干湿循环作用下岸坡土力学性能试验分析 ①

张庆海, 武立华， 刘春雷， 李 想

(绥化学院农业与水利工程学院，黑龙江 绥化 152000)

0 引 言

江河海岸的岸坡土体与一般的土有所不同，土体会随着江河水位的升降变化而发生干湿交替的过程，正是因为江河水位的升降使得岸坡土体处于反复的干湿循环中，导致其强度呈明显的下降趋势和变动性，最终造成岸坡的变形和破坏。对于干湿循环国内已经有很多学者对此进行了研究。宋洋等人通过对原状黄土进行固结试验与理论分析的方法进行分析。黄土的割线模量随干湿循环次数的增多而减小，1-3次时变化幅度较大，3-5次之后幅度变化不大，且趋于稳定[1]。曹玲等人通过三轴试验对经过多次干湿循环后三峡库滑坡带土饱和试样的凝聚力和内摩擦角的下降情况进行了研究[2]。郝延周等人通过对压实黄土进行不同路径的干湿循环与三轴剪切试验，得出干湿循环对压实黄土的三轴剪切特性影响显著[3]。通过对松花江哈尔滨段—阿勒锦岛岸坡的原状土与经过反复干湿循环后的土体进行对比试验分析，研究干湿循环过程对岸坡土体强度特性的影响效应。

1 试验方案

1.1 试样制备和干湿循环样的制备

1.1.1 压缩与直剪试样的制备

压缩试样与直剪试样均采用φ=61.8mm,h=20mm的环刀从现场取土。取回后测量土样含水量，称量每个环刀土样的总重；通过试验表明，土体在经过三次干湿循环后土中的孔隙结构及颗粒排列就趋于稳定，对于压缩试验，试验设计最多进行3次干湿循环。所以选取密度相近(密度差值≤0.03g/cm3)的4个试样为压缩试样，为保障试样的顺利进行，额外增加4组备用样，所以压缩试验共需备8个环刀试样。对于直剪试验，土样同压缩试验土样，共需32个试样。共计40个环刀试样。

1.1.2 三轴试样的制备

试验采用重塑土样进行三轴压缩试验，并采用击实的方法制备。试样直径为39.1mm，高度为80mm。按原状土的含水率和密度(w=23.3%，ρ=2.05g/cm3)配制土样。根据要求的密度，称取所需土的质量，然后将土分为均等的5份，分层装入饱和容器内，每层土料的质量、分层击实宇每层的锤击数目相等。当每层锤击完成后，将土层表面刨毛，再加下一层的土料，如此反复，直至最后一层。从试样中选取与原状土密度最接近的土样作为试样，并选取其中密度相近(密度插值≤0.05g/cm3)的三个圆柱样为一组三轴试样，试验设计最多进行3次干湿循环，故加上原状土共需备4组试样，为保障试验的顺利进行，另备4组备用样，所以共备8组试样，总共24个圆柱试样。

1.1.3 干湿循环样的制备

试样进行干湿循环，将试样在温度50°的烘箱中烘干至恒重，期间每隔一段时间就称重，达到恒重时，将试样浸水饱和72h，直到水不再渗入为止，此即为一个干湿循环过程。将完成干湿循环的试样放在室外自然状态下风干至初始质量，风干过程不间断的记录试样的质量，尤其试样质量块接近原始质量时，记录的间隔要尽量短。之后将风干后的试样放入保湿缸中保湿72h，取出称重，以确保试样在干湿循环前后的含水率一致。

1.2 对比试样设计

1.2.1 固结试验

将原状土样和经过不同干湿循环次数的每组试样放置于有侧限条件的压缩容器内，对每组试样分四级50kPa，100 kPa，200 kPa，300 kPa加压，每级加压时间为24h[4]。在计算机操纵软件上读取实时数据，研究干湿循环对岸坡土体压缩特性的影响。

1.2.2 直接剪切试验

采用四联电动直剪仪，将已经完成干湿循环并养护好的每组4个试样分别在100kPa,200kPa，300kPa，400kPa的垂直压力下进行快剪试验，剪切速率控制在0.8mm/min[5]。读取试验数据，剪切应力的最大值即为该级压力下的剪切强度。

1.2.3 三轴压缩试验

将已经完成干湿循环并且养护好的每组3个试样，分别在100kPa，200kPa，300kPa的围压下进行不固结不排水剪切试验(UU)。缓慢施加轴向压力剪切至破坏，剪切速率控制为0.2mm/min，试验终止的条件为最大轴向应变15%。

2 试验成果分析

2.1 反复干湿循环对压缩特性的影响

2.1.1 压缩试验结果数据

对原状土和干湿循环后的试样进行压缩试验，试验结果如表1所示。

表1 干湿循环岸坡土的压缩系数指标

2.1.2 试验数据分析

土体的压缩系数在干湿循环作用下的变化规律及拟合曲线，如图1所示。根据表1可知，未经历干湿循环土样的压缩系数最小，而当经历了三次干湿循环后的土样的压缩系数最高。另外还可以得出相同的孔隙比下，干湿循环样对应的竖向压力比原状土的小很多，这可能是由于土体在干燥-吸湿的过程中，试样中的最小孔隙有所增大造成。文献[6]表明，土体在脱湿的过程中，土体内水量的排出是由结构中最小的孔隙起控制作用的。由此可以分析，土体在经过反复的干湿循环后，内部微观结构发生了一些变化，土体中最小的孔隙有所增大，这种变化可能是由于有机盐溶质的流失或干湿循环导致土的结构排列发生变化导致。

图1 压缩系数随干湿循环次数的变化规律

从图1曲线中可以看出，随着干湿循环次数的增加，土体的压缩系数是逐渐增大的，且变化的幅度较大。这可以理解为土样在经过反复的干燥和湿化的过程中，微观结构发生变化，土样中的最小孔隙比有所增大，可能在局部出现微小裂隙通道，使得土样中的水分更容易被排出，所以压缩系数也逐渐的增大。

2.2 反复干湿循环对抗剪强度影响的直剪试样研究

2.2.1 直剪试验数据

对原状土和干湿循环后的试样进行直剪试验，试验结果如表2所示。

表2 直剪试验数据

2.2.2 试验数据分析

由试验所得数据得出岸坡土在不同干湿循环次数下抗剪强度与垂直压力的变化规律，如图2所示。

图2 不同干湿循环次数下岸坡土抗剪强度与垂直压力的关系

从图2可以看出在相同的竖向荷载下，原状土的抗剪强度要比干湿循环后的土的高，尤其是在经过了第一次的干湿循环后，土体强度的降低幅度尤为明显，而之后的干湿循环， ,相同竖向应力下的抗剪强度变化不大。

从表2可以看出，抗剪强度参数随着干湿循环次数的增加，其数值是逐渐减小的，尤其是凝聚力，在第一次的干湿循环过程中，下降幅度最大，而随着循环次数的增加下降幅度则是越来越小，这与文献[6]中的研究成果具有一致性，即土体在经过3次干湿循环后，土中孔隙的结构就趋于稳定。

对于内摩擦角，在第一次的干湿循环过程中，下降幅度很大，而后的变化虽然稍有起伏，但是总体变化趋势不明显。对于土体抗剪强度参数的这种变化来说，可能是由于土体在反复干湿循环的过程中，经历了多次的含水率变化路径，土体内部的颗粒组成成分、排列方式及微观结构发生了变化，盐溶质的流失、细小裂隙通道的连通等削弱了土颗粒间的联结力，并且土体内的最小孔隙比有所增大，使岸坡土体产生了一定的强度降低效应，凝聚力和内摩擦角的的降低实际上是土的微观结构发生变化的宏观上的反映，这一想法还有待通过土体的微观结构分析试验来证实。

2.3 反复干湿循环对抗剪强度参数影响的三轴压缩试验研究

2.3.1 不固结不排水三剪切试验数据

对原状土试样和干湿循环后的试样进行不固结不排水剪切试验，试验结果如表3所示。

表3 三轴压缩试验数据

2.3.2 试验数据分析

由试验结果得出不同干湿循环次数下偏应力与轴向应变的关系曲线，如图3至图5所示。

图3 干湿循环1次偏应力与轴向应变关系曲线

图4 干湿循环2次偏应力与轴向应变关系曲线

图5 干湿循环3次偏应力与轴向应变关系曲线

可以看出，在第一次干湿循环后，土的抗剪强度下降幅度较为明显，第二、第三次干湿循环抗剪强度变化幅度不大。并且可以从图中看出土体产生相同应变的应力减小了，土样破坏时的强度也有所降低，试样的剪切破坏形式一般表现为鼓胀破坏。但与直剪试验的数据相比较，在第一次干湿循环时，三轴剪切试验的抗剪强度降低的幅度要比直剪试验的小，这可能是由于三轴试验的受力孔隙压力及试样的体积变化，使试样在最为薄弱的位置发生剪切破坏，而不像直剪试验那样，固定好了剪切破坏位置的原因。从表3可以看出土体的内摩擦角随干湿循环的次数变化稍有起伏，但是总体来看变动不大，并且摩擦角的数值均较小，这可能是由于所取土体为细粒粉土，颗粒级配不良，颗粒之间的滑动摩擦与镶嵌而产生的咬合摩擦较小的原因。同时还可以看出土体凝聚力随着干湿循环次数的增加呈逐渐下降的趋势；在第一次干湿循环时的下降幅度较大，在第三次后从曲线看出下降趋势变得平缓，也就是说趋于稳定，这与直剪试验得出的结论是相吻合的。凝聚力是由土颗粒相互连结而成的，主要与土的强度有关。土体在经过干湿循环凝聚力下降了，可能是因为土体在反复干湿的过程中，土体内原生隐微裂隙的扩张、加深，部分短小裂隙的连通，以及水进入土体产生的静水压力与动水压力等，使土体的骨架结构遭受到了不同程度的破坏，在剪切的过程中发展成为滑裂面，使得土的强度参数逐渐减小。

3 结 论

通过对阿勒锦岛岸坡土的物理力学性质进行研究，进行常规的固结试验、直剪试验和三轴压缩试验来研究干湿循环下岸坡土的变形和强度变化。得出以下结论：

(1)从取土位置来看，阿勒锦岛此处土体的压缩性能较低，这可能与修建环岛公路时此处可能被压实过有关；另通过干湿循环试验表明，土体的压缩性能受干湿循环效应的影响较大，经过反复的干湿循环后，土体的压缩系数大幅度增大，即压缩性增高，这可能会导致在洪水期消退时，此处的土体很有可能会因为在水中的浸泡饱和，而粘聚力急剧下降，土中孔隙扩大，然后土粒之间分散开来，随着水流而流失。

(2)通过试验对岸坡原状土和经过干湿循环后的土体进行强度特性对比研究，得出结论：岸坡土的强度较低，易受外部荷载的作用而发生滑动破坏；干湿循环会降低岸坡土的总体强度。土体经历干湿循环后，在外力作用下，产生相同应变所需的应力减小，土样破坏形式一般表现为剪胀破坏；抗剪强度参数凝聚力随干湿循环次数的增加而降低，但是在经过2-3次循环后，趋向于稳定；但干湿循环对内摩擦角的影响不大，φ值基本处于稳定。

阿勒锦岛岸坡土的性质较差，从阿勒锦岛的长期开发利用来看，需要对阿勒锦岛的岸坡进行一些必要的加固防护措施，以防止岸坡在水位的升降及水流的淘刷下遭到破坏。