不同干湿循环条件下滑体土强度变化规律研究

周春梅，朱 锐，何 青，孙 东

（武汉工程大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070）

0 引言

三峡水库完工后，库区水位周期性变化，库岸的边坡体将经历失水—饱水的长期循环过程，这种周期性的过程将引起岸坡岩土体的组成成分、物理结构和力学性质等变化[1-4]，使稳定的库岸边坡向不稳定方向发展。

目前，不少学者对干湿循环作用下土的特性进行研究。干湿循环导致土体强度和变形模量明显降低，且在第一次干湿循环后衰减最大。吕海波等[5]通过试验得出膨胀土抗剪强度随干湿循环次数增加而衰减，最终趋于稳定，强度稳定值与稳定时所需循环次数随含水率变化幅度的增加而减小。邓华峰等[6]通过干湿循环过程中强度劣化参数劣化幅度非常明显，其中，前4次干湿循环作用导致的抗剪强度参数劣化幅度占总劣化度的75%左右，4 次干湿循环作用之后，劣化趋势逐渐趋于平缓。原状膨胀土的抗剪强度在同一级荷载下随着干湿循环次数的增多而衰减[7-9]。彭小平等[10]通过干湿循环试验，得知随着干湿次数的增加，红黏土的强度降低显著且变形指标增大。程富阳[11]在不固结不排水的红黏土三轴试验与彭小平[10]得到一致结论，提出了干湿循环次数的影响要大于干湿循环幅 度 的 影 响。Al-Homoud[12]、MIAO L 等[13]、Nowamooz 等[14]研究了干湿循环对膨胀土的变形特性的影响，膨胀土的变形在第一次干湿循环时最为明显，且在经历3～5 次循环后达到平衡状态。Aldaood[15]等研究发现干湿循环导致人工改良土的强度衰减。曹玲等[16]通过三轴试验探讨了三峡库区滑带土经过多次干湿循环后饱和试样的黏聚力和内摩擦角下降情况。江强强[17]在直接试验中得到一样的规律，从微观结构上解释了干湿循环对滑带土体弱化的机理。王铁行等[18]通过试验研究了干湿循环作用下压实黄土动强度性质，结果表明压实黄土的动强度随干湿循环次数的增加先减小再逐渐增大。陈纪昌[19]针对库区水位反复调节产生的干湿循环效应以某红层库岸边坡工程为依托，开展室内试验和数值模拟研究干湿循环对边坡稳定性影响，随着干湿循环次数的增多边坡稳定性逐渐降低。

大部分研究认为土体在3～5 次干湿循环作用下其强度趋向于稳定，但受土的类型，土的结构、以及干湿循环路径和干湿循环的幅度等影响，这一结论具有一定的局限性，且对干湿循环次数和不同干湿循环幅度条件下土的强度性质变化趋势的研究甚少。大部分学者仅提供了干湿循环会对土体强度的弱化，本文以重庆万州区塘角一号为基础，探究不同循环幅度下影响土体强度的规律。

1 试验概况

1.1 滑体土基本物理力学性质

塘角一号滑坡地处重庆市万州区陈家坝塘角村长江右岸的斜坡地带，取土深度为1m，用取土器装土然后密封保存。

在野外取得的塘角一号滑坡的滑体土的原状土主要成分是黄褐色的粉质黏土夹杂着砂岩和泥岩的碎块、角砾，土体为可塑-硬塑状，由于实验中使用的土壤样品是重塑土壤，因此将土壤中包含的一些杂质滤出，自然干燥，然后将土壤干燥，压碎，最后用2 毫米筛子过筛，基本物理力学性质指标见表1。

表1 基本物理力学性质指标

1.2 试验准备

土样制备：试验采用重塑土，将碾碎的土过2mm 的筛子，烘箱中直到土完全变干，每个试样初始状态下的含水率都取最优含水率，为15.27%。

仪器设备和制样：本次试验采用的三轴仪为TSZ-1A 应变控制式全自动三轴仪，采用不固结不排水（UU） 试验，剪切速率为0.6mm/min，围压设置50、100、200、300kPa，图1 是本次试验所采用的三轴仪图片。控制干密度制样，将土分三层均匀放入制样桶中进行分层实制成三轴样。每击实完一层，进行拉毛，接触更加紧密。试样的高度为80mm，直径为39.1mm。

图1 TSZ 全自动应变控制式三轴仪Fig.1 TSZ automatic strain controlled triaxial apparatus

1.3 试验方案

将干湿循环的次数分别设置为0 次、1 次、2 次、3 次、5 次和7 次干湿循环；由于粉质粘土渗透性差，通过饱和缸抽气饱和达到最大含水率为22%，故设置干湿循环含水率上限为22%，通过改变干湿循环含水率下限值来控制干湿循环幅度。所选取的干湿循环的幅度为含水率7～22%、10～22%、13～22%。干湿循环方案如表2 所示，循环过程如图2、图3 所示。

图2 干湿循环示意图Fig.2 Schematic diagram of dry-wet cycle

图3 干湿循环过程图Fig.3 Dry-wet cycle process diagram

表2 干湿循环方案

2 试验结果

为了研究不一样的干湿循环幅度对土壤抗剪强度的影响，本文设置了三种不同的干湿循环幅度，不同的干湿循环幅度的含水率上下限分别为7～22%、10～22%、13～22%。

2.1 干湿循环幅度对应力应变曲线的影响

为了使试验结果更加有说服力，分别取经过1 次干湿循环之后和经过7 次干湿循环之后所得的主应力差与轴向应变的曲线图进行对比分析，将同一个周围压力下的不同干湿循环幅度下的曲线放在一起分析，所得的曲线图如图4-5 所示。

图4 1 次干湿循环循环幅度与应力应变关系图Fig.4 Relationship between cyclic amplitude and stress-strain of one dry-wet cycle

图5 7 次干湿循环循环幅度与应力应变关系图Fig.5 Relationship between cyclic amplitude and stress-strain of 7 dry-wet cycles

对图4-5 的曲线进行分析，可知：（1）试样在经过1 次干湿循环后，干湿循环的幅度越大，试样的主应力差的值就越小，在不同围压等级下循环幅度7～22%主应力差值始终保持最小；（2）经过7 次干湿循环后，干湿循环的不同幅度对在低围压与在高围压下的应力应变曲线的影响更加明显，由图可知，在试样围压为100kPa 与200kPa 时，不同干湿循环幅度下应力应变曲线会比较接近，围压为300kPa 时干湿循环对应力应变曲线影响显著；（3）在相同围压下，干湿循环的幅度越大，主应力差值越小；（4）随着围压不断增大，各循环幅度下的主应力差值也渐渐增加。

2.2 干湿循环幅度对抗剪强度参数的影响

不同干湿循环次数条件下与不同干湿循环幅度条件下的数据全部整理于表3 中。四种围压下干湿循环幅度对主应力差峰值的影响情况如图6 所示。

根据图6 不同围压条件下，循环幅度、循环次数与主应力差峰值关系的曲线关系图分析可知：（1）干湿循环的进行幅度越大，主应力差值减小的幅度也越大；（2）根据对比4 个图发现，在干湿循环幅度为7～22%、10～22%的条件下，主应力差值在经过2 次循环后趋于稳定，变化幅度较小，在干湿循环幅度为13～22%的条件下，经历3 次干湿循环后趋于稳定；（3）主应力差的峰值都是在经过一次干湿循环后降低的值最大，随着干湿循环次数增加主应力差的峰值逐渐降低。

图6 不同围压条件下循环幅度、次数与主应力差峰值关系Fig.6 The relationship between the peak value of principal stress difference，the amplitude and number of cycles under different confining pressures

表3 中在不同干湿循环幅度下对应的粘聚力与内摩擦角的数值经整理后绘制成关系曲线图，其变化规律如图7 所示。

表3 不同干湿循环幅度下各围压试验结果

干湿循环对粘聚力影响（图7a）：（1）干湿循环幅度在7～22%、10～22%的条件下，经过1次干湿循环后，粘聚力的减小值最大；干湿循环幅度的含水率在13～22%的条件下，经过2次脱湿与吸湿之后，粘聚力的值降低的幅度才是最大的；（2）不论在何种干湿循环幅度下，5次循环完成后干湿循环对粘聚力的影响都基本达到了稳定值。

干湿循环对内摩擦角影响（图7b）：（1）从经过2 次循环和3 次循环的结果可以看出，内摩擦角随着干湿循环幅度的增加是逐渐减小的；（2）经过1 次干湿循环后，三种不同的干湿循环幅度条件下内摩擦角的值比较接近，经过5次干湿循环后，内摩擦角的值在三种不同的循环幅度下已经接近一致，内摩擦角受干湿循环幅度的影响已经非常小了。

图7 干湿循环幅度对抗剪强度影响图Fig.7 Effect of dry-wet cycle amplitude on shear strength

在对干湿循环的不同幅度研究中，随着干湿循环幅度增加，试样在干燥的过程中，失去的水分越多，那么试样在吸水的过程中，吸收的水分就越多，水分更多的渗入孔隙，对土颗粒造成的冲击越大，土颗粒中的黏粒矿物更多的溶解在水中，孔隙越容易形成。所以，干湿循环的幅度越大，粘聚力与内摩擦角的降低速度也越快。

上述已经对干湿循环条件下抗剪强度参数的变化规律进行了很详细的分析，在同一种循环幅度的条件下，随着干湿循环次数的逐渐增加，粘聚力与内摩擦角都几乎是呈指数下降的趋势，将图7 中粘聚力、内摩擦角在同一个干湿循环的幅度下对应不同干湿循环次数下的抗剪强度参数进行关系式的拟合，其拟合关系式为：

式中，a，b代表指数函数系数，S是干湿循环次数。所拟合的关系式整理如表4 所示。

表4 不同干湿循环幅度下的c（S）、φ（S）公式

由表中的关系式可以得到：粘聚力、内摩擦角与干湿循环次数之间呈负相关关系，随着干湿循环次数的增加，粘聚力与内摩擦角的值都呈指数下降。由相关系数相关性划分：当R的绝对值在低于0.4 的时候，为低度线性相关；当R 的绝对值在0.4～0.7 之间的时候，为显著性相关；当R 的绝对值在0.7～1 之间的时候，为高度线性相关。由于表中所示均为R2，且均大于0.7，将其开方所得的相关系数也会大于0.7，所以干湿循环的次数与粘聚力和内摩擦角为高度相关关系。

3 结论

（1）干湿循环次数对滑体土强度的影响：随着干湿循环次数的增加粘聚力和内摩擦角不断降低，总的来说1 次循环完成后幅度降低最快，在第3 次完成后降低值幅度减小，第7 次循环后逐渐趋向于稳定。

（2）干湿循环幅度对滑体土强度的影响：在相同循环次数的前提下，干湿循环幅度越大抗剪强度降低的幅度越大。在经过7 次循环达到稳定之后，循环幅度对粘聚力影响较大，循环幅度越大土体粘聚力越小，在达到第5 次循环之后循环幅度对内摩擦角影响较小，不同循环幅度间摩擦角的值很接近。