干濕循環(huán)作用下軟基黃土孔隙結(jié)構(gòu)特性試驗(yàn)研究

毛愛迪

(中鐵十九局集團(tuán)房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

0 引言

黃土在我國(guó)西北地區(qū)廣泛分布，常被用作主要的填筑材料，由于其粉土和黏粒含量較高，通常表現(xiàn)為透水性差、黏聚力大的特性。近年來隨著黃土高原地區(qū)的建設(shè)規(guī)模以及治理強(qiáng)度不斷增大，已經(jīng)取得了明顯的成效，黃河流域水土流失逐步減少。然而，在取得一些治理成效的同時(shí)，由于黃土濕陷性的特點(diǎn)，在經(jīng)過干燥、濕潤(rùn)循環(huán)作用下會(huì)產(chǎn)生裂縫和局部塌陷等破壞，導(dǎo)致土體大量流失，農(nóng)作物產(chǎn)量下降，機(jī)械化生產(chǎn)效率降低，最終對(duì)生態(tài)環(huán)境以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)造成嚴(yán)重威脅。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過大量室內(nèi)試驗(yàn)，從微觀結(jié)構(gòu)的角度去解釋干燥—濕潤(rùn)循環(huán)過程對(duì)黃土性質(zhì)的影響。袁志輝等[1]測(cè)量了不同干濕循環(huán)條件下的黃土單軸拉伸強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，含水率不變時(shí)，干濕循環(huán)次數(shù)的增加會(huì)使土的抗拉強(qiáng)度減小，到一定次數(shù)后趨于不變。王飛等[2]對(duì)比了不同壓實(shí)度下的黃土在干濕循環(huán)后的濕陷系數(shù)，指出當(dāng)壓實(shí)度為90%時(shí)，提高壓實(shí)度對(duì)于黃土濕陷變形特征的影響較小。葉萬軍等[3]利用CT掃描成像技術(shù)得出黃土在干濕循環(huán)后內(nèi)部孔隙的發(fā)展規(guī)律，結(jié)果表明當(dāng)土體內(nèi)部某處的抗拉強(qiáng)度小于其拉應(yīng)力時(shí)，土體就會(huì)產(chǎn)生裂隙。胡長(zhǎng)明等[4]對(duì)黃土填方邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性有限元分析，探究了在干濕循環(huán)作用下邊坡土體強(qiáng)度劣化規(guī)律，為邊坡災(zāi)害檢測(cè)提供了理論參考。劉宏泰等[5]通過室內(nèi)三軸壓縮和滲透試驗(yàn),認(rèn)為重塑黃土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均隨著干濕循環(huán)次數(shù)的遞增呈減小趨勢(shì),且最終土體結(jié)構(gòu)會(huì)重新達(dá)到平衡點(diǎn),黃土的抗剪強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定。賀強(qiáng)[6]對(duì)黏性土進(jìn)行了不同干密度和顆粒級(jí)配的室內(nèi)滲透破壞試驗(yàn)，分析了不同因素對(duì)合肥地區(qū)黏土層滲透破壞臨界坡降的影響。

綜上可知，目前針對(duì)黃土的研究主要集中在強(qiáng)度和滲透特性兩個(gè)方面，而實(shí)際的工程條件更為復(fù)雜，工程的各種不利因素往往不是單一出現(xiàn)的。在周期性降雨地區(qū)，遇到填挖方工程，土料就會(huì)同時(shí)受到干濕循環(huán)、滲透作用以及填挖交界區(qū)三種不利影響。目前的研究關(guān)于對(duì)多重不利影響條件下的黃土性質(zhì)變化規(guī)律研究較少。本試驗(yàn)主要研究在干濕循環(huán)條件作用下黃土填挖方交界區(qū)的裂縫產(chǎn)生與發(fā)展規(guī)律，以及在兩種不利因素影響下的黃土滲透系數(shù)變化規(guī)律，對(duì)實(shí)際工程中可能出現(xiàn)的復(fù)雜工況有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣制備

試驗(yàn)用土取自陜西延安某工地，將取回的土樣放置陰涼處，自然風(fēng)干半年以上。試驗(yàn)前需將土樣進(jìn)行磨細(xì)處理，測(cè)定其基本物理性質(zhì)，見表1。

表1 土樣的基本物理性質(zhì)

本文采用環(huán)刀法制備不同壓實(shí)度土樣，見圖1。為了體現(xiàn)黃土填挖方交界面的工程特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)一種新的制樣方法。首先預(yù)制一個(gè)半圓柱形狀有機(jī)玻璃塊，將其放入環(huán)刀內(nèi)，在另一側(cè)放入制備好的土樣，用千斤頂進(jìn)行壓實(shí)，然后將有機(jī)玻璃塊取出，再次填充土樣并壓實(shí)，通過控制第二次填充土樣質(zhì)量來控制壓實(shí)度，以此近似模擬黃土填挖方交界面特點(diǎn)。

圖1 試樣制備方法

為了驗(yàn)證本文制樣方法的可行性，除不同壓實(shí)度的試樣外，本文還制備了單一壓實(shí)度試樣，具體壓實(shí)方案見表2。

表2 不同壓實(shí)度試驗(yàn)方案

1.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)方案

本文干濕循環(huán)設(shè)置為0～7次，土的含水率控制為15.5%。為防止土中水分蒸發(fā)，制備好的土樣采用保鮮膜密封，靜置24 h備用。土樣第一次經(jīng)歷干濕循環(huán)之前的初始含水率為15.5%，然后直接將土樣放入真空飽和裝置中抽氣飽和，飽和過程視為濕循環(huán)過程，待到滲透系數(shù)測(cè)定結(jié)束后將土樣進(jìn)行烘干，烘干過程即為干燥過程。此時(shí)土樣完成一次干濕循環(huán)過程，后續(xù)的循環(huán)重復(fù)上述過程即可。

試驗(yàn)采用烘箱干燥的方式，考慮到溫度過高會(huì)破壞黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，故將烘箱溫度設(shè)置在60 ℃，烘干時(shí)間為48 h。為了精確控制含水率下限，在正式開始前做預(yù)備試驗(yàn)，先制作兩個(gè)最優(yōu)含水率15.5%的土樣，待到真空飽和裝置內(nèi)充分飽和后放入烘箱烘干后測(cè)定其含水率，結(jié)果顯示含水率在2%左右。因此，本試驗(yàn)將含水率下限定為2%，上限為飽和含水率15.5%，試樣經(jīng)過真空飽和4 h后即進(jìn)行滲透系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 干濕循環(huán)后裂縫分析

第1次干濕循環(huán)后土樣的裂縫發(fā)展情況見圖2。經(jīng)歷1次干濕循環(huán)后，土樣2-8整體與滲透環(huán)刀脫離，不同壓實(shí)度交界面處產(chǎn)生了長(zhǎng)度達(dá)34.866 mm的主裂縫，最大寬度0.129 mm，裂縫從中間向兩側(cè)延伸，但未延伸至環(huán)刀邊緣；主裂縫周圍土顆粒呈凹凸不平狀態(tài)，這是因?yàn)閴簩?shí)過程中交界面周圍存在表面浮土，經(jīng)過干濕循環(huán)后浮土顆粒流失，從而導(dǎo)致試樣表面不平整；距離主裂縫兩側(cè)10 mm處產(chǎn)生了2條微裂縫，裂縫寬度均小于0.1 mm。土樣6-6大部分區(qū)域與滲透環(huán)刀脫離，不同壓實(shí)度交界面處產(chǎn)生了長(zhǎng)度達(dá)36.223 mm的主裂縫，裂縫從中間向兩側(cè)延伸，但未延伸至環(huán)刀邊緣；靠近滲透環(huán)刀邊緣處有小部分土顆粒流失，附近的土樣表面呈凹凸不平的狀態(tài)，在環(huán)刀邊緣處產(chǎn)生了1條微小裂縫。重塑土樣6出現(xiàn)一條幾乎貫通的細(xì)裂縫，長(zhǎng)度達(dá)50.125 mm，與環(huán)刀邊緣脫離，表面有輕微的土顆粒流失現(xiàn)象，相對(duì)于其他試樣較平整。第1次干濕循環(huán)裂縫的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

圖2 第1次干濕循環(huán)后裂縫發(fā)展情況

表3 不同干濕循環(huán)次數(shù)裂縫統(tǒng)計(jì)結(jié)果

第7次干濕循環(huán)的裂縫發(fā)展情況見圖3。經(jīng)歷7次干濕循環(huán)后，土樣2-8的土顆粒流失現(xiàn)象已基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，周圍浮土塊表面的洞狀孔隙也并未有明顯增加，不同壓實(shí)度交界面處主裂縫完成了橫向貫通，周圍發(fā)育的環(huán)狀裂縫最大寬度增加至42.760 mm，表面土體結(jié)構(gòu)已基本被破壞。土樣6-6表面土顆粒流失現(xiàn)象已基本達(dá)到穩(wěn)定，不同壓實(shí)度交界面處原有的主裂縫也完成了橫向貫通，周圍形成的完整環(huán)狀裂縫進(jìn)一步擴(kuò)寬，并伴隨著大量微裂縫的產(chǎn)生，表面土體結(jié)構(gòu)已基本被破壞。重塑土樣6表面土顆粒流失現(xiàn)象已基本達(dá)到穩(wěn)定，不同壓實(shí)度交界面處原有的主裂縫未有明顯變化，周圍浮土塊在水的浸泡后與環(huán)刀周圍粘連部分增加。第7次干濕循環(huán)的裂縫具體數(shù)據(jù)見表3。

圖3 第7次干濕循環(huán)后裂縫發(fā)展情況

為了更加直觀地對(duì)比分析不同干濕循環(huán)次數(shù)下土樣的裂縫發(fā)育情況，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制不同試驗(yàn)條件下主裂縫長(zhǎng)度、主裂縫面積隨干濕循環(huán)次數(shù)的分布曲線，見圖4～5。由圖4可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，不同壓實(shí)度土樣的主裂縫長(zhǎng)度均呈逐漸遞增變化趨勢(shì)，且壓實(shí)度越高，同一干濕循環(huán)次數(shù)下的主裂縫越長(zhǎng)。由圖5可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，不同壓實(shí)度土樣的主裂縫面積同樣呈逐漸遞增變化趨勢(shì)，且壓實(shí)度越高，同一干濕循環(huán)次數(shù)下的主裂縫面積越大。圖4～5中曲線的波動(dòng)情況原因可能是由于制樣過程中壓實(shí)不均導(dǎo)致的，但整體上還是表現(xiàn)為單調(diào)變化趨勢(shì)。

圖4 主裂縫長(zhǎng)度分布曲線

圖5 主裂縫面積分布曲線

2.2 干濕循環(huán)后滲透系數(shù)分析

試驗(yàn)共測(cè)定了20個(gè)土樣從第0次到第6次循環(huán)后的滲透系數(shù)，見表4。土樣2-8、6-6和重塑6的滲透系數(shù)變化曲線如圖6所示。

圖6 滲透系數(shù)分布曲線

表4 土樣滲透系數(shù) 單位：×10-5 cm/s

由圖6可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，不同壓實(shí)度土樣的滲透系數(shù)變化規(guī)律有所差異。當(dāng)壓實(shí)度較小時(shí)，第1次干濕循環(huán)后滲透系數(shù)會(huì)有一個(gè)明顯的減小過程，部分試樣出現(xiàn)了量級(jí)上的變化，然后趨于穩(wěn)定。當(dāng)壓實(shí)度較大時(shí)，滲透系數(shù)在第1次干濕循環(huán)后減小，但減幅較小，均在同一量級(jí)上變化。反觀一次壓實(shí)的對(duì)照組試樣，其滲透系數(shù)在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)且無量級(jí)變化，波動(dòng)也無明顯的規(guī)律。這是因?yàn)橹茦訒r(shí)交界面處存在較多孔隙，在測(cè)定無循環(huán)的滲透系數(shù)時(shí)土樣不同壓實(shí)度接觸面未受到擾動(dòng)，循環(huán)一次后接觸面處孔隙被細(xì)土顆粒填充，接觸面局部愈合而導(dǎo)致滲透系數(shù)的減小，循環(huán)到兩次后接觸面部分愈合，對(duì)滲透系數(shù)的影響較小，而土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸破壞，從而導(dǎo)致滲透系數(shù)逐漸增長(zhǎng)，也說明此時(shí)土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞基本達(dá)到穩(wěn)定。

3 結(jié)論

(1) 隨著干濕循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，不同壓實(shí)度土樣的主裂縫長(zhǎng)度均呈逐漸遞增變化趨勢(shì)，且壓實(shí)度越高，同一干濕循環(huán)次數(shù)下的主裂縫越長(zhǎng)。

(2) 隨著干濕循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，不同壓實(shí)度土樣的主裂縫面積同樣呈逐漸遞增變化趨勢(shì)，且壓實(shí)度越高，同一干濕循環(huán)次數(shù)下的主裂縫面積越大。

(3) 存在交界面的試樣滲透系數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)先減小、后增大至穩(wěn)定的趨勢(shì)，一次壓實(shí)的對(duì)照組試樣在滲透系數(shù)的變化上應(yīng)該與已知規(guī)律相符合，即隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滲透系數(shù)緩慢增大。對(duì)于高壓實(shí)度的純重塑土，干濕循環(huán)對(duì)于滲透系數(shù)的影響并不是很大。