环境。综合参考陕南勉县地区历年的降雨量，将试样加湿至30%，脱湿至10%作为试验控制点。分别进行1次、3次、5次干湿循环，采用固结排水试验，以便用较简便的方法来研究陕南地区膨胀土的静力学特性。

2 结果及分析

2.1 应力-应变影响因素分析

2.1.1 初始含水率对应力-应变的影响

根据常规三轴试验所得数据，得到膨胀土在含水率为15%，18%，21%，24%与不同干湿循环次数条件下的应力-应变规律。由于实际建设工程多受到浅层低应力影响，为了模拟实际工程情况，故以50 kPa固结围压条件下的应力-应变曲线作为研究对象。不同含水率下陕南膨胀土应力-应变关系如图1所示。其中σ1-σ3为大小主应力差(σ1为大主应力，σ3为小主应力)，ε1为轴向应变。

图1 不同含水率下膨胀土应力-应变图

通过图1的应力-应变曲线可知，随着轴向应变的增加，σ1-σ3不断增加，因此峰值应力不断增加；初始含水率越大，膨胀土峰值强度越低。不同干湿循环条件下，初始含水率与峰值应力的关系如图2所示。由图2可以明显看出，随着含水率的增加，峰值应力基本呈线性关系降低；且未经干湿循环的膨胀土与经过干湿循环的膨胀土相比，未经干湿循环的土样峰值应力降低幅度远大于经过干湿循环的土样。初始含水率与峰值应力拟合关系见表2。其中R2为拟合指数。

图2 初始含水率与峰值应力图

由表2可以看出，R2均大于0.99，说明函数拟合状况良好。表明随干湿循环次数的增加,应力-应变曲线上最高点对应的应力值逐渐降低，说明峰值强度和干湿循环次数呈负相关，且第一次干湿循环对峰值强度的影响较大。

表2 初始含水率与峰值应力拟合函数关系表

2.1.2 干湿循环次数对应力-应变的影响

根据试验数据以峰值应力为纵坐标，轴向应变为横坐标，得到不同干湿循环次数下陕南膨胀土的应力-应变关系如图3所示。干湿循环次数与峰值应力具体试验数据见表3。

图3 不同干湿循环次数下陕南膨胀土应力-应变图

由图3和表3可得第一次干湿循环对土体峰值强度的衰减作用相较后续干湿循环要明显很多。陕南膨胀土应力-应变曲线在不同干湿循环次数和初始含水率条件下都会表现出土的应变硬化性质。初始含水率为15%时应力-应变曲线增长幅度比24%时要大,说明在较高含水率下,多次干湿循环对峰值强度的衰减较大，这是由于较高含水率下自由水含量较多,土颗粒间胶结物质溶解破坏能力增强。

表3 峰值应力表

2.2 抗剪强度影响因素分析

剪切破坏是膨胀土强度破坏的一个重要特性,当土体部分剪应力达到极限抗剪强度时,就会出现剪切破坏,膨胀土抗剪力的最大值就是抗剪强度值,抗剪强度特性分析主要针对黏聚力和内摩擦角。通过常规三轴试验所得数据,得到相应的莫尔应力圆和强度包线,进一步得到线性函数方程。通过分析初始含水率和干湿循环次数两个因素对陕南膨胀土抗剪强度的影响，对膨胀土强度特性进行研究，在18%含水率条件下，分别进行1，3，5次干湿循环周期，得到不同干湿循环次数下的摩尔应力圆和强度包线如图4所示。其中τ为剪应力，σ为正应力。

根据图4得到拟合强度包线，其中拟合方程τ=kσ+b中的系数k为内摩擦角的正切值，反算可得出内摩擦角，方程的b值为黏聚力，抗剪强度拟合参数值见表4。

图4 陕南膨胀土莫尔应力圆及其强度包线

表4 不同干湿循环次数下抗剪强度参数值

2.2.1 干湿循环次数对黏聚力及内摩擦角的影响

对干湿循环条件下陕南膨胀土的抗剪强度参数进行研究，得到陕南膨胀土干湿循环次数和黏聚力、内摩擦角的关系如图5～6所示。

通过图5～6可发现，当干湿循环次数不断增加时,膨胀土试样的抗剪强度参数逐渐降低,干湿循环条件下膨胀土抗剪强度的降低主要是黏聚力降低幅度较大，内摩擦角仅降低了很小的幅度，这是因为干湿循环破坏了土的原有结构，使得黏聚力减小，且减小幅度随干湿循环次数的增多而减小。

图5 陕南膨胀土黏聚力与干湿循环次数关系

图6 陕南膨胀土内摩擦角与干湿循环次数关系

2.2.2 初始含水率对黏聚力及内摩擦角的影响

陕南膨胀土试样在干湿循环条件下黏聚力、内摩擦角与初始含水率之间的关系分别如图7～8所示。黏聚力与初始含水率拟合数据见表5。

由图7～8可以看出初始含水率和黏聚力之间呈线性变化关系。初始含水率越大，黏聚力和内摩擦角受到的影响越大。如果初始含水率大于24%且继续增加，两者关系会逐渐从线性关系向类似指数关系发展，这进一步说明了高含水率对陕南弱膨胀土地基的损伤性。由表5可知，拟合指数R2均大于0.99，说明函数拟合状况良好。不同干湿循环次数条件下,当初始含水率增加时，陕南膨胀土黏聚力和内摩擦角指标均减小，且呈线性关系。

图7 陕南膨胀土黏聚力与初始含水率的关系

图8 陕南膨胀土内摩擦角与初始含水率的关系

表5 黏聚力和含水率拟合函数表

3 结 论

1) 膨胀土强度的峰值应力随干湿循环次数的增大而减小,且第一次干湿循环后峰值强度的降低幅度要明显大于后续干湿循环。

2) 干湿循环次数依次增加时,膨胀土抗剪强度衰减。多次干湿循环作用下，膨胀土力学性能下降，主要是因为黏聚力大幅降低所造成的抗剪强度衰减。第一次干湿循环对膨胀土抗剪强度的影响远大于后续干湿循环。

3) 膨胀土的抗剪强度随初始含水率的增大而降低且大致呈线性相关。