等幅干濕循環(huán)對(duì)成都膨脹土強(qiáng)度的影響

何艷清 李 濤 葉 豪 劉諾金 羅沐池 張玉鑫

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

等幅干濕循環(huán)對(duì)成都膨脹土強(qiáng)度的影響

何艷清 李 濤 葉 豪 劉諾金 羅沐池 張玉鑫

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

以成都某工程現(xiàn)場(chǎng)膨脹土樣為研究對(duì)象，對(duì)不同干濕循環(huán)次數(shù)的膨脹土試樣開(kāi)展直剪試驗(yàn)，結(jié)果表明，在相同循環(huán)幅度和初始含水率下，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的抗剪強(qiáng)度不斷減小，最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值。

干濕循環(huán)，膨脹土，峰值強(qiáng)度，殘余強(qiáng)度

0 引言

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)膨脹土在干濕循環(huán)條件下的膨脹收縮及強(qiáng)度特征，依據(jù)國(guó)家規(guī)范及不同的工程情況，已開(kāi)展過(guò)大量試驗(yàn)研究。如楊和平等[1]對(duì)南寧膨脹土進(jìn)行常規(guī)直剪試驗(yàn)，驗(yàn)證了荷載對(duì)膨脹土強(qiáng)度變化有較大影響。黃震等[2]通過(guò)室內(nèi)常規(guī)直剪試驗(yàn)得到膨脹土內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)和循環(huán)幅度呈起伏變化。徐彬等[3]通過(guò)直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)影響膨脹土強(qiáng)度的三個(gè)重要因素即含水率、密度、裂隙。趙艷林等通過(guò)對(duì)膨脹土進(jìn)行直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)除縮限之外，其他脹縮性指標(biāo)均隨干濕循環(huán)級(jí)數(shù)的增加而逐漸減小。Tony LT Zhan and Charles WW Ng[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)膨脹土的強(qiáng)度隨著基質(zhì)吸力的增加而增加。但在以往的干濕循環(huán)模擬試驗(yàn)研究中，土樣的豎向荷載變化范圍多是5 kPa～50 kPa，不符合規(guī)范，且實(shí)際較大工程設(shè)有支擋結(jié)構(gòu)的邊坡處膨脹土受到的豎向壓力往往較大，不能準(zhǔn)確反映工程實(shí)際和膨脹土強(qiáng)度隨干濕循環(huán)過(guò)程變化而變化的完整規(guī)律。所以，為獲得更全面的實(shí)際工況的試驗(yàn)參數(shù)和指標(biāo)，開(kāi)展規(guī)范荷載下多次干濕循環(huán)脹縮變形和強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究就顯得尤為必要。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用擊實(shí)法制樣，根據(jù)預(yù)定的干密度計(jì)算出土餅的高度，再按照壓實(shí)要求擊實(shí)土樣。在此次試驗(yàn)中控制土餅的干密度為1.6 g/cm3，預(yù)設(shè)擊實(shí)后的土餅厚度為3 cm；土餅的直徑為10 cm，土餅的體積為235 cm3，以含水率為18%為例，則干土重量為376 g，含水率為18%，則濕土重量為443.68 g。為防止試驗(yàn)裝土過(guò)程中的損耗，稱取含水量為18%的濕潤(rùn)土445 g，放入擊實(shí)儀中擊實(shí)成厚度為3 cm的土餅。最后，對(duì)環(huán)刀逐一進(jìn)行編號(hào)，并測(cè)量環(huán)刀的體積和質(zhì)量，用環(huán)刀從預(yù)先制好的土餅中取出直徑為6.18 cm，高2 cm的土樣。

控制試樣的初始含水率為18%、干密度為1.6 g/cm3，試樣經(jīng)過(guò)不同干濕循環(huán)次數(shù)(0,1,2,3,4,5)，對(duì)其進(jìn)行直剪試驗(yàn)，直剪時(shí)土樣的含水率控制為18%，循環(huán)幅度介于縮限含水率4.5%與飽和含水率32%之間。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1是相同豎向壓力下各循環(huán)次數(shù)后強(qiáng)度變化曲線。第1次～第3次循環(huán)分別相對(duì)于上一次循環(huán)后的峰值強(qiáng)度平均下降17.02%,8.37%,7.56%，殘余強(qiáng)度平均下降17.88%,15.82%,17.62%；第3次～第5次循環(huán)分別相對(duì)于上一次循環(huán)后的峰值強(qiáng)度平均下降5.97%,2.22%，殘余強(qiáng)度平均下降9.85%,4.45%。

從圖1中明顯能夠看出，相同豎向應(yīng)力條件下，伴隨著循環(huán)級(jí)數(shù)的逐漸增加，試樣的峰值強(qiáng)度不斷減小，且曲線的斜率越來(lái)越小。表明第1次～第3次循環(huán)峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的減小幅度較大，隨后的2次循環(huán)減小幅度雖有降低，但總體仍呈減小的趨勢(shì)，最后趨于一個(gè)穩(wěn)定值。這與國(guó)內(nèi)外許多研究結(jié)果[5-11]相同。原因在于第1次～第3次干濕循環(huán)過(guò)程引起土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生不可恢復(fù)的改變或破壞，導(dǎo)致試樣雖然含水量相同，但內(nèi)部密實(shí)度減小，基質(zhì)吸力急劇降低，土樣中突然產(chǎn)生較多裂隙面，裂隙發(fā)育較快，使得試樣峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度急劇減??；第4次、第5次循環(huán)后由于土顆粒大小的局限性以及含水量的控制，土樣基質(zhì)吸力和密實(shí)度逐漸恒定，土體中裂隙面雖仍有發(fā)育，但在原來(lái)已生成的裂隙基礎(chǔ)上基本不再變化，故而試樣的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定。

從峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度二者的比較來(lái)看，在等幅干濕循環(huán)5次后，各種豎向荷載作用下峰值強(qiáng)度減小值分別為30.48 kPa，34.02 kPa，32.93 kPa，49.39 kPa，53.19 kPa，平均值為40.00 kPa；殘余強(qiáng)度減小值分別為28.5 kPa，28.43 kPa，35.64 kPa，50.12 kPa，56.52 kPa，平均值為39.84 kPa。兩平均值相差0.15%，極為接近，可視為相同。說(shuō)明在循環(huán)幅度和初始含水率相同的情況下，經(jīng)歷相同次數(shù)的干濕循環(huán)過(guò)程后，峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的減小值相同，又由于循環(huán)5次后，土體的峰值強(qiáng)度減小，故而可得，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，土樣的脆性指數(shù)逐漸增大，這也正是膨脹土強(qiáng)度減小的原因所在。同時(shí)峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的減小值相同這一點(diǎn)，也說(shuō)明了在膨脹土從峰值強(qiáng)度到殘余強(qiáng)度這個(gè)階段中，干濕循環(huán)對(duì)其并沒(méi)有影響。主要是因?yàn)榕蛎浲吝_(dá)到峰值強(qiáng)度后，結(jié)構(gòu)被破壞，土體被壓到最密實(shí)的狀態(tài)，土體強(qiáng)度的變化主要是由于最大主應(yīng)力面即破壞面的變化，與干濕循環(huán)導(dǎo)致的土體黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化無(wú)關(guān)，所以峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的差值才不會(huì)改變。

從豎向荷載的角度分析，隨著豎向荷載的增大，膨脹土樣的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度都會(huì)增大，這正與庫(kù)侖準(zhǔn)則一致：即隨著正應(yīng)力的增大，顆粒間產(chǎn)生的與正應(yīng)力成正比的摩擦力逐漸增大，土的抗剪強(qiáng)度也就隨之增加。這也間接證明了試驗(yàn)的正確性與可靠性。因此在工程中適當(dāng)提高豎向荷載有助于提高膨脹土的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語(yǔ)

1)在相同循環(huán)幅度和初始含水率下，隨著循環(huán)級(jí)數(shù)的逐漸增加，試樣的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度不斷減小，且減小的幅度值越來(lái)越小,最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值。因此多雨膨脹土地區(qū)的施工應(yīng)在雨后進(jìn)行及時(shí)的邊坡穩(wěn)定監(jiān)測(cè)和加固。

2)經(jīng)歷相同次數(shù)的干濕循環(huán)過(guò)程后，峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的減小值相同，并由此得出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，土樣的脆性指數(shù)逐漸增大，也說(shuō)明了在膨脹土從峰值強(qiáng)度到殘余強(qiáng)度這個(gè)階段中，干濕循環(huán)對(duì)其并沒(méi)有影響。

[1] 楊和平，王興正，肖 杰.干濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)南寧外環(huán)膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014,36(5)：949-954.

[2] 黃 震，傅鶴林，韋秉旭，等.等幅干濕循環(huán)條件下膨脹土的低應(yīng)力抗剪強(qiáng)度特征[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,48(1)：70-77.

[3] 徐 彬，殷宗澤，劉述麗.膨脹土強(qiáng)度影響因素與規(guī)律的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2011，32(1)：44-50.

[4] Tony LT Zhan,Charles WW Ng.Shear strength characteristics of an unsaturated expansive clay[J].Canadian Geotechnical Journal,2016,43(7)：751-763.

[5] 呂海波，曾召田，趙艷林.干濕交替環(huán)境下膨脹土的累積損傷初探[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2012,21(6)：119-123.

[6] 李新明，孔令偉，郭愛(ài)國(guó)，等.基于工程包邊法的膨脹土抗剪強(qiáng)度干濕循環(huán)效應(yīng)試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2014,35(3)：675-682.

[7] 趙 鑫，陽(yáng)云華，朱瑛潔，等.裂隙面對(duì)強(qiáng)膨脹土抗剪強(qiáng)度影響分析[J].巖土力學(xué)，2014,35(1)：130-133.

[8] 于連順.干濕交替環(huán)境下膨脹土的累積損傷研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2008.

[9] 徐 彬，殷宗澤，劉述麗.裂隙對(duì)膨脹土強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究[J].水利水電技術(shù)，2010,41(9)：100-104.

[10] 張芳枝，陳曉平.反復(fù)干濕循環(huán)對(duì)非飽和土的力學(xué)特性影響研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010,32(1)：41-46.

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Influenceofconstantamplitudedrying-wettingcyclesonstrengthcharacteristicsofChengduexpansivesoils

HeYanqingLiTaoYeHaoLiuNuojinLuoMuchiZhangYuxin

(SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,China)

A series of shear tests were conducted on expansive soil of a engineering site in Chengdu which was subjected to different drying-wetting cycles to study the influence of drying-wetting cycles on the strength characteristics of Chengdu expansive soils. The results show that as the number of drying-wetting cycles increases, the shear strength of expansive soil decay. Finally, it’s going to end up with a stable value.

drying-wetting cycle, expansive soil, shear strength, residual strength

2017-10-05

何艷清(1995- )，男，在讀本科生； 李 濤(1981- )，男，副教授; 葉 豪(1995- )，男，在讀本科生；

劉諾金(1996- )，男，在讀本科生； 羅沐池(1995- )，男，在讀本科生； 張玉鑫(1996- )，女，在讀本科生

1009-6825(2017)35-0084-02

TU411.7

A