干濕循環(huán)與持續(xù)浸泡下老黏土強度與變形特性變化

黃少平， 晏鄂川， 陳 前， 尹曉萌

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074； 2.信陽師范學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院， 河南 信陽 464000)

老黏土是指第四系晚更新世Q3及以前沉積含鐵錳質(zhì)結(jié)核與高嶺土條紋的黏性土，其分布十分廣泛，尤其是在湖北中部和北部、河南中部及安徽中部和北部等地區(qū).由于地區(qū)氣候周期性變化，老黏土總在地下水位變化、降雨、蒸發(fā)等作用下經(jīng)歷干濕循環(huán)作用，同時由于每次作用時長不同，導(dǎo)致老黏土經(jīng)歷不同時間尺度的浸泡作用.由于老黏土具有復(fù)雜的水土-力學(xué)性質(zhì)及其受干濕循環(huán)和浸泡作用影響導(dǎo)致該類邊坡發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害種類繁多、機制復(fù)雜.

針對老黏土工程特性，國內(nèi)外做了大量研究.艾傳井等[1]通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗對老黏土地基變形參數(shù)和承載性能進行了研究.李芳[2]則通過大量工程地勘資料和室內(nèi)土工試驗成果，分析了武漢市東西湖區(qū)老黏土的基本工程地質(zhì)特性.老黏土工程特性主要由其土體結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、顆粒之間作用力等決定，干濕循環(huán)作用破壞土體結(jié)構(gòu)、弱化土體顆粒間作用力，導(dǎo)致土體強度降低[3-4].關(guān)于干濕循環(huán)對土體強度劣化作用，國內(nèi)外學(xué)者取得了豐碩研究成果；楊和平等[5]、Aldaood等[6]和Chen等[7]通過不同試驗條件對土樣進行了干濕循環(huán)作用下強度及其指標變化規(guī)律的試驗研究，得到了強度指標隨循環(huán)次數(shù)的衰減規(guī)律.呂海波等[8]通過試驗得到了膨脹土抗剪強度隨干濕循環(huán)次數(shù)而衰減的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)最初1～2次循環(huán)強度衰減幅度最大.慕現(xiàn)杰等[9]得到了膨脹土隨干濕循環(huán)強度的變化規(guī)律，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，土體的大裂縫逐漸減少并產(chǎn)生了大量的微裂縫，膨脹土的抗剪強度逐漸減小.盧再華等[10]利用CT掃描試驗研究干濕循環(huán)過程中裂隙演化過程，觀察分析了裂隙產(chǎn)生、發(fā)展和閉合過程.沈珠江等[11]對干濕循環(huán)過程中土體裂縫的形成、發(fā)展到閉合的整個過程進行了數(shù)值模擬.綜上，現(xiàn)有研究主要通過現(xiàn)場、室內(nèi)試驗及數(shù)值模擬等手段揭示土體強度隨干濕循環(huán)衰減規(guī)律和獲取裂隙演化過程，但僅僅對影響規(guī)律作定性分析，很少給出經(jīng)驗公式，對浸泡作用影響巖土體強度及其機制未作深入分析；且很少對試樣橫向變形(徑向變形)受干濕循環(huán)和浸泡作用影響規(guī)律進行研究；同時，鮮有研究從裂隙演化角度揭示干濕循環(huán)對巖土體強度劣化機制.

因此，本文以湖北省嘉魚縣地區(qū)的典型老黏土為研究對象，通過三軸不固結(jié)不排水試驗，對老黏土在干濕循環(huán)與浸泡作用下強度與變形的影響規(guī)律進行探究，建立劣化模型，揭示試樣橫向變形規(guī)律，同時從裂隙演化、水土作用角度揭示強度衰減機理.研究成果為進一步揭示干濕循環(huán)與持續(xù)浸泡作用對老黏土強度與變形特性的劣化規(guī)律提供理論依據(jù)和經(jīng)驗數(shù)據(jù)；為構(gòu)建干濕循環(huán)與浸泡作用導(dǎo)致老黏土邊坡失穩(wěn)破壞預(yù)測模型、工程治理提供依據(jù).

1 試驗方案和過程

1.1 主要試驗設(shè)備

試驗主要儀器：臺秤、應(yīng)變式三軸儀(圖1a)、TYS-50土樣壓實裝置(圖1b)、真空抽氣機(圖1c)、烘箱.試驗加載由有級變速電機控制，加載速率0.01～3 mm/min；圍壓采用氣壓加載.

1.2 試驗土樣

試驗用土取自嘉魚縣石鼓嶺村不穩(wěn)定斜坡典型老黏土層.采用直徑39.1 mm、高80 mm圓柱形標準試樣.土體基本物理力學(xué)參數(shù)見表1.

表1 老黏土基本物理力學(xué)參數(shù)表

1.3 試驗方案及過程

1) 干濕循環(huán)試驗.受氣候周期性影響，土體在降雨作用下達到或接近飽和狀態(tài)，雨過天晴后，土體含水率降低并維持穩(wěn)定值.通過干濕循環(huán)試驗?zāi)M土體在自然狀態(tài)下受氣候周期性作用的真實情況，揭示其對土體強度與變形作用規(guī)律.

干濕循環(huán)試驗共18個試樣，分0,1,2,5,7,10次6組，其中0次為參照組試樣，每組3個相同土樣.首先將所有相同試樣裝飽和器中置于真空抽氣機中抽氣2 h，浸泡24 h；然后將試樣取出放入65 ℃烘箱中，連續(xù)烘干至試樣恒重.即完成干濕循環(huán)1次，靜置冷卻2 h后進行下一循環(huán)[5].

2) 浸泡試驗.鑒于氣候周期性變化、降雨時長不同，土體受浸泡作用時間不同，為此，本次浸泡試驗采用改變試樣在水中持續(xù)浸泡時長來揭示其對土體強度與變形的作用規(guī)律.

浸泡試驗共21個試樣，分別浸泡0,1,2,4,7,10,24 d 7組，每組取3個相同試樣.

3) 三軸壓縮試驗.將完成預(yù)定浸泡時長、干濕循環(huán)次數(shù)的試樣置于壓力室，分別進行圍壓100,200,300 kPa的不固結(jié)不排水試驗，加載速率0.5 mm/min.當試樣完全破壞或者是軸應(yīng)變達到15%時，試驗停止，試驗試樣如圖2所示.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 干濕循環(huán)對老黏土強度與變形影響

試驗過程中可明顯觀察到試樣表面出現(xiàn)裂隙.幾乎所有試樣干濕循環(huán)1次后端面四周出現(xiàn)徑向短小裂隙，少量由于制樣產(chǎn)生的非均質(zhì)性或受到不對稱應(yīng)力形成軟弱面產(chǎn)生相對較寬的裂隙.通過監(jiān)測記錄試樣裂隙演化過程獲取裂隙發(fā)育情況(圖3).由圖可知，試樣裂隙在干濕循環(huán)1，2次時發(fā)展迅速，5次以后相對緩慢趨于動態(tài)穩(wěn)定.宏觀角度來看，干濕循環(huán)次數(shù)增加表現(xiàn)為試樣裂隙發(fā)展明顯，通過對試樣測量分析可直觀獲取裂隙演化過程和試樣收縮程度.干濕循環(huán)后試樣四周出現(xiàn)徑向間斷細小裂隙和徑向收縮現(xiàn)象，側(cè)面可見近端部裂隙.此外，由圖3d～圖3e可知隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加試樣裂隙由四周向中間擴展，裂隙增大、增長、增多，最終貫穿，試樣收縮明顯.

2.1.1 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

基于試驗數(shù)據(jù)繪制老黏土試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，對不同干濕循環(huán)次數(shù)老黏土應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖4)進行對比分析.

相對于參照組，干濕循環(huán)后的應(yīng)力應(yīng)變曲線有所差異.隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，產(chǎn)生相同軸向應(yīng)變時對應(yīng)的主應(yīng)力差明顯減小，前期曲線越緩，趨于平穩(wěn)階段出現(xiàn)越晚.可見干濕循環(huán)對老黏土強度具有劣化作用，干濕循環(huán)次數(shù)越多對老黏土劣化作用越明顯.

由圖4可知，干濕循環(huán)1,2次后，主應(yīng)力差減小幅度最大，隨后降低幅度呈變緩趨勢，說明干濕循環(huán)破壞土體結(jié)構(gòu).從圖4可知剛開始經(jīng)歷干濕循環(huán)時土體受到初次破壞，使得原生裂隙進一步發(fā)展，屬于突變過程；反復(fù)干濕循環(huán)時，僅已有裂隙漸進性地擴張，少量原生裂隙萌生，對土體損傷沒有起初強烈，損傷程度明顯減弱.

2.1.2 抗剪強度指標

為研究干濕循環(huán)作用對老黏土強度特性的影響，通過三軸不固結(jié)不排水試驗建立強度包絡(luò)線獲取不同干濕循環(huán)次數(shù)下老黏土強度參數(shù).從圖5可知老黏土屬于彈塑性強化材料，采用強化彈塑性力學(xué)模型進行分析，運用莫爾-庫倫破壞準則，基于試驗數(shù)據(jù)繪制應(yīng)力莫爾圓獲取老黏土抗剪強度參數(shù).重塑老黏土干濕循環(huán)0次黏聚力c為77.8 kPa,內(nèi)磨擦角φ為6.2°;1次c為57.3 kPa,φ為5.8°;2次c為40.8 kPa,φ為5.5°；5次c為35.5 kPa,φ為5.4°；7次c為30.5 kPa,φ為5.5°；10次c為25.1 kPa,φ為5.3°；可知干濕循環(huán)對老黏土黏聚力劣化作用顯著，內(nèi)摩擦角變化微弱，針對此現(xiàn)象進行系統(tǒng)研究，揭示其影響規(guī)律，探究成因機制.

為揭示黏聚力c劣化規(guī)律，將得到的c進行無量綱化處理，即取不同干濕循環(huán)次數(shù)n下的黏聚力cn與未進行干濕循環(huán)的黏聚力c0進行比值，記為ηcn.基于試驗數(shù)據(jù)的整理，結(jié)合數(shù)據(jù)分析軟件進行擬合(圖5)，構(gòu)建ηcn隨干濕循環(huán)次數(shù)n的劣化關(guān)系式：

ηcn=0.633×e-n/1.71+0.367,R2=0.962 3.

(1)

基于此，推導(dǎo)cn表達式：

cn=ηcn×cn0,R2=0.962 3.

(2)

綜上分析可知，c隨n的增加呈指數(shù)衰減，干濕循環(huán)1,2次時劣化作用最明顯，衰減幅度較大，衰減趨勢不斷減緩逐漸趨于穩(wěn)定，干濕循環(huán)5次后，衰減到45.6%，這與裂隙發(fā)展演化情況基本一致，可知裂隙發(fā)育是試樣強度劣化的根本原因之一.基于擬合結(jié)果可知老黏土抗剪強度經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后將趨于平衡狀態(tài).

脫濕過程中土體收縮，原生裂隙進一步擴展，同時形成新的裂隙，孔隙含量增加，對土體結(jié)構(gòu)造成損傷，破壞土體完整性；增濕過程中土體內(nèi)空隙被水分充填，使得顆粒中的膠結(jié)物得到溶蝕，同時顆粒之間的摩擦力減小，親水性礦物吸水膨脹，使得土骨架反復(fù)收縮膨脹.反復(fù)的干濕循環(huán)導(dǎo)致裂隙加深加寬，數(shù)量增加，破壞土體的均勻性和完整性，造成不可逆轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)損傷.因此在干濕循環(huán)過程中土體的黏聚力劣化明顯.

2.1.3 橫向變形特征

為進一步探究干濕循環(huán)對老黏土強度的影響，對試驗后破壞試樣的變形進行系統(tǒng)研究，揭示試樣橫向變形受干濕循環(huán)作用的影響規(guī)律.研究表明試樣橫向變形受干濕循環(huán)影響顯著.

采用游標卡尺測量試驗后試樣直徑，歸納總結(jié)其變形規(guī)律(圖6)：試樣橫向變形隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大，隨圍壓的增大而減小.脫濕過程中，土骨架收縮，原生裂隙凸顯，試樣表面可見明顯裂隙，試樣中微小孔隙擴張，孔隙含量增加.增濕過程中，水分充填裂隙，親水性礦物吸水膨脹，導(dǎo)致試樣體積增大.反復(fù)干濕循環(huán)增加試樣孔隙含量，降低顆粒間黏結(jié)力，致使試樣受壓縮后產(chǎn)生更大變形.

2.2 浸泡作用對老黏土強度與變形影響

2.2.1 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

基于三軸試驗結(jié)果繪制不同圍壓條件下不同浸泡時間的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖(圖7)，根據(jù)試驗結(jié)果可知三個圍壓下應(yīng)力應(yīng)變曲線變化趨勢與特征相似.由圖7可明顯看出，老黏土浸泡1 d后抗剪強度衰減最大，其次為浸泡2 d，隨著浸泡時間增加衰減幅度逐漸減小.浸泡后試樣逐漸由應(yīng)變軟化向應(yīng)變硬化轉(zhuǎn)變，說明試樣浸泡過程中對其結(jié)構(gòu)有一定的損傷作用，浸泡時間越長劣化作用越明顯.浸泡過程中試樣可溶性物質(zhì)溶于水破壞試樣結(jié)構(gòu)，含水率升高膠結(jié)物濃度降低，弱化其膠結(jié)作用.相對于干濕循環(huán)作用，劣化趨勢基本相同，但浸泡作用對試樣強度的劣化幅度和速度更小，這主要由于在干濕循環(huán)脫濕過程中破壞土體結(jié)構(gòu)，加速原生裂隙發(fā)展，致使土體收縮，破壞土體整體性、粒間連接結(jié)構(gòu)和膠結(jié)作用，使得黏聚力大幅度降低.

2.2.2 抗剪強度指標

根據(jù)三軸壓縮試驗，老黏土浸泡0 dc為87.2 kPa,φ為8.5°;浸泡1 dc為77.8 kPa,φ為8.2°;浸泡2 dc為64.2 kPa,φ為8.3°;浸泡4 dc為55.4 kPa,φ為9.3°;浸泡7 dc為49.3 kPa,φ為9.2°;浸泡10 dc為46.6 kPa,φ為9.1°;浸泡24 dc為42.4 kPa,φ為8.8°;黏聚力隨浸泡時間t變化顯著，而摩擦角受其影響較小.將試驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)總結(jié)歸納，建立抗剪強度參數(shù)隨浸泡時間經(jīng)驗劣化公式(圖8)，揭示其衰減規(guī)律，探究其劣化機理.

圖7 200 kPa不同浸泡時間應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

Fig.7Stress-strain curves of different soaking time

under confining pressure 200 kPa

建立老黏土ct與浸泡時間t的關(guān)系式：

ct=ηct×ct0=(0.495+0.51×e-t/3.12)×ct0,
R2=0.988 2.

(3)

式中：t為浸泡時間，d；ct0，kPa；ct，kPa.R2=0.988 2說明其可以很好地反映本文研究的老黏土c隨浸泡時間t的劣化規(guī)律.綜上可知，老黏土c隨浸泡時間的增加呈指數(shù)趨勢衰減，浸泡1 d衰減幅度最大，隨著浸泡時間的增加黏聚力衰減幅度明顯降低，逐漸趨于穩(wěn)定.試樣浸泡后，含水量升高，膠結(jié)物濃度降低，部分膠結(jié)物溶解，弱化膠結(jié)作用，親水性物質(zhì)經(jīng)過浸泡后吸水膨脹，破壞土體骨架，從而使得黏聚力衰減.浸泡過程中老黏土吸濕、體積膨脹、含水率增大，浸泡剛開始時，試樣含水量變化較大、膠結(jié)物濃度和試樣體積變化最大，試樣結(jié)構(gòu)受影響最明顯，因此浸泡1 d后黏聚力衰減最快.隨著試驗的進行各種作用逐漸減弱，黏聚力降低幅度趨于穩(wěn)定.

2.2.3 橫向變形特征

統(tǒng)計試驗結(jié)果繪制試樣橫向變形與浸泡時間關(guān)系曲線圖(圖9)，可明顯看出試樣隨浸泡時間的增長橫向變形呈增大趨勢，試樣出現(xiàn)剪脹現(xiàn)象，試樣兩端橫向變形較小，在分層接觸處體積有所增大，距離試樣頂端40～50 mm處橫向變形略大，試樣直接剪切破裂的較少，相對經(jīng)過干濕循環(huán)作用的試樣來說，試樣橫向變形較小.由于試樣兩端受到摩擦和約束作用，導(dǎo)致兩端變化微小.

3 結(jié) 論

1) 老黏土黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)增加呈指數(shù)衰減，1，2次衰減幅度較大，衰減趨勢不斷減緩逐漸趨于穩(wěn)定，內(nèi)摩擦角保持穩(wěn)定.干濕循環(huán)造成土體結(jié)構(gòu)損傷，裂隙發(fā)展是強度衰減的宏觀表現(xiàn)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加試樣裂隙由四周向中間擴展，裂隙增大、增長、數(shù)量增加，1，2次干濕循環(huán)裂隙發(fā)展顯著，5次以后相對緩慢，裂隙發(fā)育是試樣強度劣化的根本原因之一.

2) 抗剪強度受干濕循環(huán)作用呈降低趨勢，且先快后慢，最初對土體結(jié)構(gòu)破壞為突變過程，后期為裂隙漸進性擴張.

3) 黏聚力隨浸泡時間的增加呈指數(shù)衰減趨勢，表現(xiàn)出先快后慢.主要通過提高含水量溶解降低膠結(jié)物溶解濃度，弱化膠結(jié)作用，破壞土體結(jié)構(gòu).

4) 橫向變形隨干濕循環(huán)次數(shù)、浸泡時間的增加呈增大趨勢，隨圍壓增大有一定減小.