干濕循環(huán)下南水北調(diào)中線工程壓實壤土物理力學性質(zhì)研究

占世斌 張勝軍 何嬌

摘要：南水北調(diào)中線工程黃河以北的膨脹巖土邊坡一般采用壤土換填方法進行處理。由于降雨及蒸發(fā)等周期性變化原因，壓實壤土經(jīng)常處于干濕交替狀態(tài)，使壤土換填層產(chǎn)生一系列變形失穩(wěn)現(xiàn)象。選取壤土擾動樣，制成最優(yōu)含水率下不同壓實度的樣品，并開展干濕循環(huán)試驗，以模擬野外土體含水率反復變化的條件;通過分析不同壓實度、不同壓力條件下樣品物理力學特性隨時間的變化規(guī)律，研究了干濕循環(huán)作用對壓實壤土物理力學特性的影響。研究結(jié)果表明：干濕循環(huán)對不同初始壓實度壤土的抗剪強度所造成的影響不同;不同初始壓實度下，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增多，壤土黏聚力和內(nèi)摩擦角均不斷減小并最終趨于穩(wěn)定。研究成果可為渠坡穩(wěn)定性研究提供參考。

關(guān)鍵詞：壓實壤土; 干濕循環(huán); 物理力學性質(zhì); 南水北調(diào)中線工程

中圖法分類號：TU452 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.019

文章編號：1006 - 0081（2022）04 - 0113 - 05

0 引 言

南水北調(diào)中線工程黃河以北的新鄉(xiāng)-邢臺段大量分布具有弱至中等膨脹潛勢的膨脹巖土。對于中膨脹巖土邊坡和弱膨脹巖土過水及非過水斷面，一般采用壤土換填進行處理。2016年7月，暴雨誘發(fā)部分壤土換填層變形失穩(wěn)。由于缺乏對壤土換填層工程性狀的認識，應對此類渠坡失穩(wěn)現(xiàn)象時有許多難題尚待解決。

工程中，壓實填土往往受各種多變的自然環(huán)境因素影響，諸如降雨及蒸發(fā)的周期性變化、地下水位升降等干濕交替過程。壓實填土經(jīng)歷反復的增濕和減濕作用，物理力學性質(zhì)隨之發(fā)生顯著變化。馬歷權(quán)[1]指出，公路填方路堤干濕循環(huán)效應是導致路基路面開裂、不均勻沉降的重要影響因素;郝延周等[2]研究發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)壓實黃土的力學特性差異明顯，干濕循環(huán)對填方地基的變形影響較大;張芳枝等[3]發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)作用可導致壓實黏土的力學特性產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的變化;萬勇等[4]指出，干濕循環(huán)作用對不同壓實度黏土力學特性的影響是不可逆的體積收縮和大孔體積增多、微裂隙發(fā)育的綜合表現(xiàn);Kay等[5]指出，干濕循環(huán)作用后土體的抗拉強度明顯降低;趙俊宇等[6]指出孔隙變化是持水特性和強度參數(shù)劣化的內(nèi)在原因;劉宏泰等[7]發(fā)現(xiàn)，第一次干濕作用后壓實土體變形及強度的變化最為劇烈，3～5次后土體結(jié)構(gòu)達到新的動態(tài)平衡狀態(tài)，強度及變形趨于穩(wěn)定;趙天宇等[8]指出，干濕循環(huán)作用使土中膠結(jié)物溶蝕，孔隙貫通或擴張，土體中大孔隙增多，飽和含水率增大，持水能力降低，進而影響黃土的土-水特征曲線;袁志輝等[9]研究發(fā)現(xiàn)，多次干濕循環(huán)會使原狀黃土的結(jié)構(gòu)強度消失，和重塑黃土具有基本相同的強度特性和土體結(jié)構(gòu);王飛等[10]通過室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)作用使壓實黃土重新具有濕陷特性，即表現(xiàn)出二次濕陷的現(xiàn)象。南水北調(diào)中線工程非過水斷面壤土換填層存在干濕交替過程，而對于壓實壤土在干濕循環(huán)條件下的物理性質(zhì)及強度特性變化鮮有研究。基于此，以南水北調(diào)中線工程輝縣某標段壤土換填層為研究對象，通過一系列的室內(nèi)試驗對干濕循環(huán)條件下壤土的物理性質(zhì)及強度特性進行綜合研究，探討了壤土在干濕循環(huán)下的強度變化規(guī)律，對分析預測渠坡穩(wěn)定性、掌控渠道安全性、主動防控渠坡變形破壞、減少渠道運行風險具有重要的現(xiàn)實意義。

1 研究思路及方法

1.1 試驗材料及制備

試驗用壤土為黃褐色粉質(zhì)壤土，含砂及少量鈣質(zhì)結(jié)核。按照GB/T 50123-2019《土工試驗方法標準》[11]進行顆粒分析、界限含水率、輕型擊實試驗。土樣顆粒級配如圖1所示，其顆粒組成為粉粒73.2%，黏粒20.4%;液限30.7%，塑限15.3%，塑性指數(shù)15.4，最優(yōu)含水率15.2%，最大干密度1.83 g/cm3。

為保證試驗用土物理性質(zhì)的均勻性，將壤土混合樣風干、碾碎，過2 mm篩。根據(jù)最優(yōu)含水率將過篩土樣配水拌勻后于密封容器內(nèi)靜置24 h，再按設(shè)計干密度稱取對應質(zhì)量的土樣，采用擊樣法將其擊入環(huán)刀內(nèi)，制備壓實度分別為0.90， 0.95， 1.00的樣品各三組，對應干密度分別為1.65，1.74 g/cm3和1.83 g/cm3，含水率15.2%，試樣直徑61.8 mm，高20 mm。

1.2 試驗方法及要求

將壓實度0.90，0.95，1.00的三組制備樣進行干濕循環(huán)試驗，模擬野外土體含水率反復變化的條件。在0，12.5，25.0 kPa壓力下，分別在1，2，3，4，5，6個月時，測試制備樣的抗剪強度、含水率、干密度及壓實度;分析不同壓實度、不同壓力條件下樣品物理力學性質(zhì)隨時間變化的規(guī)律。

選用WZ-2無荷膨脹儀進行0 kPa壓力試驗，選用GJZ-1三聯(lián)固結(jié)儀及ZYY-3型直剪預壓儀進行進行12.5， 25.0 kPa壓力試驗。試驗步驟如下。

（1） 0 kPa壓力干濕循環(huán)。① 將制備好的試樣置于無荷膨脹儀內(nèi)，安裝百分表，記錄百分表初始讀數(shù)，向容器內(nèi)自下而上注入純水，保持水面高過試樣5 mm飽和48 h，記錄百分表讀數(shù)，稱量試樣質(zhì)量（簡稱“飽水0次”）。② 打開容器底部排水通道，水從通道內(nèi)排出;試樣在室內(nèi)環(huán)境下自然風干15 d，記錄百分表讀數(shù);將容器底部排水通道關(guān)閉，然后向容器內(nèi)注水并飽和48 h，記錄百分表讀數(shù);再打開排水通道，使試樣在室內(nèi)環(huán)境下自然風干15 d，記錄百分表讀數(shù)，稱量試樣質(zhì)量（簡稱“失水1次”）。③ 將容器底部排水通道關(guān)閉，然后向容器內(nèi)注水，飽和48 h后記錄百分表讀數(shù)，稱量試樣質(zhì)量（簡稱“飽水1次”）。②～③步驟為一個干濕循環(huán)周期，歷時34 d。④ 重復②～③步驟5次，即干濕循環(huán)6次。

（2） 12.5， 25.0 kPa壓力干濕循環(huán)。① 將制備好的試樣置于固結(jié)儀內(nèi)，安裝百分表，記錄百分表初始讀數(shù);施加12.5 kPa壓力，向容器內(nèi)自下而上注入純水，保持水面高過試樣5 mm飽和48 h，記錄百分表讀數(shù)，稱量試樣質(zhì)量。② 打開容器底部排水通道，水從通道內(nèi)排出，試樣在室內(nèi)環(huán)境下自然風干15 d，記錄百分表讀數(shù);將容器底部排水通道關(guān)閉，然后向容器內(nèi)注水并飽和48 h，記錄百分表讀數(shù);再打開排水通道，試樣風干15 d，記錄百分表讀數(shù)，稱量試樣質(zhì)量。③ 將容器底部排水通道關(guān)閉，然后向容器內(nèi)注水，飽和48 h后記錄百分表讀數(shù)，稱量試樣質(zhì)量。②～③步驟為一個干濕循環(huán)周期，歷時34 d。④ 重復②～③步驟5次，即干濕循環(huán)周期共6次。

25.0 kPa壓力干濕循環(huán)試驗步驟與12.5 kPa壓力時的步驟一致，但施加壓力為25.0 kPa。

（3） 直剪試驗干濕循環(huán)。將制備好的試樣置于直剪預壓儀內(nèi)，分別施加6.0，12.5，18.0，25.0 kPa壓力，干濕循環(huán)步驟同（2）所述，向容器內(nèi)注水，飽和48 h;打開容器底部排水通道，風干15 d;然后再注水飽和48 h，排水風干15 d;反復上述步驟。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 干濕循環(huán)對壤土物理性質(zhì)的影響

壤土制備樣經(jīng)過6個月的干濕循環(huán)，取得了不同壓實度壤土干濕循環(huán)物理指標如表1所示，并根據(jù)該試驗結(jié)果繪制了壤土干濕循環(huán)作用下含水率w、壓實度K與飽水次數(shù)關(guān)系曲線（見圖2～3）。

根據(jù)表1和圖2～3分析如下。

（1） 制備樣經(jīng)過1個周期的干濕循環(huán)，其飽和含水率達到最大值;隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土樣飽和含水率逐漸減小;經(jīng)過4次干濕循環(huán)，土樣飽和含水率趨于穩(wěn)定;土樣上覆荷載越大，其飽水后含水率越小。經(jīng)過分析，判斷該現(xiàn)象與土樣上覆荷載有關(guān)：① 在土樣含水率增加的過程中，土體軟化，而加載則使軟化的土體填充了黏粒間的部分孔隙;② 每一次試驗均有部分孔隙被填充，導致其飽和含水率逐漸減小。但是，土樣黏粒間的空隙不會被完全填充，所以經(jīng)過幾次干濕循環(huán)后，土樣的飽和含水率基本上不再變化。

（2） 在0 kPa壓力下，制備樣飽水后的壓實度達到最低值;隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，壓實度逐漸增大;經(jīng)過4次干濕循環(huán)，土樣壓實度趨于穩(wěn)定，但壓實度均低于初始壓實度。制備樣初始壓實度越小，土樣飽水后的壓實度降幅越大。

（3） 在12.5， 25.0 kPa壓力下，制備樣經(jīng)過3次干濕循環(huán)后，壓實度趨于穩(wěn)定并均大于初始壓實度;且土樣上覆荷載越大，其壓實幅度越大。

2.2 干濕循環(huán)對壤土力學性質(zhì)的影響

為了研究干濕循環(huán)作用對壓實壤土抗剪強度的影響，對經(jīng)歷0， 1， 2， 3， 4， 5， 6次干濕循環(huán)后的試樣分別進行直剪試驗，所得試驗成果如表2所示。壤土直剪強度參數(shù)（黏聚力、內(nèi)摩擦角）與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線如圖4～5所示。根據(jù)表2、圖4～5分析如下。

（1） 不同初始壓實度下，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多，壤土黏聚力和內(nèi)摩擦角均以冪函數(shù)形式呈降低趨勢，且前期衰減快、后期衰減慢，并最終趨于穩(wěn)定。該現(xiàn)象表明，工程中土體的工程特性雖然比較穩(wěn)定，但隨著干濕循環(huán)等風化作用不斷增強，壓實土體仍有可能表現(xiàn)出弱化現(xiàn)象，從而產(chǎn)生較大變形甚至導致工程破壞。

（2） 同一壓實度下，干濕循環(huán)對壤土黏聚力的影響比內(nèi)摩擦角大。經(jīng)過6次干濕循環(huán)后，在0.90壓實度下，黏聚力衰減20.7%，內(nèi)摩擦角衰減12.6%;在0.95壓實度下，黏聚力衰減21.7%，內(nèi)摩擦角衰減15.0%;在1.00壓實度下，黏聚力衰減23.0%，內(nèi)摩擦角衰減16.6%。

（3） 干濕循環(huán)對不同初始壓實度壤土抗剪強度的影響不同：壤土初始壓實度越大，其抗剪強度衰減越大。

3 結(jié) 論

（1） 壤土制備樣經(jīng)過1個周期的干濕循環(huán)，其飽和含水率達到最大值;隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土樣飽和含水率逐漸減小;經(jīng)過4次干濕循環(huán)，土樣飽和含水率趨于穩(wěn)定，且土樣上覆荷載越大，其飽水后含水率越小。在0 kPa壓力下，制備樣飽水后的壓實度達到最低值，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，壓實度逐漸增大;經(jīng)過4次干濕循環(huán)，土樣壓實度趨于穩(wěn)定但均低于初始壓實度;制備樣初始壓實度越小，土樣飽水后壓實度降幅越大;在12.5 kPa和25.0 kPa壓力下，制備樣經(jīng)過3次干濕循環(huán)，壓實度趨于穩(wěn)定并均大于初始壓實度，且土樣上覆荷載越大，其壓實幅度越大。

（2） 隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，壤土黏聚力和內(nèi)摩擦角均以冪函數(shù)形式呈降低趨勢，且前期衰減快、后期衰減慢并最終趨于穩(wěn)定。該結(jié)果表明：干濕循環(huán)作用使壓實土體表現(xiàn)出弱化現(xiàn)象，從而可能產(chǎn)生較大變形甚至邊坡破壞;干濕循環(huán)對不同初始壓實度壤土抗剪強度的影響明顯不同，即初始壓實度越大，抗剪強度衰減越大。

（3） 壤土的干濕循環(huán)是一個復雜的過程，其試驗工作量大;而壓實度、含水率、干濕循環(huán)幅度、干濕循環(huán)次數(shù)等諸多因素均影響著壤土的微觀結(jié)構(gòu)和強度。研究干濕循環(huán)作用對壓實壤土物理力學特性的影響，能夠為分析預測渠坡的穩(wěn)定性、主動采取防控措施、降低渠道運行風險提供理論基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1] 馬歷權(quán). 公路填方路堤縱向開裂機理的理論分析[J]. 冰川凍土，2011，33（4）：855-858.

[2] 郝延周，王鐵行，程磊，等. 考慮干濕循環(huán)影響的壓實黃土結(jié)構(gòu)性本構(gòu)關(guān)系[J]. 巖土力學，2021，42（11）：2977-2986.

[3] 張芳枝，陳曉平. 反復干濕循環(huán)對非飽和土的力學特性影響研究[J]. 巖土工程學報. 2010，32（1）：41-46.

[4] 萬勇，薛強，趙立業(yè)，等. 干濕循環(huán)對填埋場壓實黏土蓋層滲透系數(shù)影響研究[J]. 巖土力學，2015，36（3）：679-686，693.

[5] KAY B D，DEXTER A R.The influence of dispersible clay and wetting-drying cycles on the tensile strength of a red-brown carth[J]. Australian Journal of Soil Research，1992，30（3）：297-310.

[6] 趙俊宇，許增光，蔡軍瑞，等.干濕循環(huán)條件下重塑黃土強度與持水特性的試驗研究[J]. 水電能源科學，2021，39（9）：169-172，139.

[7] 劉宏泰，張愛軍，段濤，等.干濕循環(huán)對重塑黃土強度和滲透性的影響[J]. 水利水運工程學報，2010（4）：38-42.

[8] 趙天宇，王錦芳. 考慮密度與干濕循環(huán)影響的黃土土水特征曲線[J]. 中南大學學報（自然科學版），2012，43（6）：2445-2453.

[9] 袁志輝，倪萬魁，唐春，等.干濕循環(huán)下黃土強度衰減與結(jié)構(gòu)強度試驗研究[J].巖土力學，2017，38（7）：1894-1902，1942.

[10] 王飛，李國玉，穆彥虎，等.干濕循環(huán)作用下壓實黃土濕陷特性試驗研究[J]. 冰川凍土，2016，38（2）：416-423.

[11] GB/T50123-2019 土工試驗方法標準[S].

（編輯：高小雲(yún)）

Research on physical and mechanical properties of compacted loam of Middle Route Project of South-to-North Water Diversion under drying-wetting cycles

ZHAN Shibin1， ZHANG Shengjun2， HE Jiao2

（1. Yangtze River Engineering Construction Bureau， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan 430010， China; 2. Changjiang Institute of Survey Technical Research of Ministry of Water Resources， Wuhan 430011， China）

Abstract： For Middle Route Project of South-to-North Water Diversion， the expansive rock-soil canal slope in the north of the Yellow River is generally replaced with loam. Due to the periodic changes of rainfall and evaporation， the compacted loam is often in a wet-dry cycling condition which causes a series of phenomena such as deformation and instability of the loam replacement layer. By selecting disturbed samples of loam， different compaction samples under the optimal moisture content are prepared for the drying-wetting cycles test to simulate the repeated changes of moisture content of soils in the field. The physical and mechanical properties of the samples under different compaction and pressure conditions are analyzed， and the effects of drying-wetting cycles on the physical and mechanical properties of compacted loam are studied. The results show that： under different initial compaction degrees， the cohesion and internal friction angle of loam decrease continuously and eventually tend to be stable with increase of drying-wetting cycles; the effects of drying-wetting cycles on the shear strength of loam are different under different initial compaction degrees.

Key words： compacted loam; drying-wetting cycles; physical and mechanical property; Middle Route Project of South-to-North Water Diversion