干濕循環(huán)作用下岸坡土力學(xué)性能試驗(yàn)分析 ①

張慶海, 武立華， 劉春雷， 李 想

(綏化學(xué)院農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院，黑龍江 綏化 152000)

0 引 言

江河海岸的岸坡土體與一般的土有所不同，土體會(huì)隨著江河水位的升降變化而發(fā)生干濕交替的過(guò)程，正是因?yàn)榻铀坏纳凳沟冒镀峦馏w處于反復(fù)的干濕循環(huán)中，導(dǎo)致其強(qiáng)度呈明顯的下降趨勢(shì)和變動(dòng)性，最終造成岸坡的變形和破壞。對(duì)于干濕循環(huán)國(guó)內(nèi)已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。宋洋等人通過(guò)對(duì)原狀黃土進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)與理論分析的方法進(jìn)行分析。黃土的割線(xiàn)模量隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多而減小，1-3次時(shí)變化幅度較大，3-5次之后幅度變化不大，且趨于穩(wěn)定[1]。曹玲等人通過(guò)三軸試驗(yàn)對(duì)經(jīng)過(guò)多次干濕循環(huán)后三峽庫(kù)滑坡帶土飽和試樣的凝聚力和內(nèi)摩擦角的下降情況進(jìn)行了研究[2]。郝延周等人通過(guò)對(duì)壓實(shí)黃土進(jìn)行不同路徑的干濕循環(huán)與三軸剪切試驗(yàn)，得出干濕循環(huán)對(duì)壓實(shí)黃土的三軸剪切特性影響顯著[3]。通過(guò)對(duì)松花江哈爾濱段—阿勒錦島岸坡的原狀土與經(jīng)過(guò)反復(fù)干濕循環(huán)后的土體進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析，研究干濕循環(huán)過(guò)程對(duì)岸坡土體強(qiáng)度特性的影響效應(yīng)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備和干濕循環(huán)樣的制備

1.1.1 壓縮與直剪試樣的制備

壓縮試樣與直剪試樣均采用φ=61.8mm,h=20mm的環(huán)刀從現(xiàn)場(chǎng)取土。取回后測(cè)量土樣含水量，稱(chēng)量每個(gè)環(huán)刀土樣的總重；通過(guò)試驗(yàn)表明，土體在經(jīng)過(guò)三次干濕循環(huán)后土中的孔隙結(jié)構(gòu)及顆粒排列就趨于穩(wěn)定，對(duì)于壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)最多進(jìn)行3次干濕循環(huán)。所以選取密度相近(密度差值≤0.03g/cm3)的4個(gè)試樣為壓縮試樣，為保障試樣的順利進(jìn)行，額外增加4組備用樣，所以壓縮試驗(yàn)共需備8個(gè)環(huán)刀試樣。對(duì)于直剪試驗(yàn)，土樣同壓縮試驗(yàn)土樣，共需32個(gè)試樣。共計(jì)40個(gè)環(huán)刀試樣。

1.1.2 三軸試樣的制備

試驗(yàn)采用重塑土樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，并采用擊實(shí)的方法制備。試樣直徑為39.1mm，高度為80mm。按原狀土的含水率和密度(w=23.3%，ρ=2.05g/cm3)配制土樣。根據(jù)要求的密度，稱(chēng)取所需土的質(zhì)量，然后將土分為均等的5份，分層裝入飽和容器內(nèi)，每層土料的質(zhì)量、分層擊實(shí)宇每層的錘擊數(shù)目相等。當(dāng)每層錘擊完成后，將土層表面刨毛，再加下一層的土料，如此反復(fù)，直至最后一層。從試樣中選取與原狀土密度最接近的土樣作為試樣，并選取其中密度相近(密度插值≤0.05g/cm3)的三個(gè)圓柱樣為一組三軸試樣，試驗(yàn)設(shè)計(jì)最多進(jìn)行3次干濕循環(huán)，故加上原狀土共需備4組試樣，為保障試驗(yàn)的順利進(jìn)行，另備4組備用樣，所以共備8組試樣，總共24個(gè)圓柱試樣。

1.1.3 干濕循環(huán)樣的制備

試樣進(jìn)行干濕循環(huán)，將試樣在溫度50°的烘箱中烘干至恒重，期間每隔一段時(shí)間就稱(chēng)重，達(dá)到恒重時(shí)，將試樣浸水飽和72h，直到水不再滲入為止，此即為一個(gè)干濕循環(huán)過(guò)程。將完成干濕循環(huán)的試樣放在室外自然狀態(tài)下風(fēng)干至初始質(zhì)量，風(fēng)干過(guò)程不間斷的記錄試樣的質(zhì)量，尤其試樣質(zhì)量塊接近原始質(zhì)量時(shí)，記錄的間隔要盡量短。之后將風(fēng)干后的試樣放入保濕缸中保濕72h，取出稱(chēng)重，以確保試樣在干濕循環(huán)前后的含水率一致。

1.2 對(duì)比試樣設(shè)計(jì)

1.2.1 固結(jié)試驗(yàn)

將原狀土樣和經(jīng)過(guò)不同干濕循環(huán)次數(shù)的每組試樣放置于有側(cè)限條件的壓縮容器內(nèi)，對(duì)每組試樣分四級(jí)50kPa，100 kPa，200 kPa，300 kPa加壓，每級(jí)加壓時(shí)間為24h[4]。在計(jì)算機(jī)操縱軟件上讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，研究干濕循環(huán)對(duì)岸坡土體壓縮特性的影響。

1.2.2 直接剪切試驗(yàn)

采用四聯(lián)電動(dòng)直剪儀，將已經(jīng)完成干濕循環(huán)并養(yǎng)護(hù)好的每組4個(gè)試樣分別在100kPa,200kPa，300kPa，400kPa的垂直壓力下進(jìn)行快剪試驗(yàn)，剪切速率控制在0.8mm/min[5]。讀取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，剪切應(yīng)力的最大值即為該級(jí)壓力下的剪切強(qiáng)度。

1.2.3 三軸壓縮試驗(yàn)

將已經(jīng)完成干濕循環(huán)并且養(yǎng)護(hù)好的每組3個(gè)試樣，分別在100kPa，200kPa，300kPa的圍壓下進(jìn)行不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)(UU)。緩慢施加軸向壓力剪切至破壞，剪切速率控制為0.2mm/min，試驗(yàn)終止的條件為最大軸向應(yīng)變15%。

2 試驗(yàn)成果分析

2.1 反復(fù)干濕循環(huán)對(duì)壓縮特性的影響

2.1.1 壓縮試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

對(duì)原狀土和干濕循環(huán)后的試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 干濕循環(huán)岸坡土的壓縮系數(shù)指標(biāo)

2.1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

土體的壓縮系數(shù)在干濕循環(huán)作用下的變化規(guī)律及擬合曲線(xiàn)，如圖1所示。根據(jù)表1可知，未經(jīng)歷干濕循環(huán)土樣的壓縮系數(shù)最小，而當(dāng)經(jīng)歷了三次干濕循環(huán)后的土樣的壓縮系數(shù)最高。另外還可以得出相同的孔隙比下，干濕循環(huán)樣對(duì)應(yīng)的豎向壓力比原狀土的小很多，這可能是由于土體在干燥-吸濕的過(guò)程中，試樣中的最小孔隙有所增大造成。文獻(xiàn)[6]表明，土體在脫濕的過(guò)程中，土體內(nèi)水量的排出是由結(jié)構(gòu)中最小的孔隙起控制作用的。由此可以分析，土體在經(jīng)過(guò)反復(fù)的干濕循環(huán)后，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了一些變化，土體中最小的孔隙有所增大，這種變化可能是由于有機(jī)鹽溶質(zhì)的流失或干濕循環(huán)導(dǎo)致土的結(jié)構(gòu)排列發(fā)生變化導(dǎo)致。

圖1 壓縮系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

從圖1曲線(xiàn)中可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體的壓縮系數(shù)是逐漸增大的，且變化的幅度較大。這可以理解為土樣在經(jīng)過(guò)反復(fù)的干燥和濕化的過(guò)程中，微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，土樣中的最小孔隙比有所增大，可能在局部出現(xiàn)微小裂隙通道，使得土樣中的水分更容易被排出，所以壓縮系數(shù)也逐漸的增大。

2.2 反復(fù)干濕循環(huán)對(duì)抗剪強(qiáng)度影響的直剪試樣研究

2.2.1 直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)原狀土和干濕循環(huán)后的試樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 直剪試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)得出岸坡土在不同干濕循環(huán)次數(shù)下抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的變化規(guī)律，如圖2所示。

圖2 不同干濕循環(huán)次數(shù)下岸坡土抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的關(guān)系

從圖2可以看出在相同的豎向荷載下，原狀土的抗剪強(qiáng)度要比干濕循環(huán)后的土的高，尤其是在經(jīng)過(guò)了第一次的干濕循環(huán)后，土體強(qiáng)度的降低幅度尤為明顯，而之后的干濕循環(huán)， ,相同豎向應(yīng)力下的抗剪強(qiáng)度變化不大。

從表2可以看出，抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，其數(shù)值是逐漸減小的，尤其是凝聚力，在第一次的干濕循環(huán)過(guò)程中，下降幅度最大，而隨著循環(huán)次數(shù)的增加下降幅度則是越來(lái)越小，這與文獻(xiàn)[6]中的研究成果具有一致性，即土體在經(jīng)過(guò)3次干濕循環(huán)后，土中孔隙的結(jié)構(gòu)就趨于穩(wěn)定。

對(duì)于內(nèi)摩擦角，在第一次的干濕循環(huán)過(guò)程中，下降幅度很大，而后的變化雖然稍有起伏，但是總體變化趨勢(shì)不明顯。對(duì)于土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)的這種變化來(lái)說(shuō)，可能是由于土體在反復(fù)干濕循環(huán)的過(guò)程中，經(jīng)歷了多次的含水率變化路徑，土體內(nèi)部的顆粒組成成分、排列方式及微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，鹽溶質(zhì)的流失、細(xì)小裂隙通道的連通等削弱了土顆粒間的聯(lián)結(jié)力，并且土體內(nèi)的最小孔隙比有所增大，使岸坡土體產(chǎn)生了一定的強(qiáng)度降低效應(yīng)，凝聚力和內(nèi)摩擦角的的降低實(shí)際上是土的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的宏觀上的反映，這一想法還有待通過(guò)土體的微觀結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)來(lái)證實(shí)。

2.3 反復(fù)干濕循環(huán)對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)影響的三軸壓縮試驗(yàn)研究

2.3.1 不固結(jié)不排水三剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)原狀土試樣和干濕循環(huán)后的試樣進(jìn)行不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由試驗(yàn)結(jié)果得出不同干濕循環(huán)次數(shù)下偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖3至圖5所示。

圖3 干濕循環(huán)1次偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

圖4 干濕循環(huán)2次偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

圖5 干濕循環(huán)3次偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

可以看出，在第一次干濕循環(huán)后，土的抗剪強(qiáng)度下降幅度較為明顯，第二、第三次干濕循環(huán)抗剪強(qiáng)度變化幅度不大。并且可以從圖中看出土體產(chǎn)生相同應(yīng)變的應(yīng)力減小了，土樣破壞時(shí)的強(qiáng)度也有所降低，試樣的剪切破壞形式一般表現(xiàn)為鼓脹破壞。但與直剪試驗(yàn)的數(shù)據(jù)相比較，在第一次干濕循環(huán)時(shí)，三軸剪切試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度降低的幅度要比直剪試驗(yàn)的小，這可能是由于三軸試驗(yàn)的受力孔隙壓力及試樣的體積變化，使試樣在最為薄弱的位置發(fā)生剪切破壞，而不像直剪試驗(yàn)?zāi)菢?，固定好了剪切破壞位置的原因。從?可以看出土體的內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)的次數(shù)變化稍有起伏，但是總體來(lái)看變動(dòng)不大，并且摩擦角的數(shù)值均較小，這可能是由于所取土體為細(xì)粒粉土，顆粒級(jí)配不良，顆粒之間的滑動(dòng)摩擦與鑲嵌而產(chǎn)生的咬合摩擦較小的原因。同時(shí)還可以看出土體凝聚力隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈逐漸下降的趨勢(shì)；在第一次干濕循環(huán)時(shí)的下降幅度較大，在第三次后從曲線(xiàn)看出下降趨勢(shì)變得平緩，也就是說(shuō)趨于穩(wěn)定，這與直剪試驗(yàn)得出的結(jié)論是相吻合的。凝聚力是由土顆粒相互連結(jié)而成的，主要與土的強(qiáng)度有關(guān)。土體在經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)凝聚力下降了，可能是因?yàn)橥馏w在反復(fù)干濕的過(guò)程中，土體內(nèi)原生隱微裂隙的擴(kuò)張、加深，部分短小裂隙的連通，以及水進(jìn)入土體產(chǎn)生的靜水壓力與動(dòng)水壓力等，使土體的骨架結(jié)構(gòu)遭受到了不同程度的破壞，在剪切的過(guò)程中發(fā)展成為滑裂面，使得土的強(qiáng)度參數(shù)逐漸減小。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)阿勒錦島岸坡土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，進(jìn)行常規(guī)的固結(jié)試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)來(lái)研究干濕循環(huán)下岸坡土的變形和強(qiáng)度變化。得出以下結(jié)論：

(1)從取土位置來(lái)看，阿勒錦島此處土體的壓縮性能較低，這可能與修建環(huán)島公路時(shí)此處可能被壓實(shí)過(guò)有關(guān)；另通過(guò)干濕循環(huán)試驗(yàn)表明，土體的壓縮性能受干濕循環(huán)效應(yīng)的影響較大，經(jīng)過(guò)反復(fù)的干濕循環(huán)后，土體的壓縮系數(shù)大幅度增大，即壓縮性增高，這可能會(huì)導(dǎo)致在洪水期消退時(shí)，此處的土體很有可能會(huì)因?yàn)樵谒械慕蒿柡停尘哿眲∠陆?，土中孔隙擴(kuò)大，然后土粒之間分散開(kāi)來(lái)，隨著水流而流失。

(2)通過(guò)試驗(yàn)對(duì)岸坡原狀土和經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)后的土體進(jìn)行強(qiáng)度特性對(duì)比研究，得出結(jié)論：岸坡土的強(qiáng)度較低，易受外部荷載的作用而發(fā)生滑動(dòng)破壞；干濕循環(huán)會(huì)降低岸坡土的總體強(qiáng)度。土體經(jīng)歷干濕循環(huán)后，在外力作用下，產(chǎn)生相同應(yīng)變所需的應(yīng)力減小，土樣破壞形式一般表現(xiàn)為剪脹破壞；抗剪強(qiáng)度參數(shù)凝聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而降低，但是在經(jīng)過(guò)2-3次循環(huán)后，趨向于穩(wěn)定；但干濕循環(huán)對(duì)內(nèi)摩擦角的影響不大，φ值基本處于穩(wěn)定。

阿勒錦島岸坡土的性質(zhì)較差，從阿勒錦島的長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)利用來(lái)看，需要對(duì)阿勒錦島的岸坡進(jìn)行一些必要的加固防護(hù)措施，以防止岸坡在水位的升降及水流的淘刷下遭到破壞。