干濕循環(huán)對膨脹土強(qiáng)度與裂縫開展的影響研究

翟宇

(河南省白龜山水庫管理局,河南 平頂山 467000)

干濕循環(huán)對膨脹土強(qiáng)度與裂縫開展的影響研究

翟宇

(河南省白龜山水庫管理局,河南 平頂山 467000)

通過對膨脹土干濕循環(huán)試驗(yàn)的研究,不僅得出干濕循環(huán)對膨脹土裂隙開展和強(qiáng)度的影響,而且發(fā)現(xiàn)了干濕循環(huán)次數(shù)對膨脹土的裂隙開展和強(qiáng)度也有一定影響。

膨脹土;干濕循環(huán);裂縫

膨脹土的礦物成分對于環(huán)境變化,特別是對于濕度狀態(tài)的變化非常敏感,會發(fā)生膨脹與收縮,并產(chǎn)生膨脹壓力［1］。膨脹土造成的破壞具有長期性、反復(fù)性和潛在性,因此,必須探索和研究有效的膨脹土改良方法,提高土體的強(qiáng)度和基礎(chǔ)的穩(wěn)定性,減小膨脹土地基的變形以及對上部結(jié)構(gòu)造成的破壞［2一3］。而干濕循環(huán)對膨脹土強(qiáng)度與裂縫開展具有重要影響,很有必要進(jìn)行相關(guān)的研究。

膨脹土的脹縮變形可以描述為吸水后體積增大、失水后體積縮小,脹縮變形性質(zhì)是膨脹土最基本的特性之一。膨脹土的干濕循環(huán)特性所導(dǎo)致的破壞具有往復(fù)性、多發(fā)性和長久性的特點(diǎn),在實(shí)際工程中破壞巨大。而這些破壞都與膨脹土邊坡在干濕循環(huán)后強(qiáng)度的衰減有關(guān),因此,研究膨脹土穩(wěn)定性問題首先要了解膨脹土強(qiáng)度隨干濕循環(huán)變化的規(guī)律［4］。

目前,對膨脹土干濕循環(huán)后強(qiáng)度的研究需先制備擾動(dòng)樣或切取原狀樣后,再對試樣進(jìn)行干濕循環(huán)［5］?，F(xiàn)有的試驗(yàn)方法都無法避免試樣尺寸效應(yīng)的影響,試樣由于尺寸效應(yīng),影響了膨脹土的濕脹干縮特性,改變了干濕循環(huán)過程中裂隙的發(fā)展規(guī)律,所得到的強(qiáng)度指標(biāo)也無法很好地反映實(shí)際情況［6一7］。而現(xiàn)場取樣是對取得的原狀試樣進(jìn)行干濕循環(huán),要實(shí)現(xiàn)自然環(huán)境下的“干濕循環(huán)”并達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?難度較大。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

試樣為重塑壓實(shí)膨脹土,首先將所采集的土樣放入烘箱烘干,碾碎后過2mm的篩,取篩余土樣按照最大干密度和最優(yōu)含水率制配土樣,采用直徑6.18cm,高2cm的環(huán)刀做模一次擊實(shí)成樣,并稱量試樣重量,計(jì)算土樣在天然含水率時(shí)的質(zhì)量。然后將環(huán)刀制備樣用飽和器夾緊放入水中浸泡,浸泡10h后,取出試樣反復(fù)烘干稱量,直到試樣達(dá)到天然含水率重量為止。

1.2 試驗(yàn)過程

本次試驗(yàn)共準(zhǔn)備2組試樣,第一組4個(gè)試樣,編號為011、012、013、014；第二組3個(gè)試樣,編號為021、022、023。對2組試樣分別進(jìn)行3次干濕循環(huán)。

浸水膨脹過程：將環(huán)刀連同壓實(shí)膨脹土土樣一起放入固結(jié)儀中,加水膨脹,用百分表測定浸水膨脹過程中試樣高度的變化。以安置百分表后記錄的第一個(gè)數(shù)為試驗(yàn)干濕循環(huán)前的初始高度,每隔2h記錄一次讀數(shù)。當(dāng)前后兩次讀數(shù)之差不超過0.01mm時(shí),認(rèn)為該循環(huán)的吸水膨脹階段結(jié)束。

失水收縮過程：考慮到膨脹土樣失水收縮時(shí)間比較長,失水收縮在烘箱內(nèi)進(jìn)行,控制溫度在35℃左右。同樣,用百分表測定試樣高度的變化,每隔一定時(shí)間記錄一次讀數(shù),直至兩次百分表讀數(shù)基本不變,則失水收縮階段結(jié)束。

第1組試樣：濕循環(huán)結(jié)束后,用直剪儀對試樣進(jìn)行豎向荷載為零的直接剪切試驗(yàn)。第2組試樣：在烘箱內(nèi)進(jìn)行干循環(huán),干循環(huán)結(jié)束后,對試樣產(chǎn)生的縫隙進(jìn)行觀察并記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 干濕循環(huán)對膨脹土裂隙開展的影響

試樣在干濕循環(huán)作用下,無論是裂隙面積,裂隙長度以及裂隙寬度的峰值都隨循環(huán)的次數(shù)增長而增長,但是干濕循環(huán)的作用是有限的,試樣裂隙的發(fā)展同樣也是有限的。當(dāng)裂隙將土體割裂成很小的部分時(shí),小塊土體表面抗拉強(qiáng)度相當(dāng)大,而由含水率梯度產(chǎn)生的拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度,故無法對土體產(chǎn)生破壞,此時(shí)裂隙的發(fā)展基本穩(wěn)定下來。此外裂隙性的有限性還與試樣土體的整體收縮性有關(guān)。當(dāng)土體收縮時(shí),裂隙受到四周土體傳遞的收縮壓力也會隨著收縮。試樣的裂縫開展情況如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 1號試樣裂隙開展情況

圖2 2號試樣裂隙開展情況

圖3 3號試樣裂隙開展情況

干濕循環(huán)對膨脹土裂隙開展影響的分析如下：

(1)裂隙的產(chǎn)生機(jī)理與內(nèi)外脫濕速率不均勻有關(guān),含水率梯度的變化導(dǎo)致體內(nèi)外應(yīng)力作用轉(zhuǎn)變。

(2)裂隙面積率,裂隙的長度比,裂隙的平均寬度在脫濕過程中先隨含水率的降低而迅速增大,達(dá)到峰值后隨含水率降低而減小并逐漸達(dá)到穩(wěn)定。

(3)裂隙在干濕循環(huán)的作用下裂隙面積率,裂隙的長度比,裂隙平均寬度,都會隨循環(huán)級數(shù)增加而提高,但干濕循環(huán)的作用有限,裂隙不會無限收縮。膨脹土試樣干濕循環(huán)過程中,土樣的收縮率也相應(yīng)增加,這對裂隙的發(fā)展起到相應(yīng)的抑制作用,但是效果相對有限。

(4)對裂隙寬度變化規(guī)律進(jìn)行了分析,浸水膨脹過程,使土體含水率增大時(shí)裂隙寬度變小,兩者在此次試驗(yàn)中近似成負(fù)相關(guān)。伴隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加,主裂隙收縮效果減弱而發(fā)育的速度變快,次裂隙有發(fā)展成主裂隙的趨勢。

2.2 干濕循環(huán)對膨脹土強(qiáng)度的影響

試樣的抗剪強(qiáng)度結(jié)果,如表1所示。

表1 試樣的抗剪強(qiáng)度結(jié)果

在干循環(huán)作用下土體內(nèi)部含水量降低,與此同時(shí)土體體積由于收縮而減小,最終導(dǎo)致土體原有的完整結(jié)構(gòu)受到破壞。產(chǎn)生這種破壞的原因從微觀上可以這樣來解釋,其一：由于土體不同程度的收縮而導(dǎo)致土體原來的隱微裂隙張開、擴(kuò)大甚至加深,其二：裂隙不斷發(fā)展,原來短小裂隙不斷延伸最終連通在一起形成長大裂隙,從而更加破壞了土體的完整性及均一性的原狀,為地表水滲入土體在土中形成滲流及水分從土體中蒸發(fā)提供了良好的通道。

由于膨脹土是含有蒙脫石、伊利石等強(qiáng)親水性礦物的一類黏土。因此濕循環(huán)過程中,在強(qiáng)親水性礦物的影響下膨脹土就會大量吸水,這就會導(dǎo)致土顆粒與土顆粒之間的結(jié)合水膜厚度增加,水進(jìn)入晶格構(gòu)造之間使土體的晶格膨脹導(dǎo)致土體中原有的微小裂隙閉合軟化。對于較寬的裂隙來說,由于水的作用力的存在,可以在較寬的裂隙中產(chǎn)生兩種水壓力：動(dòng)水壓力與凈水壓力,這兩種壓力可以將裂縫推開使土向邊坡的方向擠出。在上述不斷的土水作用下,土體的黏聚力最終會大幅度降低,從而導(dǎo)致膨脹土強(qiáng)度不斷降低。

［1］繆林昌,劉松玉.論膨脹土的工程特性及工程措施［J］.水利水電科技進(jìn)展,2001(4):37～40.

［2］尹宏磊,徐千軍,李仲奎.膨脹變形對膨脹土邊坡穩(wěn)定性的影響［J］.巖土力學(xué),2009,30(8):2506～2510.

［3］沈珠江.當(dāng)前非飽和士力學(xué)研究的若干問題［A］.區(qū)域性土的巖土工程問題學(xué)術(shù)討論會論文集［C］,南京:原子能出版社,1996:1～9.

［4］盧肇鈞.非飽和土抗剪強(qiáng)度的探索研究［J］.中國鐵道科學(xué),1999,20(2):10～16.

［5］繆林昌,殷宗澤,劉松玉.非飽和膨脹土強(qiáng)度特性的常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào),2000,30(1):121～125.

［6］繆林昌,殷宗澤.非飽和士的剪切強(qiáng)度［J］.巖土力學(xué), 1999,21(3):1～6.

［7］陳敬虞,Fredlund.D.G.非飽和土抗剪強(qiáng)度理論的研究進(jìn)展［J］.巖土力學(xué),2003(24):655～660.

[欄目責(zé)任編輯 席曉劍]

Study on the Effects of Drying-wetting Cycle on the Strength and Crack DeveloPment of ExPansive Soil

Zhai Yu
(Henan Provincial Baiguishan Reservoir Management Bureau,Pingdingshan Henan 467000)

Through the study of expansive soil under drying一wetting cycle test,not only the influences of drying一wetting cycle on the crack development and strength of expansive soil have been revealed,the number of drying一wettingcycles has also been found with certain effects on the crack development and strength of expansive soil.

Expansive soil；drying一wetting cycle；crack

X820

A

1003一5168(2015)07一0132一3

2015一6一13

翟宇(1977.5一),男,研究方向:水利工程管理。