干濕循環(huán)條件下鎮(zhèn)江下蜀土的變形特性研究

王 威，劉順青，楊正玉，吳禮浩

（1.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊(duì)，江蘇 鎮(zhèn)江 212001；2.江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100）

0 引言

鎮(zhèn)江地處江蘇西南部，位于寧鎮(zhèn)山脈東段，鎮(zhèn)江地區(qū)的地層自震旦系至第四系均有分布，其中第四系下蜀土的覆蓋面積約占陸地總面積的一半[1]。下蜀土是一種特殊的沉積性土壤，形成于中、晚更新世，在長江中下游地區(qū)分布較廣，鎮(zhèn)江地區(qū)的崗地、低山、河流階地以及三角洲平原等均有分布。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]，其所含黏土礦物通常以伊利石為主[3-4]，具有遇水膨脹、失水收縮等特性[5-6]，一般為弱膨脹性土[7]。

由于填料缺乏，在鎮(zhèn)江地區(qū)修建公路時(shí)廣泛采用下蜀土作為路基填料，然而下蜀土的變形特征與一般黏性土有著較大的差別。通過人工壓實(shí)達(dá)到壓實(shí)度的下蜀土能夠滿足路基填料的要求，然而實(shí)際工程中的壓實(shí)下蜀土往往會受到各種自然環(huán)境條件的影響，如降雨和蒸發(fā)、地下水位升降等干濕循環(huán)作用[8]。一般而言，壓實(shí)后的填土在經(jīng)歷反復(fù)的干濕循環(huán)作用后，其物理力學(xué)特性會發(fā)生顯著變化[9]。如張芳枝等[10]研究發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)作用是壓實(shí)黏土力學(xué)特性發(fā)生不可逆變化的主要原因；周勇等[11]研究發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)作用會導(dǎo)致不同壓實(shí)度的黏土產(chǎn)生不可逆的體積收縮并產(chǎn)生眾多的微裂隙；Malusis等[12]研究發(fā)現(xiàn)垂直收縮及水力傳導(dǎo)系數(shù)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增大。除上述之外，干濕循環(huán)作用也是導(dǎo)致路基產(chǎn)生不均勻沉降[13-14]及邊坡失穩(wěn)[15-16]等工程病害的主要原因。

從上述的分析可知，干濕循環(huán)對黏性土的變形特性具有重要影響，而對于下蜀土這種弱膨脹性土其影響更大。然而已有的研究中，僅有干濕循環(huán)對下蜀土滲透特性[17]及強(qiáng)度特性的影響[7]，而其對于下蜀土的變形特性影響如何，目前還缺少系統(tǒng)性研究。

本文以鎮(zhèn)江南徐大道附近的下蜀土為試樣，開展不同干濕循環(huán)次數(shù)下的固結(jié)壓縮試驗(yàn)，研究下蜀土的變形特性與干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)，分析干濕循環(huán)對下蜀土路基沉降的影響規(guī)律。研究結(jié)果為下蜀土路基的設(shè)計(jì)施工及養(yǎng)護(hù)治理提供了參考依據(jù)，具有一定的實(shí)際工程意義。

1 試驗(yàn)土料及測試方法

1.1 試驗(yàn)土料的基本特征

試驗(yàn)所用的下蜀土取自鎮(zhèn)江南徐大道附近。試驗(yàn)所用下蜀土的粒組成分如表1所示，基本物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示。由表1、表2及《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[18]（GB50112-2013）可知，試驗(yàn)所用下蜀土為弱膨脹性黏土。

表1 下蜀土的顆粒組成Table 1 Particle composition of Xiashu loess

表2 下蜀土的基本性質(zhì)指標(biāo)Table 2 The basic properties of Xiashu loess

1.2 測試方法

本試驗(yàn)控制下蜀土試樣的干密度為1.7±0.02 g/cm3。下蜀土試樣實(shí)施的干濕循環(huán)次數(shù)分別為0、1、2、3、4、5、6次，每個(gè)干濕循環(huán)次數(shù)下制備3個(gè)重塑土樣，共制備下蜀土試樣7組。

試樣制備時(shí)在環(huán)刀的上、下方各用一張直徑為79.8 mm的濾紙和一塊直徑為79.8 mm的透水石，防止下蜀土吸水膨脹而導(dǎo)致部分土粒散落。采用噴霧器對下蜀土上方的透水石連續(xù)噴水來實(shí)現(xiàn)加濕，每次噴濕時(shí)間至少5 min，每天噴4次，如此連續(xù)噴灑3 d可近似認(rèn)為下蜀土試樣達(dá)到飽和。將飽和后的下蜀土試樣稱重后，放入溫度為40℃（模擬實(shí)際的自然環(huán)境）的烘箱中24 h，如此認(rèn)為完成1次干濕循環(huán)。為保證每次干濕循環(huán)次數(shù)下的試樣充分飽和，試樣達(dá)到干濕循環(huán)次數(shù)后依然澆水三天。

1.3 下蜀土試驗(yàn)的固結(jié)壓縮試驗(yàn)

將完成預(yù)定干濕循環(huán)次數(shù)的飽和下蜀土試樣裝入固結(jié)容器，施加的豎直壓力分別為12.5、25、50、100、200、400 kPa，待每級荷載下每小時(shí)的變形量小于0.01 mm時(shí)，可認(rèn)為試樣固結(jié)穩(wěn)定。試驗(yàn)儀器采用南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的WG-4型固結(jié)儀。試樣過程按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-2019）[19]進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同干濕循環(huán)次數(shù)下蜀土的壓縮曲線

不同干濕循環(huán)次數(shù)下下蜀土的壓縮曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，不同的干濕循環(huán)次數(shù)下，隨著豎向壓力的不斷增大，下蜀土孔隙比的減小速率逐漸降低；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，下蜀土的壓縮變形逐漸增大，但是達(dá)到一定循環(huán)次數(shù)后趨于穩(wěn)定，即此時(shí)下蜀土的壓縮變形達(dá)到了某一新的平衡。這種現(xiàn)象表明，路基中的下蜀土?xí)S著干濕循環(huán)作用的不斷增強(qiáng)，仍可能發(fā)生弱化現(xiàn)象，從而產(chǎn)生較大的路基變形。

圖1 不同干濕循環(huán)次數(shù)下下蜀土的壓縮曲線Fig.1 Compression curve of Xiashu loess under different drywet cycles

2.2 干濕循環(huán)對下蜀土壓縮系數(shù)的影響分析

為定量表示干濕循環(huán)次數(shù)對下蜀土壓縮系數(shù)的影響，采用下蜀土在豎向壓力100～200 kPa范圍內(nèi)的壓縮系數(shù)，相應(yīng)的壓縮系數(shù)曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，干濕循環(huán)對下蜀土的壓縮系數(shù)影響較大，未經(jīng)歷干濕循環(huán)的飽和下蜀土試樣為中壓縮性土，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，下蜀土逐漸由中壓縮性向高壓縮性轉(zhuǎn)變，經(jīng)歷5次干濕循環(huán)后，下蜀土的壓縮系數(shù)趨于穩(wěn)定。

圖2 不同干濕循環(huán)次數(shù)下蜀土的壓縮系數(shù)曲線Fig.2 Compression coefficients of Xiashu loess under different dry-wet cycles

造成上述結(jié)果的主要原因是干濕循環(huán)導(dǎo)致一定深度的下蜀土試樣經(jīng)歷失水干縮吸水膨脹，在如此循環(huán)下試樣表面出現(xiàn)松散，并出現(xiàn)裂隙，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，下蜀土內(nèi)部不再產(chǎn)生新裂隙，水對試樣的影響深度趨于穩(wěn)定，從而使得下蜀土壓縮系數(shù)的增值變小，最后逐漸趨于穩(wěn)定。

2.3 干濕循環(huán)對下蜀土形態(tài)的影響分析

不同干濕循環(huán)次數(shù)下干燥及飽和狀態(tài)下蜀土的形態(tài)如圖3、4所示。圖3、4中從左到右分別為1～6次干濕循環(huán)的下蜀土試樣。

圖3 干燥狀態(tài)下蜀土的形態(tài)Fig.3 Morphology of Xiashu loess in dry state

圖4 飽和狀態(tài)下蜀土的形態(tài)Fig.4 Morphology of Xiashu loess in saturated state

從圖3、4中可看出，下蜀土試樣經(jīng)歷1次干濕循環(huán)就與環(huán)刀壁脫開，并且試樣邊緣有一定的裂紋出現(xiàn)，3次干濕循環(huán)后裂紋數(shù)量逐漸增多，當(dāng)達(dá)到6次干濕循環(huán)時(shí)，試樣周邊裂紋較多，并且環(huán)刀壁周邊土體有一定的脫落。在下蜀土在吸水飽和過程中，脫水形成的表面裂紋又逐漸閉合，但其內(nèi)部因干濕循環(huán)導(dǎo)致的損傷不可恢復(fù)，從而導(dǎo)致其力學(xué)特性的變化。

3 干濕循環(huán)對下蜀土壓縮系數(shù)增加率的影響分析

為定量分析干濕循環(huán)次數(shù)對下蜀土壓縮系數(shù)的影響，給出下蜀土壓縮系數(shù)增加率Δi的定義：

式（1）中，avi，av0分別為第i次與第0次干濕循環(huán)時(shí)下蜀土的壓縮系數(shù)。

為使問題更清晰，按式（1）計(jì)算了不同干濕循環(huán)次數(shù)下蜀土壓縮系數(shù)的增加率，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)分別為1、2、3、4、5、6時(shí)，下蜀土壓縮系數(shù)的增加率分別為45.5%、56.5%、62.2%、85.9%、106.0%、115.0%，可見，干濕循環(huán)對下蜀土的壓縮系數(shù)有著重要的影響。產(chǎn)生上述結(jié)果的原因可能是下蜀土中的鹽晶體在反復(fù)的干濕循環(huán)中不斷淋濾，造成其易溶鹽含量等變化，從而使得土體表面的擴(kuò)散層變厚，顆粒之間的聯(lián)接力減弱。另一方面，下蜀土中伊利石等親水礦物在吸水過程中不斷膨脹，從而導(dǎo)致土體骨架膨脹；干燥過程中下蜀土骨架收縮，導(dǎo)致土中的部分微小裂紋擴(kuò)張，使得土中孔隙含量增加，且體積不能恢復(fù)到吸水之前的狀態(tài)，宏觀上表現(xiàn)為下蜀土的體積增大，在相同豎向荷載下，相應(yīng)的壓縮系數(shù)就相應(yīng)的增大，但這種影響在5次干濕循環(huán)以后逐漸趨于平緩。

圖5 不同干濕循環(huán)次數(shù)下蜀土壓縮系數(shù)的增加率Fig.5 Increase rate of compression coefficient of Xiashu loess under different dry-wet cycles

4 干濕循環(huán)對下蜀土路基沉降的影響分析

本文采用GEO5中的有限元模塊建立下蜀土路基的數(shù)值模型，根據(jù)前人的研究結(jié)果，將作用于路基上面的車輛荷載等效為均布荷載，大小取為20 kPa[20]，計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 下蜀土路基沉降計(jì)算模型圖Fig.6 Settlement calculation model of Xiashu loess subgrade

下蜀土路基沉降計(jì)算時(shí)“受干濕循環(huán)影響的下蜀土”及“下蜀土”的本構(gòu)模型均采用摩爾—庫倫模型，相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)如表3所示。干濕循環(huán)影響的下蜀土彈性模型不同為引起路基沉降不同的最主要因素，因此下蜀土沉降計(jì)算時(shí)重點(diǎn)考慮彈性模量的不同對路基沉降的影響，不考慮泊松比、黏聚力及內(nèi)摩擦角的影響。表3中受干濕循環(huán)影響的下蜀土彈性模量值為第1次干濕循環(huán)下的值，其他干濕循環(huán)次數(shù)下的彈性模量值取本文試驗(yàn)研究的結(jié)果。

表3 下蜀土路基的計(jì)算參數(shù)Table 3 Calculation parameters of Xiashu loess subgrade

不同干濕循環(huán)次數(shù)下蜀土路基的沉降計(jì)算結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，干濕循環(huán)對下蜀土路基的沉降影響較大，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)從0～6次時(shí)，下蜀土路基的沉降從5.5 mm增大到20.7 mm。因此，實(shí)際工程中對下蜀土路基可采用一定的覆蓋措施，減小干濕循環(huán)對其沉降的影響。

圖7 不同干濕循環(huán)次數(shù)下蜀土路基沉降Fig.7 Settlement of Xiashu loess subgrade under different drywet cycles

不同干濕循環(huán)次數(shù)下蜀土路基的變形如圖8所示，限于文章篇幅，分別選取干濕循環(huán)0、3、6次下的路基變形圖。從圖中可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，下蜀土路基的變形逐漸增大，路基變形的影響區(qū)域從較深層逐漸向干濕循環(huán)影響層過渡。

圖8 不同干濕循環(huán)次數(shù)下蜀土路基變形圖Fig.8 Deformation diagram of Xiashu loess subgrade under different dry-wet cycles

5 結(jié)論

（1）在下蜀土失水干燥及吸水飽和過程中，下蜀土表面裂紋張開而后逐漸閉合，但致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷不可恢復(fù)，進(jìn)而導(dǎo)致其力學(xué)特性的變化。

（2）隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，鎮(zhèn)江下蜀土的壓縮系數(shù)逐漸增大，經(jīng)歷5次干濕循環(huán)后，下蜀土的壓縮系數(shù)趨于穩(wěn)定。

（3）干濕循環(huán)對下蜀土路基沉降的影響較大，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)從0增加到6次時(shí)，下蜀土路基的沉降從5.5 mm增大到20.7 mm。

（4）隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，下蜀土路基的變形逐漸增大，路基變形的影響區(qū)域從較深層逐漸向干濕循環(huán)影響層過渡。