滇南斷陷盆地膨脹土路基抗剪強度水敏性特征試驗

李 濤

(中鐵十七局集團第二工程有限公司，陜西 西安 710043)

巖土體水敏性是指土體遇水后產(chǎn)生的特性改變，是工程地質(zhì)、巖土工程、石油勘探等領(lǐng)域的重要研究課題[1]。膨脹土屬于典型的水敏性土之一，通常被定義為顆粒高分散、主要成分為黏土礦物、受環(huán)境濕熱變化影響大的高塑性黏土[2]。其具有“遇水膨脹、失水收縮”的脹縮性特征，由此容易導致路面開裂、隆起或沉陷的情況，降低工程質(zhì)量[3]。膨脹土受濕度狀態(tài)變化影響非常大，強烈的水土相互作用會影響膨脹土邊坡的穩(wěn)定性。

1 研究背景

彌勒至蒙自鐵路位于云南省東南部，北起云桂鐵路彌勒站，向南途經(jīng)彌勒市、開遠市，止于紅河州州府蒙自市，與玉溪至蒙自至河口鐵路、沿邊鐵路(文山至蒙自至普洱)相銜接。本線將成為滇中城市群與滇東南地區(qū)的城市群間城際客流運輸?shù)闹匾煌ㄟ\輸線，也是我國西南地區(qū)出境至越南及東盟國家的泛亞鐵路東通道的組成部分，地理位置十分重要。

彌勒至蒙自鐵路某段地表為黏土(松軟土)厚度1.5～6 m；下部為第三系的中強膨脹土，厚度>50 m，地下水埋深1～2 m。該段開挖深度較深，設(shè)計按兩級邊坡防護考慮。一、二級邊坡坡率均為1∶2。路基邊坡膨脹土大量發(fā)育，土體工程地質(zhì)條件差，工程開挖及降雨擾動會對土的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)性等產(chǎn)生影響，導致誘發(fā)邊坡遛坍的風險。

因強降雨導致該段路基邊坡的后半段左側(cè)一、二級邊坡表層約2 m厚土體出現(xiàn)局部溜塌。上、下層相錯0～130 cm(順斜坡面)。坡頂出現(xiàn)裂縫，縫寬0～18 cm。該段一二級邊坡未施做防護工程。

為明確強降雨影響下的膨脹土路基邊坡遛塌成因，研究該區(qū)域土的水敏性效應與變動特征，采用考慮不同含水量及干濕循環(huán)條件下的路基土土體強度變化規(guī)律，研究其抗剪強度的水敏性，從而為后續(xù)施工、工后控制路塹邊坡穩(wěn)定性提供依據(jù)，并為相似工程提供參考。

2 試驗土樣與試驗方法

2.1 試驗土樣

土樣取自新建彌勒至蒙自鐵路某段膨脹土路基邊坡，選取兩處取土地點，土1#取自溜塌段，土2#取自未溜塌段，取土深度2～4 m。土1#為棕黃-紅褐色，硬塑，裂隙發(fā)育，局部見灰白色填充物；土2#為灰白-棕黃色，硬塑，裂隙較發(fā)育。其相關(guān)試驗數(shù)據(jù)結(jié)果見表1。

表1 膨脹土的基本物理性質(zhì)

2.2 不同含水量條件下強度試驗方法

試驗采用擾動土樣，將現(xiàn)場取回的膨脹土烘干，并將其碾碎過2 mm篩，根據(jù)路基土的天然密度，計算出在不同含水量下配制每個試樣所需的干土和水量(擬配置16%、22%、28%、34%共4組不同含水量的試樣)。將制備好的重塑土試樣進行直剪試驗，試驗按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)的方法及步驟進行：采用應變控制式直剪儀，將不同含水量條件下的每組試樣分別在100、200、300、400 kPa四種垂直壓力下進行直剪試驗。

2.3 干濕循環(huán)條件下強度試驗方法

干濕循環(huán)試驗每種土樣采用4組重塑樣。在試樣上、下面各用一張濾紙和一塊透水石覆蓋，以防止土樣吸水膨脹后引起土粒散落；將留取試樣置于一大器皿中，底部留置定量的水，水面與下透水石頂平高；用噴霧設(shè)備在透水石上連續(xù)噴水實現(xiàn)加濕過程，每天每6 h噴灑1次，每次到試樣不再吸水為止，這樣使試樣吸水2 d完成一次飽水的過程。2 d后將飽水的試樣稱重并放入烘干箱中，設(shè)定其溫度為40 ℃(模擬自然條件下的最高氣溫)，留置24 h后再稱重，如此即完成1次干濕循環(huán)過程。各組重塑樣品分別實施0、2、4及6次干濕循環(huán)。干濕循環(huán)過程含水量變化如圖1所示。

圖1 干濕循環(huán)過程含水量變化圖

將完成擬定干濕循環(huán)次數(shù)的試樣充分飽水達到初始含水量(28%)，逐個進行直剪試驗測定其抗剪強度，施加的豎直壓力分別為100、200、300、400 kPa共4級。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 膨脹土含水率對抗剪強度性能的影響

膨脹土作為一種特殊的非飽和黏性土，具有黏粒含量高及干縮濕脹的特點，因此干濕循環(huán)變化會改變土顆粒之間的粘結(jié)作用，影響其抗剪特性。通過直剪試驗得到2種土樣在不同含水量下抗剪強度數(shù)據(jù)，見表2。

表2 不同含水量下的抗剪性能變化

分析數(shù)據(jù)可知，該地段路基土的強度隨含水量的變化十分敏感，含水量的增加導致膨脹土的黏聚力和內(nèi)摩擦角顯著降低。土的含水量從16%增大到34%，土1#黏聚力由96.4 kPa降低到27.2 kPa，內(nèi)摩擦角由24.6°降低到1.5°，黏聚力衰減71.8%，內(nèi)摩擦角降低93.9%；土2#黏聚力由98.8 kPa降低到25.7 kPa，內(nèi)摩擦角由23.2°降低到7.3°，黏聚力衰減74.0%，內(nèi)摩擦角降低68.5%。由此可見該地段路基土的強度隨含水量的變化十分敏感，含水量的增加導致膨脹土的黏聚力和內(nèi)摩擦角顯著降低。

圖2、圖3給出了兩種土樣在不同含水量下的黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化曲線，可以看出兩種土樣的黏聚力衰減趨勢相同，但是土1#(溜塌段)的內(nèi)摩擦角的衰減幅度更大。土的內(nèi)摩擦角體現(xiàn)了土的摩擦特性，內(nèi)摩擦角大幅衰減表示溜塌段土體的顆料表面摩擦力、顆粒間的嵌入和連鎖作用產(chǎn)生的咬合力被大大降低。在強降雨的作用下，邊坡土體的含水量急劇增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角大幅下降，邊坡土體抗剪強度降低，尤其是坡體表層更易受雨水影響從而導致坡體的溜塌。

圖2 黏聚力與含水量變化圖

圖3 摩擦角度與含水量變化圖

3.2 干濕循環(huán)對膨脹土抗剪性能的影響

干濕循環(huán)會使土體的力學性質(zhì)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化，對巖土體的微細觀結(jié)構(gòu)造成一定的損傷，引起強度的劣化。表3給出了干濕循環(huán)條件下兩種土樣的抗剪強度性能變化。圖4、圖5給出了黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化曲線。

表3 干濕循環(huán)下的抗剪性能變化

圖4 干濕循環(huán)過程黏聚力的變化

圖5 干濕循環(huán)過程內(nèi)摩擦角的變化

由干濕循環(huán)條件下兩種土樣的抗剪強度性能變化情況以及黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化曲線可知：土樣在6次干濕循環(huán)條件后，土1#黏聚力由43.4 kPa降低到30.8 kPa，內(nèi)摩擦角由5.2°降低到3.3°，黏聚力衰減29.7%；土2#黏聚力由40.8 kPa降低到31.6 kPa，內(nèi)摩擦角由10.5°降低到7.9°，黏聚力衰減22.5%。由此可見，在干濕循環(huán)條件下，兩種土樣的黏聚力的衰減程度都比較明顯，黏聚力隨著土的干濕循環(huán)次數(shù)的增多總的趨勢是下降的；而內(nèi)摩擦角總體上雖有下降但是變化的幅度很小。

兩種試驗土樣經(jīng)過6次干濕循環(huán)后，其抗剪強度分別如圖6和圖7所示，從圖中可以看出，原膨脹土經(jīng)干濕循環(huán)后抗剪強度明顯下降，在前四次干濕循環(huán)中強度衰減較為明顯，然后強度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，主要原因是在反復干濕循環(huán)過程中，裂隙會慢慢發(fā)育， 土樣則漸漸松弛； 而且干濕循環(huán)影響了土的粒間聯(lián)結(jié)，加劇了土顆粒排列結(jié)構(gòu)的松散性，加大了孔隙空間。因此，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增大，試樣的抗剪強度慢慢降低?？梢哉J為該段邊坡的膨脹土體經(jīng)過四次干濕循環(huán)后，強度衰減已基本完成。

圖6 干濕循環(huán)條件下土樣1#抗剪強度變化

圖7 干濕循環(huán)條件下土樣2#抗剪強度變化

由此可見，在干濕循環(huán)條件下，兩種土樣的黏聚力的衰減程度都比較明顯，黏聚力隨著土的干濕循環(huán)次數(shù)的增多總的趨勢是下降的；內(nèi)摩擦角總體上雖有下降但變化的幅度很小。

4 結(jié) 語

(1)該段路基邊坡膨脹土的抗剪強度與含水量密切相關(guān)。含水量升高，膨脹土的抗剪強度顯著降低，同時溜塌段土的內(nèi)摩擦角衰減幅度更大。土樣含水量從16%增大至34%，黏聚力降低71.8%～74%，內(nèi)摩擦角降低68.5%～93.9%。

(2)黏聚力隨著土的干濕循環(huán)次數(shù)的增加，下降趨勢明顯，而內(nèi)摩擦角總體上雖有下降但是變化的幅度較小。土樣進行6次干濕循環(huán)后，黏聚力下降22.5%增大至29.7%，內(nèi)摩擦角降低10.5%～36.5%。

(3)水敏性試驗結(jié)果揭示了在降雨條件下，路基邊坡膨脹土的含水量升高導致抗剪強度明顯下降，多次降雨(干濕循環(huán))加劇了土體強度的衰減，最終致使坡體溜塌破壞。

(4)根據(jù)非飽和土的抗剪強度理論，淺表層土體因降雨導致吸力區(qū)范圍減小，從而導致抗剪強度因為基質(zhì)吸力的喪失而降低。淺表層土體的孔隙水壓力升高，使有效應力下降，進而導致土體的抗剪強度下降。