干湿循环对库岸边坡土体抗剪强度特性的影响研究

蒋 垒

(山东省调水工程运行维护中心寒亭管理站,山东 潍坊 261000)

0 引言

库区水位周期性波动会引起库岸边坡土体经历长期周期性干湿循环,进而导致库岸土体力学性质劣化,造成库岸滑坡及塌岸等工程事故。目前,不少学者对干湿循环作用对土体的力学特性影响开展了广泛的研究。吕海波等[1]基于南宁地区膨胀土强度干湿循环试验,研究了土体的干湿循环作用对土体抗剪强度的影响,结果表明,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;吕光东[2]基于三轴试验研究了干湿循环对粉质黏土抗剪强度的影响,结果表明,经历2次干湿循环后,土体软化速率增大,且土体黏聚力、内摩擦角随压实度的增加而增加;赵静源等[3]基于干湿循环剪切试验研究了陕北黄土的强度特性,结果表明,干湿循环作用对土力学特性的影响是由干湿循环引起塑性体积压缩和微裂隙发展所导致的;邓华锋等[4]基于室内试验,分析了干湿循环作用下岸坡消落带土体抗剪强度劣化规律,结果表明,土体抗剪强度参数劣化幅度随干湿循环次数增大而非常明显;彭小平等[5]基于三轴试验,研究了干湿循环对红黏土力学特性衰减规律的影响,结果表明,第1次干湿循环对红黏土力学指标的影响最大;刘顺青等[6]研究了镇江蜀土的干湿循环力学特性,结果表明,随干湿循环次数的增加,蜀土表面裂隙明显增加并具有不可逆性,其中吸力的存在对于蜀土的黏聚力具有提升作用,而对内摩擦角影响不明显;石玉玲等[7]开展了不同干湿循环路径下的室内直剪试验,结果表明,黄土黏聚力呈先减小后趋于稳定的趋势,而内摩擦角呈线性降低。

既有研究没有考虑干湿循环幅度对土体力学属性的影响。基于目前的研究不足,本文借助室内土工试验,采用干湿循环三轴剪切试验,研究干湿循环次数和循环幅度对库岸边坡土体抗剪强度的影响,为水利水电工程中库岸边坡稳定性计算提供参考。

1 试验方案

1.1 试验概况

研究区位于某库岸边坡,土体主要为黏质土类。物理状态呈可塑～硬塑,颜色呈黄褐色。受水库水位波动的影响,库岸局部土体处于周期性干湿循环状态。本文进行现场取样和室内土工试验。取样深度1 m,取样后室外进行密封,室内进行干燥压碎,最后用2 mm筛子过滤并试验。最终得到土体的天然密度为1.73 g/cm3,最大干密度为1.58 g/cm3,液限和塑限值分别为19.52和32.10,天然含水率和最优含水率分别为21.57%和15.3%。

1.2 试验步骤及方案

试样主要为重塑土。制样时,将土层分为三层,并进行压实。制样完成后在恒湿环境下放置24 h后再进行剪切试验。试验设备采用应变控制式全自动三轴仪。剪切速率为0.6 mm/min,采用固结不排水方法控制排水条件。加载围压分别设置为50 kPa、100 kPa、100 kPa和300 kPa。试样高度和直径分别为8 cm和4 cm。试验干湿循环次数设置为0次、1次、2次、3次、5次和7次。含水率上限为22%,试验过程中通过干湿循环控制干湿幅度,具体干湿幅度值分别为7%～22%、10%～22%和13%～22%。具体的循环次数及对应的含水量如图1所示。

图1 干湿循环示意

2 结果与分析

2.1 干湿循环幅度对应力应变曲线的影响

图2和图3汇总得到了不同干湿循环幅度和不同加载围压工况下,第1次和第7次干湿循环作用与试样应力应变的关系。结果表明：

(a)围压50 kPa

(d)围压300 kPa

(a)围压50 kPa

(b)围压100 kPa

(c)围压200 kPa

(d)围压300 kPa

(1)在相同的围压工况下,随干湿循环幅度增大,试样的主应力差减小,且在不同围压下,干湿循环幅度为7%～22%时主应力差保持最小。

(2)当试样经历7次干湿循环时,干湿循环幅度与试样的主应力差的影响比经历第1次干湿循环的影响更为显著。其中,当围压为100 kPa和200 kPa时,两者的主应力差曲线基本接近,但当围压为300 kPa时,干湿循环幅度对结果影响最明显。

(3)当围压相同时,主应力差值随干湿循环的幅度增大而减小[8]。

2.2 干湿循环幅度对抗剪强度参数的影响

图4给出了不同围压条件下,干湿循环幅度、循环次数与主应力差的关系。结果表明：

(a)围压50 kPa

(d)围压300 kPa

(1)其他条件相同的情况下,干湿循环幅度越大,主应力差减小幅度越大。

(2)不同的干湿循环幅度下,在经历2次干湿循环时,主应力差基本趋于稳定,但在干湿循环幅度介于13%～22%,循环次数为3次时,主应力差才达到稳定状态。

(3)第1次干湿循环对主应力差的影响最大。随干湿循环次数增多,主应力差峰值逐渐降低。对于围压为50 kPa,干湿循环幅度分别为7%～22%、10%～22%和13%～22%时,达到稳定时的主应力差分别为98 kPa、136 kPa和141 kPa;对于围压为100 kPa,干湿循环幅度分别为7%～22%、10%～22%和13%～22%时,达到稳定时的主应力差分别为123 kPa、125 kPa和126 kPa;对于围压为200 kPa,干湿循环幅度分别为7%～22%、10%～22%和13%～22%时,达到稳定时的主应力差分别为149 kPa、175 kPa和178 kPa;对于围压为300 kPa,干湿循环幅度分别为7%～22%、710%～22%和13%～22%时,达到稳定时的主应力差分别为162 kPa、167 kPa和208 kPa。

图5给出了不同围压条件下,干湿循环幅度、循环次数对土体抗剪强度的影响。图5(a)结果表明,当干湿循环幅度为7%～22%和10%～22%时,1次循环后,土试样的内聚力减小幅度最大;但循环幅度介于13%～22%时,经历2次循环后,土体的内聚力降低幅度才最大。此外,不同的干湿循环幅度下,当循环次数大于5次时,土体的内聚力基本趋于稳定。其中,当干湿循环幅度为7%～22%时,内聚力稳定数值为43 kPa;当干湿循环幅度为10%～22%时,内聚力稳定数值为50 kPa;当干湿循环幅度为13%～22%时,内聚力稳定数值为56 kPa。

(b)内摩擦角

图5(b)结果表明,不同的干湿循环幅度下,当循环幅度增大时,在经历2～3次干湿循环后,试样的内摩擦角逐渐减小。此外,当土体经历1次干湿循环后,试样的内摩擦角基本相同;当经历过5次干湿循环后,不同的干湿循环幅度下试样的内摩擦角基本相同,即干湿循环幅度对内摩擦角的影响不显著。最终,试样内摩擦角稳定数值为6.5°。

综合以上分析可知,随着干湿循环幅度的增大,脱水过程导致试样失水,对应的在吸湿过程中吸收的水分越多,土颗粒中的亲水性矿物融入水中的数量越多。因此,干湿循环幅度越大,土体的抗剪强度参数降低越显著。

进一步对干湿循环次数与土体抗剪强度参数进行公式拟合。由于试样的内聚力和内摩擦角均随干湿循环次数的增多基本呈指数规律下降。因此采用指数公式进行拟合：

F(c,φ)=AeBS

(1)

式中,A和B为拟合参数;S为循环次数;c为土体内聚力,kPa;φ为土体的内摩擦角,°。

采用公式(1)对图5试样在不同干湿循环幅度下的内聚力和内摩擦角进行公式拟合,其中,当干湿循环幅度为7%～22%下,F(c)=63.8e-0.07S,F(φ)=15.8e-0.13S;干湿循环幅度为10%～22%下,F(c)=67.3e-0.05S,F(φ)=16.4e-0.83S;干湿循环幅度为13%～22%下,F(c)=79.4e-0.04S,F(φ)=15.8e-0.15S。此外,各公式的拟合相关系数R2均大于0.98,证明采用本文公式进行拟合的相关度较好。

3 结论

本文采用三轴剪切试验系统研究了干湿循环次数和循环幅度对土体抗剪强度的影响,得到如下结论：

(1)相同围压下,随干湿循环幅度增大,试样的主应力差减小。不同围压下,干湿循环幅度为7%～22%时主应力差保持最小;试样经历7次干湿循环时,试样的主应力差基本保持不变。

(2)干湿循环幅度越大,主应力差减小幅度越明显,第1次干湿循环对主应力差的影响最大。随干湿循环次数的增多,主应力差峰值逐渐降低。

(3)干湿循环幅度为7%～22%和10%～22%时,1次干湿循环后,土试样的内聚力减小幅度最大,但循环幅度介于13%～22%时,经历2次干湿循环后,土体的内聚力降低幅度才最大。此外,土体的内聚力和内摩擦角均随干湿循环次数的增多呈指数规律下降。