干湿循环对路基边坡土体力学特性的影响

马江平

（张家口路缘公路工程有限责任公司，河北 张家口 075000）

路基边坡土体常年经历蒸发降雨、地下水位升降等引起的干湿循环，其内部结构发生变化，导致土体物理性质劣化。大部分时期路基边坡土体处于非饱和土状态，具有一定承载力。一旦经历强降雨，边坡土体充分浸水，在干湿循环的劣化作用及水的润滑作用下，路基边坡极有可能发生浅层滑塌。因此，研究干湿循环作用后饱和状态的路基边坡土体的力学特性具有重要理论和工程意义，可为公路路基边坡稳定性评价提供参考。

一、试验材料及试验方案

（一）土样制备

试验土样取某公路路基施工场地，原始土样经碾碎烘干过2mm筛，依据《公路土工试验规程》（JTG 3430-2020）[1]开展室内基础试验测试其基本物理性质，物理性质指标如表1所示。根据其塑性指数可判断为粉质黏土。依据土体最优含水率与最大干密度，采用95%的压实度完成土料配置与试件制作，试件尺寸为直径61.8mm、高20mm。

表1 土样的物理性质指标

（二）试验方案

干湿循环试验方案如下：干燥过程，将制备完成的试件放在103℃（±5℃）的烘箱中，干燥至含水率为0；补水过程，将试样装入饱和器中抽真空2h，之后浸水10h使试样充分饱和，以期模拟最极端气候情况；完成上述两步即为一个完整的干湿循环，试验设计分为0、1、3、5、9、15次6个干湿循环等级。干湿循环完成后，将试件饱和处理后做直剪试验。直剪试验采用竖向压力：50kPa、100kPa和150kPa；加载速率设置：0.8mm/min。

二、试验结果整理分析

（一）剪应力-剪应变关系曲线特征

各干湿循环次数下饱和路基土直剪试验的剪应力-剪应变关系曲线如图1所示。由图可见，干湿循环次数对剪应力-剪应变曲线形态影响并不明显，主要引起剪应力降低，未经历干湿循环的试件其剪应力明显高于经历干湿循环的试件，随着干湿循环次数增加剪应力降低愈加不明显。在干湿循环的过程中，经水流对土体的冲刷作用，造成细颗粒流失，土体骨架结构受损。干湿循环初期冲刷作用明显，土体骨架结构受损显著，剪应力降低明显，后期骨架结构逐渐稳定，剪应力降低趋势趋于平缓。

图1 不同干湿循环条件下剪应力-剪应变关系曲线

（二）抗剪强度及其指标变化特征

《土工试验方法标准》（GBT 50123-2019）中规定了直剪试验抗剪强度取值标准：对于存在明显峰值点的剪应力-剪切位移曲线，抗剪强度取峰值点处剪应力；对于没有明显峰值点的剪应力-剪切位移曲线，抗剪强度取剪切位移∆L=4mm（剪应变ε=0.065）处对应剪应力。抗剪强度随干湿循环变化曲线如图2所示。随着干湿循环次数增加，抗剪强度逐渐减小并趋于稳定。干湿循环前期结构劣化严重，后期骨架结构稳定，并随干湿循环次数的增加劣化逐渐趋于稳定。

图2 抗剪强度与干湿循环次数关系曲线

不同干湿循环次数条件下，对抗剪强度与竖向压力做线性拟合，如图3所示。根据库伦定律得到抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角φ，二者受干湿循环影响的关系曲线如图4所示。受干湿循环影响，黏聚力逐渐减小并趋于稳定，内摩擦角基本保持不变。干湿循环过程中土样的吸附结合水不断经历形成-失去。补水过程中，自由水中的氢氧团会破坏吸附结合水表层不稳定的范德华力和氢键，使黏土表面的正、负电荷趋于平衡，降低土粒的电势能，导致吸附结合水含量减少。因此饱和土中，失去的弱结合水由不具有固相性的自由水代替，土粒之间的吸引力变差，导致黏聚力变弱。

图3 抗剪强度与竖向应力关系曲线

图4 抗剪强度指标与干湿循环次数关系曲线

三、邓肯-张模型的应用

邓肯-张双曲线模型因其概念清晰，简单易于理解，且能较好地反映土体的非线性形态，在岩土工程中应用非常广泛。邓肯-张模型最初是用于土体三轴试验应力-应变关系的拟合，以Clough和Duncan为代表的部分学者尝试将该模型运用在直剪试验上，发现土和混凝土接触面处的剪应力和相对剪切位移也符合双曲线关系[3]。因此，利用邓肯-张双曲线模型分析路基边坡饱和土体在竖向压力σn=150kPa时的剪应力-应变关系。

三轴试验中根据应力-应变关系得到的双曲线函数，推广至直剪试验，则不同法向压力下剪应力与剪应变间关系可以表示为：

式中：τ为剪应力；ε为剪应变；Esi为初始切线剪切模量；τult为应变趋于无穷大时的极限剪应力。

初始切线剪切模量Esi与法向应力σn也存在如下关系，根据直剪试验结果，对lg(Esi/pa)和lg(σn/pa)做线性拟合即可得到参数k、n的值。

式中：k为剪切模量系数；n为剪切模量指数系数；pa为标准大气压值，取101.4kPa。

定义破坏比Rf，表达式为

式中：τf为破坏剪应力，取剪切位移∆L=4mm（剪应变ε=0.065）对应的剪应力；τult为极限剪应力，取剪切位移∆L=6mm（剪应变ε=0.097）对应的剪应力。

依据上述公式可得到竖向压力σn=150kPa时不同干湿循环次数条件下k、n、c、φ、Rf等参数的具体值，如表2所示，根据Mohr-Coulomb强度准则，并结合式(1)式(2)可得到切线模量计算公式如下：

表2 不同冻干湿循环次数条件下邓肯-张双曲线模型参数

通过上述邓肯-张模型公式模拟应力-应变曲线对比相同试验条件下测得的应力-应变曲线，结果如图5所示，二者变形特性基本一致，说明邓肯-张模型运用到饱和土直剪试验的剪应力-剪应变分析具有可行性。但由于双曲线函数关系的限制性，对于竖向压力较小、剪应力-剪应变呈现软化性破坏的土体模型并不适用，存在一定缺憾。

图5 剪应力-剪应变关系曲线实测值与模型拟合曲线对比

四、结语

竖向压力对剪应力-剪应变关系曲线影响显著，竖向压力越大剪应力-剪应变关系曲线越趋向于应变硬化型破坏；干湿循环会引起抗剪强度劣化，前期劣化显著，随着干湿循环次数的增加劣化趋于稳定；干湿循环的劣化作用，主要表现在对于黏聚力的劣化，经历干湿循环的饱和土内部结合水含量减少，黏聚力降低；利用邓肯-张双曲线模型对竖向压力σn=150kPa时的剪应力-应变关系做数据拟合，拟合效果良好，对于剪应力-剪应变关系满足双曲线函数关系的直剪试验，邓肯-张双曲线模型具有适用性。