干濕循環(huán)和吸力對(duì)非飽和下蜀土力學(xué)特性影響的試驗(yàn)研究

劉順青 王永璐 蔡國(guó)軍 姜朋明 王 杰 張 夢(mèng)

(1東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京 211189)(2江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212005)

下蜀土作為一種特殊的風(fēng)沉積性土,在寧鎮(zhèn)地區(qū)的低山、丘陵等地貌單元中廣泛分布,通常呈現(xiàn)出厚度大、層次清晰、多孔隙等特點(diǎn)[1].下蜀土在天然狀態(tài)下多呈現(xiàn)褐色、黃褐色,強(qiáng)度和承載力較高[2],其所含黏土礦物以伊利石為主,具有較強(qiáng)的水敏感性[3],通常為弱膨脹性土[4].

目前干濕循環(huán)及吸力對(duì)非飽和下蜀土力學(xué)特性的影響方面還未有系統(tǒng)研究.因下蜀土通常為弱膨脹性土,而已有非飽和膨脹土的研究中大都僅考慮吸力或干濕循環(huán)對(duì)其力學(xué)特性的影響.在吸力的影響方面,詹良通等[5]采用非飽和直剪試驗(yàn)研究了吸力對(duì)膨脹土剪切特性的影響;Gan等[6]通過(guò)試驗(yàn)證明了非飽和膨脹土抗剪強(qiáng)度與吸力呈非線性關(guān)系;Fredlund等[7]通過(guò)土-水特征曲線來(lái)表征吸力對(duì)抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn),提出了計(jì)算非飽和土抗剪強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)性公式;吳珺華等[8]采用濾紙法測(cè)定了非飽和膨脹土的基質(zhì)吸力,并結(jié)合直剪試驗(yàn)結(jié)果建立了其在全吸力范圍內(nèi)的抗剪強(qiáng)度模型.在干濕循環(huán)的影響方面,Xiao等[9]采用直剪試驗(yàn)研究了廣西膨脹土在不同干濕循環(huán)次數(shù)及低圍壓下的強(qiáng)度特性;劉寬等[10]通過(guò)三軸強(qiáng)度試驗(yàn)、核磁共振測(cè)試及掃描電鏡試驗(yàn),探索研究了干濕循環(huán)作用下膨脹土力學(xué)性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)損傷的多尺度效應(yīng);Dong等[11]為研究干濕循環(huán)對(duì)膨脹土強(qiáng)度的影響,研發(fā)了一臺(tái)可精確控制含水率的直剪儀;Ma等[12]通過(guò)核磁共振技術(shù)研究了干濕循環(huán)條件下膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律;Zhao等[13]提出了一種模擬膨脹土在干濕循環(huán)過(guò)程中脹縮體積變化的本構(gòu)模型;Rosenbalm等[14]研究了壓縮膨脹土在干濕循環(huán)下的力學(xué)特性,表明該膨脹土在經(jīng)過(guò)4次循環(huán)后,膨脹或坍塌應(yīng)變與其膨脹壓力達(dá)到平衡.

由上述分析可知,目前針對(duì)非飽和膨脹土力學(xué)特性的研究主要集中在干濕循環(huán)或吸力等單因素的影響方面,而實(shí)際工程中的膨脹土(包括下蜀土)通常處于干濕循環(huán)和吸力的共同影響下,因此有必要研究干濕循環(huán)和吸力共同作用下非飽和下蜀土的力學(xué)特性變化規(guī)律.本文以鎮(zhèn)江某邊坡的下蜀土為研究對(duì)象,采用4FDJ-20型全自動(dòng)非飽和直剪儀研究干濕循環(huán)和吸力對(duì)非飽和下蜀土力學(xué)特性的影響.研究結(jié)果可為干濕循環(huán)作用下下蜀土邊坡的穩(wěn)定性分析提供計(jì)算參數(shù),具有實(shí)際工程意義.

1 試驗(yàn)土料及測(cè)試方法

1.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)所用下蜀土取自鎮(zhèn)江某邊坡,土樣呈黃褐色,天然含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))約為17%.對(duì)所取土樣在自然條件下進(jìn)行風(fēng)干、晾曬處理,待其含水率穩(wěn)定后取部分土樣測(cè)定其風(fēng)干含水率,之后碾碎、篩分并裝袋封存.取部分土樣進(jìn)行液塑限、自由膨脹率等試驗(yàn),測(cè)定出的該土樣基本物理力學(xué)指標(biāo)如表1和表2所示.試驗(yàn)嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[15]進(jìn)行.

由表1可知試驗(yàn)所用下蜀土的液限為32.3%,塑限為16.7%,塑性指數(shù)為15.6,結(jié)合表1、表2及《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB 50112—2013)[16],可判斷本次試驗(yàn)所用下蜀土為弱膨脹性粉質(zhì)黏土.

表2 下蜀土的顆粒組成

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1試樣制備

試樣干密度取1.7 g/cm3.由測(cè)定的風(fēng)干含水率及干密度等參數(shù)配備初始含水率為17%的濕土,將配備好的濕土裝入塑料袋中密封24 h,以保證濕土含水率均勻.采用擊實(shí)法制備直徑為61.8 mm、高為20 mm的環(huán)刀樣共72個(gè).

1.2.2 干濕循環(huán)方式的實(shí)現(xiàn)

將制備好的環(huán)刀樣放入一密封塑料箱中,在試樣上、下依次放入直徑為79.8 mm的透水石及濾紙,防止土樣吸水膨脹后土顆粒散落.在塑料箱底部加水,水面與下透水石頂面齊平,并在試樣上方加5 kPa的荷載,以防止土樣吸水膨脹后對(duì)非飽和剪切試驗(yàn)結(jié)果造成影響.試驗(yàn)中采用噴霧器對(duì)試樣進(jìn)行噴水加濕,每天噴水3次,每次噴水至試樣不再吸水為止,連續(xù)噴灑3 d后認(rèn)為試樣達(dá)到飽和狀態(tài).稱取飽和試樣的質(zhì)量后,將飽和試樣放入40 ℃的烘箱中烘干至恒重,并稱取干燥試樣的質(zhì)量,如此為完成1次干濕循環(huán).干濕循環(huán)過(guò)程中的含水率變化如圖1所示.

圖1 干濕循環(huán)過(guò)程中下蜀土的含水率變化

1.3 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)所用儀器為4FDJ-20型全自動(dòng)非飽和土直剪儀(四聯(lián)),如圖2所示.該儀器共由5個(gè)部分組成,分別為容器缸、剪切盒、水平加載部件、豎向加載部件及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).該儀器在試驗(yàn)中通過(guò)軸平移技術(shù)來(lái)控制土樣中的吸力,從而實(shí)現(xiàn)非飽和剪切的目的.每次試驗(yàn)開(kāi)始前應(yīng)按照操作規(guī)范沖洗陶土板下積聚的空氣,以保證試驗(yàn)中能準(zhǔn)確控制土體內(nèi)的吸力.本次試驗(yàn)中所有數(shù)據(jù)為計(jì)算機(jī)全自動(dòng)采集.

1—容器缸 2—剪切盒 3—水平加載部件 4—豎向加載部件 5—數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本次試驗(yàn)中分別采用豎向應(yīng)力N=50,100,200 kPa,吸力s=0,50,100,200 kPa.非飽和直剪試驗(yàn)開(kāi)始前應(yīng)先將陶土板飽和,而后將剪切盒放入儀器內(nèi),擰緊壓力室上蓋,通過(guò)計(jì)算機(jī)控制儀器打開(kāi)進(jìn)水閥門(mén),關(guān)閉排水閥門(mén),待外部進(jìn)水管進(jìn)滿時(shí)通過(guò)空氣壓縮機(jī)向儀器內(nèi)施加氣壓力300 kPa,并打開(kāi)排水閥門(mén),反復(fù)沖洗陶土板直至排水閥門(mén)有連續(xù)水排出,表明此時(shí)陶土板已飽和完成.每次剪切開(kāi)始前試樣應(yīng)在相應(yīng)吸力及豎向應(yīng)力條件下進(jìn)行固結(jié),待試樣固結(jié)穩(wěn)定后再以0.08 mm/min的速率進(jìn)行剪切.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 干濕循環(huán)作用對(duì)下蜀土結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響

不同干濕循環(huán)次數(shù)下下蜀土的結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖3所示.從圖中可以明顯地看出下蜀土試樣在經(jīng)歷干濕循環(huán)后土體形態(tài)急劇劣化.試樣在經(jīng)歷干濕循環(huán)后表面產(chǎn)生明顯裂隙,同時(shí)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,試樣表面裂隙從四周向中間發(fā)育.在第4次干濕循環(huán)后試樣表面的裂隙逐漸開(kāi)始加粗、加深,試樣的完整性明顯變差.同時(shí)試樣在濕循環(huán)后,由于土體吸水膨脹的特性導(dǎo)致試樣表面裂隙逐漸閉合,但在干燥后裂隙又重新出現(xiàn)并加速發(fā)展.

由上述分析可知下蜀土試樣在經(jīng)歷干濕循環(huán)后整體性、結(jié)構(gòu)性變差.土體內(nèi)的土顆粒由于不斷吸水膨脹和失水收縮,其內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變,進(jìn)而導(dǎo)致其力學(xué)特性變差.

(a) 干燥狀態(tài)

(b) 濕潤(rùn)狀態(tài)

2.2 下蜀土抗剪強(qiáng)度特性

不同干濕循環(huán)次數(shù)及吸力水平下的下蜀土抗剪強(qiáng)度包線如圖4和圖5所示.由圖可以發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)作用對(duì)于下蜀土的抗剪強(qiáng)度具有劣化作用,一定范圍內(nèi)的吸力對(duì)于土體抗剪強(qiáng)度具有提升作用.從圖4可明顯看出土體在第2次干濕循環(huán)后強(qiáng)度短暫提高,之后隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,土體抗剪強(qiáng)度逐漸降低,從第4次干濕循環(huán)到第5次干濕循環(huán)過(guò)程中土體的抗剪強(qiáng)度降低幅度較小,從第5次到第6次干濕循環(huán)過(guò)程中土體的抗剪強(qiáng)度并無(wú)顯著變化,此時(shí)土體結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).從圖6可發(fā)現(xiàn)，隨著吸力從0增大到200 kPa,下蜀土的抗剪強(qiáng)度逐漸上升，且隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,強(qiáng)度逐漸穩(wěn)定.

土體抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生上述變化規(guī)律的主要原因是:土體在經(jīng)歷干濕循環(huán)作用之后,土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨著裂隙不斷地閉合與發(fā)育而發(fā)生變化,土體內(nèi)的土顆粒排列可能會(huì)在某個(gè)階段處于結(jié)構(gòu)較好的位置,導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度經(jīng)歷短暫提升后逐漸降低.然而下蜀土經(jīng)歷多次干濕循環(huán)后,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本破壞,此時(shí)土體的抗剪強(qiáng)度變化幅度較小.同時(shí)由于吸力的存在,當(dāng)外力使土體破壞時(shí),部分有效吸力會(huì)加強(qiáng)土體的結(jié)構(gòu)性,使土體的抗剪強(qiáng)度增大,且在一定范圍內(nèi)施加的吸力越大,土體的抗剪強(qiáng)度提升越明顯.

因篇幅所限,僅給出了不同吸力水平下第1次及第6次干濕循環(huán)后下蜀土的剪應(yīng)力-剪切位移曲線，如圖6所示.由圖可見(jiàn),干濕循環(huán)作用下下蜀土的剪切破壞呈現(xiàn)一定的應(yīng)力硬化特征,土體達(dá)到峰值強(qiáng)度后下降幅度不明顯,呈穩(wěn)定態(tài)勢(shì).隨著吸力的增大，下蜀土的抗剪強(qiáng)度隨之增大,再次說(shuō)明了一定范圍內(nèi)的吸力對(duì)下蜀土的抗剪強(qiáng)度具有提升作用.

(a) s=0

(c) s=100 kPa

(a) 第1次干濕循環(huán)

(d) 第4次干濕循環(huán)

2.3 干濕循環(huán)作用對(duì)下蜀土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

圖7(a)、(b)分別為相同吸力水平下干濕循環(huán)作用對(duì)下蜀土黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響曲線.從圖中可看出,相同吸力水平下下蜀土的黏聚力經(jīng)歷短暫升高之后開(kāi)始降低并保持基本穩(wěn)定;而內(nèi)摩擦角則在吸力s>50 kPa之后呈現(xiàn)出隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加先降低而后基本保持穩(wěn)定的變化趨勢(shì).

下蜀土的黏聚力和內(nèi)摩擦角呈上述變化規(guī)律的主要原因?yàn)?土體黏聚力的來(lái)源主要包括顆粒間的膠結(jié)力、范德華力、顆粒間接觸點(diǎn)的化合價(jià)鍵和表觀黏聚力等,其中膠結(jié)力是土體黏聚力最主要的來(lái)源[17].下蜀土作為一種特殊的膨脹土,其脹縮變形不具有完全可逆性,因此下蜀土在第2次吸濕過(guò)程中含水率可能小于第1次吸濕過(guò)程.下蜀土在脫濕階段水分不斷喪失，內(nèi)部空間被壓縮，導(dǎo)致其內(nèi)部土顆粒形成了較大的團(tuán)聚體,而在吸濕階段由于上覆荷載的作用而導(dǎo)致下蜀土內(nèi)部孔隙增加幅度不大,土體結(jié)構(gòu)性衰減較小.土體較小的含水率導(dǎo)致第2次干濕循環(huán)后土體內(nèi)部存在的較大團(tuán)聚體分解程度小于第1次干濕循環(huán),此時(shí)由于團(tuán)聚體的存在導(dǎo)致下蜀土的土顆粒之間的黏結(jié)作用較強(qiáng),土體的黏聚力短暫提升;同時(shí)由于下蜀土內(nèi)部團(tuán)聚體分解的過(guò)程中土顆粒不斷遷移,會(huì)有部分土顆粒運(yùn)動(dòng)到小的孔隙內(nèi),土體結(jié)構(gòu)性得到短暫增強(qiáng),也導(dǎo)致下蜀土的黏聚力呈短暫上升趨勢(shì).當(dāng)施加吸力時(shí),吸力的存在改變了土體的氣-水收縮膜,同時(shí)部分吸力轉(zhuǎn)化為土體的有效黏聚力.因此,在第2次干濕循環(huán)后下蜀土的黏聚力有一定的提高,并且有吸力存在時(shí)提高更為明顯.但隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,下蜀土內(nèi)部裂隙發(fā)育加劇,土顆粒之間的膠結(jié)力被破壞,土體黏聚力開(kāi)始呈下降趨勢(shì),并在多次干濕循環(huán)后保持穩(wěn)定.

(a) N=50 kPa(第1次干濕循環(huán))

(d) N=50 kPa(第6次干濕循環(huán))

(a) 黏聚力

(b) 內(nèi)摩擦角

下蜀土的內(nèi)摩擦角在較低的吸力水平時(shí),由于其土體結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致其大小并無(wú)明顯變化規(guī)律.當(dāng)施加的吸力逐漸增大后,土顆粒之間的摩擦作用受到吸力的影響開(kāi)始變得穩(wěn)定,并且隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體內(nèi)部裂隙不斷發(fā)育,從而降低了土顆粒之間的摩擦力,導(dǎo)致下蜀土的內(nèi)摩擦角逐漸降低后保持穩(wěn)定.

2.4 吸力對(duì)下蜀土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響分析

圖8(a)、(b)分別為吸力對(duì)下蜀土黏聚力及內(nèi)摩擦角的影響曲線.對(duì)比圖8(a)、(b)可看出,吸力對(duì)下蜀土黏聚力的影響大于對(duì)內(nèi)摩擦角的影響,同時(shí)不同的干濕循環(huán)次數(shù)下下蜀土內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律不同.下蜀土的黏聚力隨吸力的增大而逐漸升高,并最終保持穩(wěn)定,而下蜀土的內(nèi)摩擦角在前3次干濕循環(huán)過(guò)程中無(wú)明顯變化規(guī)律,從第4次干濕循環(huán)開(kāi)始,隨著吸力的增大,下蜀土的內(nèi)摩擦角先增大后減小再略微上升,整體變化幅度不大.

(a) 黏聚力

(b) 內(nèi)摩擦角

圖8 不同吸力水平下下蜀土黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化曲線

下蜀土在干濕循環(huán)作用下內(nèi)部裂隙發(fā)育,導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)性變差,而吸力的加入提高了下蜀土的結(jié)構(gòu)性并且改變了其氣-水收縮膜,導(dǎo)致土體黏聚力提高.隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,下蜀土內(nèi)部裂隙增大、增粗,土體結(jié)構(gòu)性基本被破壞,此時(shí)下蜀土黏聚力整體水平較低.而下蜀土的內(nèi)摩擦角隨著土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定開(kāi)始受吸力的影響而發(fā)生波動(dòng),但整體變化幅度不大,說(shuō)明下蜀土黏聚力受吸力的影響大于內(nèi)摩擦角的影響.

3 結(jié)論

1) 下蜀土外觀形態(tài)受干濕循環(huán)作用的影響而產(chǎn)生裂隙,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,裂隙不斷增多、增大,并由四周逐漸向中間發(fā)育.

2) 下蜀土的抗剪強(qiáng)度受干濕循環(huán)和吸力共同作用產(chǎn)生不同的變化規(guī)律,吸力對(duì)土體抗剪強(qiáng)度具有提升作用.

3) 在相同吸力水平下,下蜀土的黏聚力隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,經(jīng)歷短暫提升后開(kāi)始減小并最終趨于穩(wěn)定.

4) 在相同的干濕循環(huán)次數(shù)下,下蜀土的黏聚力隨吸力的增大呈上升趨勢(shì).

5) 下蜀土內(nèi)摩擦角在較大吸力及較高的干濕循環(huán)次數(shù)下表現(xiàn)出規(guī)律性,但整體變化幅度不大,干濕循環(huán)作用及吸力對(duì)下蜀土內(nèi)摩擦角的影響小于黏聚力.