濕干凍融循環(huán)下伊犁渠道膨脹土抗剪特性衰減研究

王森濤，姜海波，趙海蛟，喻天龍

（1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.伊犁河水利水電投資開發(fā)集團(tuán)有限公司，新疆 伊犁 835000；3.新疆兵團(tuán)勘測設(shè)計院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，新疆 石河子 832003）

0 引言

北疆伊犁河北岸干渠處于天山腹地，受溫帶大陸性氣候的影響，冬寒夏炎，渠道采用季節(jié)性供水的方式。膨脹土［1］多呈夾層狀分布于該干渠沿線的山前丘陵區(qū)，跨越4 個渠段，長度近1 km。由于膨脹土富含黏土礦物，浸水膨脹，失水縮裂，在運行周期中易受到干濕和凍融循環(huán)的影響，使淺層膨脹土發(fā)生表面開裂，強度衰減等不可逆損傷，隨著渠坡滲流通道豎直向下發(fā)育，土體逐層崩解剝落［2］，進(jìn)而誘發(fā)膨脹土渠道邊坡失穩(wěn)。

針對渠道膨脹土破壞失穩(wěn)的特點，一些學(xué)者［3-5］基于南水北調(diào)工程，結(jié)合非飽和滲流理論和裂隙誘導(dǎo)各向異性等角度，闡述了降雨對渠道膨脹土的破壞作用。為研究復(fù)雜環(huán)境下的渠道膨脹土抗剪特性的演化特征，黃震等［6，7］通過江淮地區(qū)的膨脹土干濕循環(huán)直剪試驗，揭示了膨脹土抗剪強度與循環(huán)次數(shù)和循環(huán)幅度呈負(fù)相關(guān)變化。朱銳等［8］通過常規(guī)直剪試驗，得出干濕循環(huán)條件下的膨脹土抗剪強度與表面裂隙率之間存在線性關(guān)系，延長排水時間能提高渠坡穩(wěn)定性。ZENG等［9，10］探討了凍融循環(huán)條件下膨脹土的變形特征，發(fā)現(xiàn)高含水率的膨脹土呈凍脹融縮的特點，低含水率土樣變形特征與高含水率相反。張琦等［11，12］通過試驗得出，含水率和凍融循環(huán)周期的增加會加劇膨脹土抗剪強度衰減，首次循環(huán)的劣化效果最為顯著。張浩［13］提出新的裂隙指標(biāo)，從宏-細(xì)-微3 個角度分析了膨脹土抗剪強度劣化的物理機(jī)制。

上述研究在分析渠道膨脹土的劣化問題上發(fā)揮了重要作用，但是研究對象主要集中在南方地區(qū)，對我國西北寒旱區(qū)膨脹土的抗剪強度特性研究較少，且試驗邊界多局限于單一干濕或凍融的循環(huán)模式以及常規(guī)應(yīng)力條件，對淺層膨脹土易受擾動的特點關(guān)注不足，對兩種循環(huán)模式疊加效果和抗剪強度指標(biāo)的衰減機(jī)理尚不明確，因此寒旱區(qū)渠道膨脹土抗剪強度特性隨濕干凍融循環(huán)的變化規(guī)律亟待進(jìn)一步深入研究。

本文考慮渠道膨脹土所處的應(yīng)力狀態(tài)與氣候環(huán)境，設(shè)計了不同干密度的膨脹土在單一干濕循環(huán)和濕干凍融循環(huán)條件下的低應(yīng)力直接剪切試驗，研究了不同條件下渠道膨脹土抗剪強度、黏聚力、內(nèi)摩擦角的變化特征，揭示了循環(huán)模式與干密度對渠道膨脹土抗剪特性衰減規(guī)律的影響，為研究寒旱區(qū)渠道膨脹土抗剪特性提供思路，為建立膨脹土渠坡穩(wěn)定性分析模型奠定基礎(chǔ)。

1 試樣制備和試驗方案

1.1 土樣基本性質(zhì)

試驗土料取自北疆伊犁地區(qū)渠系工程現(xiàn)場的黃色土樣，取土深度為1～2 m，進(jìn)行基礎(chǔ)土工試驗，得出各項參數(shù)如表1所示。根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》中膨脹潛勢分類規(guī)定，試樣自由膨脹率為52%，為典型弱膨脹土。

表1 土樣基本物理參數(shù)Tab.1 Basic physical parameters of soil samples

1.2 試樣制備

由于渠道經(jīng)過多年的運行與修復(fù)，含雜質(zhì)較多，故使用重塑土開展試驗。土料經(jīng)過碾碎和烘干處理后，過2 mm 標(biāo)準(zhǔn)的篩網(wǎng)，設(shè)土樣初始含水為21.0%（最優(yōu)含水率），將配制好的土樣作悶料24 h處理，當(dāng)土樣含水率與目標(biāo)含水相差小于1%時，土樣含水率制配完備。考慮到分層擊實的試樣可能在濕干凍融循環(huán)作用下發(fā)生分層斷裂，所以稱采用靜壓法一次成型。將稱量好的土樣裝入制樣模具，制備為高20 mm、直徑61.8 mm 的重塑土餅試樣，試樣質(zhì)量誤差應(yīng)小于0.1 g/cm3，膨脹土試樣如圖1所示。

圖1 膨脹土試樣Fig.1 Expansive soil sample

土樣設(shè)置兩種干密度，S1 為1.68 g/cm3，S2 為1.60 g/cm3，壓實度為分別為100%和95%。對應(yīng)渠基土在理想條件和實際運行過程中的壓實程度。共計88個試樣，每種干密度土樣分別配制11 組，每組4 個平行試樣，1 組進(jìn)行無循環(huán)作用的對照試驗，其余10 組分別進(jìn)行干濕循環(huán)作用與濕干凍融循環(huán)作用下的低應(yīng)力直剪試驗。

1.3 試驗方案

伊犁河北岸干渠采用季節(jié)性供水的方式，每年春季開始通水，秋季停水，加之沿線夏季最高地表溫度超過40 ℃，冬季地表溫度低至-30 ℃，惡劣的氣候?qū)η琅蛎浲列纬闪嗣黠@的濕干凍融循環(huán)作用?？紤]到渠道所處環(huán)境的復(fù)雜性，本研究對循環(huán)過程進(jìn)行簡化，設(shè)置循環(huán)次數(shù)為5 次，試驗設(shè)計方案如表2所示。

表2 試驗設(shè)計方案Tab.2 Experimental design scheme

（1）干濕循環(huán)。渠道通水期間，由于淺層膨脹土在滲流作用下近于飽和狀態(tài)，將此過程模擬為試樣增濕的過程，試驗采用浸水飽和48 h 的處理方法。停水后，渠道進(jìn)入失水干燥狀態(tài)，將渠道膨脹土自然干燥過程模擬為試樣在恒溫環(huán)境中脫濕的過程，試驗采用溫度設(shè)置為40 ℃的烘干試驗箱做脫濕處理。試樣干燥幅度為飽和含水率ws降至天然含水率w，干燥過程采用稱重法監(jiān)測。試樣連續(xù)經(jīng)歷以上2 種狀態(tài)的變化即為完成1次干濕循環(huán)。

（2）濕干凍融循環(huán)。當(dāng)沿線溫度降至0 ℃以下時，渠道開始凍結(jié)，將渠道膨脹土自然凍結(jié)過程模擬為試樣在恒低溫環(huán)境下凍結(jié)過程，試驗使用南京安奈試驗設(shè)備公司生產(chǎn)的凍融試驗機(jī)，溫度設(shè)定-20 ℃，凍結(jié)12 h。當(dāng)氣溫由負(fù)溫升至0 ℃以上后，渠身土體逐漸融化至凍結(jié)前狀態(tài)，將此過程模擬為試樣在恒溫環(huán)境中融化過程，設(shè)置凍融試驗機(jī)的溫度為20 ℃，時間為12 h。凍融過程中采用3 層保鮮膜包裹試樣并用橡皮圈固定，以減少試樣水分損失。試樣連續(xù)經(jīng)歷上述“濕—干—凍—融”4種處理后視為完成1次濕干凍融循環(huán)。

（3）直剪試驗。常規(guī)直剪實驗在100、200、300、400 kPa 的應(yīng)力范圍內(nèi)進(jìn)行，但膨脹土渠道邊坡失穩(wěn)多為淺層破壞，常規(guī)應(yīng)力下得到的抗剪強度偏高，會對穩(wěn)定性分析造成偏差。本研究對完成循環(huán)計劃的試樣進(jìn)行飽和處理，使用應(yīng)變控制式直剪儀在12.5、25.0、37.5、50.0 kPa 的低應(yīng)力范圍內(nèi)以0.08 mm/min的速率進(jìn)行快剪試驗。S1WDFT 指干密度為1.68 g/cm3的試樣進(jìn)行濕干凍融循環(huán)直剪試驗，S2WD 指干密度為1.60 g/cm3的試樣進(jìn)行干濕循環(huán)直剪試驗，以此類推，膨脹土試樣歷經(jīng)濕干凍融循環(huán)試驗流程如圖2所示。

圖2 渠道膨脹土濕干凍融循環(huán)試驗流程Fig.2 Wet-dry freeze-thaw cycle test flow of channel expansive soil

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 抗剪強度

圖3 為在4 種循環(huán)條件下渠道膨脹土試樣的抗剪強度值隨循環(huán)次數(shù)變化曲線，對比圖3（a）和（b）、（c）和（d）試驗結(jié)果，可見，相同干密度試樣的抗剪強度在2 種循環(huán)模式下的初始值相同，在隨后循環(huán)過程中，干濕循環(huán)后的強度值均大于濕干凍融循環(huán)作用下的強度值。在2 種循環(huán)模式下，試樣的抗剪強度均隨循環(huán)周期的增加呈一定的衰減趨勢，總體上曲線斜率于初次循環(huán)時最大，隨后逐漸降低，在3 次循環(huán)后逐漸趨于穩(wěn)定，這說明在5 次循環(huán)試驗中，抗剪強度值的衰減主要集中在前3 次，衰減最嚴(yán)重出現(xiàn)在第1次循環(huán)后。

圖3 不同法向應(yīng)力下試樣抗剪強度隨循環(huán)次數(shù)的變化Fig.3 The variation of shear strength of samples under different normal stresses with the number of cycles

為便于分析2 種循環(huán)模式對試樣強度衰減的影響，以法向應(yīng)力為12.5 kPa為例，如圖4所示，隨著循環(huán)周期的增加，2種循環(huán)模式下的抗剪強度衰減率逐漸增大，相同干密度試樣經(jīng)歷濕干凍融循環(huán)作用后的抗剪強度的衰減程度均大于濕干循環(huán)作用后的試樣，這說明濕干凍融循環(huán)的劣化作用較濕干循環(huán)更加明顯。在S1WDFT、S1WD、S2WDFT、S2WD 四種條件下，試樣抗剪強度經(jīng)歷初次循環(huán)后的衰減率分別為17.1%、12.5%、28.3%、18.9%，占對應(yīng)條件下總衰減率的40%～63%，其中濕干凍融循環(huán)作用后試樣的抗剪強度衰減幅度較干濕循環(huán)作用增加37%～50%，在其他法向應(yīng)力下也有類似現(xiàn)象。

對比（a）和（c）、（b）和（d）試驗結(jié)果，可見干密度對渠道膨脹土的抗剪強度有著顯著的影響，在相同的循環(huán)模式下，試樣的抗剪強度值與干密度呈正相關(guān)變化，這是因為試樣干密度越大，土顆粒越緊實，越不易被剪切破壞。

圖5 為第5 次循環(huán)后2 種干密度試樣的抗剪強度衰減率。在S1WDFT、S2WDFT、S1WD、S2WD 四種試驗條件下歷經(jīng)5 次循環(huán)，法向應(yīng)力為12.5 kPa 的試樣，抗剪強度衰減率分別39.4%、45.0%、31.2%、38.2%，當(dāng)試樣干密度由S1 降低為為S2時，試樣抗剪強度衰減程度相對增加13%～24%。隨著法向應(yīng)力增加，對應(yīng)抗剪強度衰減幅度逐漸下降。在50.0 kPa 法向應(yīng)力下，試樣5次循環(huán)后衰減率分別為31.0%、32.0%、24.5%、26.4%，此時干密度降低為S2 時的衰減率較S1 增加不足8%。這說明在相同法向應(yīng)力和循環(huán)模式下的，干密度與抗剪強度的衰減幅度呈負(fù)相關(guān)變化，法向應(yīng)力越小，試樣抗剪強度的衰減程度越明顯，干密度的降低對抗剪強度的劣化效果越明顯，印證了膨脹土渠道邊坡容易發(fā)生淺層失穩(wěn)的問題，在測定膨脹土強度特性時低應(yīng)力條件不容忽略。

圖5 第5次循環(huán)后2種干密度試樣抗剪強度衰減率Fig.5 Decay rate of shear strength of two dry density samples after the fifth cycle

2.2 抗剪強度指標(biāo)

基于摩爾-庫倫強度理論和所測抗剪強度值，求出抗剪強度指標(biāo)（黏聚力和內(nèi)摩擦角），結(jié)果如圖6所示。在干濕或濕干凍融循環(huán)過程中，抗剪強度指標(biāo)并非簡單的單向變化，而是兼具增大和減小的兩種趨勢。在土體擠壓或脫濕狀態(tài)下，“擠縮效應(yīng)”明顯，表現(xiàn)為土體吸力增大使土顆粒被拉緊，孔隙閉合，土骨架強度和土顆粒發(fā)生位移的阻力也隨之增大，造成土體的黏聚力和摩擦角增加；土體持續(xù)歷經(jīng)干濕或凍融循環(huán)作用后，“裂隙效應(yīng)”顯著，表現(xiàn)為土顆粒反復(fù)拉扯，土體的完整性和結(jié)構(gòu)性因土體內(nèi)部裂隙的發(fā)育而被破壞［14］，同時削弱了土顆粒間的嚙合能力，造成試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角降低。以上兩種效應(yīng)在循環(huán)過程中對試樣的影響程度不同，并且同一效應(yīng)對黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響程度也不盡相同，這就解釋了在一些學(xué)者的研究中出現(xiàn)內(nèi)摩擦角會隨著循環(huán)周期“波動”增減這一現(xiàn)象。

2.2.1 循環(huán)模式對抗剪強度指標(biāo)的影響

圖6為抗剪強度指標(biāo)隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線，可以看出，總體上試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角與循環(huán)次數(shù)呈負(fù)相關(guān)變化，相較于內(nèi)摩擦角的變化，黏聚力衰減規(guī)律更明顯。對比S1WDFT 和S1WD、S2WDFT 和S2WD 試驗結(jié)果可知，控制試樣干密度，采取濕干凍融循環(huán)模式下的抗剪強度指標(biāo)會進(jìn)一步減小。

圖7為同一干密度在不同循環(huán)模式下抗剪強度指標(biāo)衰減率隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線，試樣經(jīng)歷5 次干濕循環(huán)作用后黏聚力衰減率為34.1%～43.6%，經(jīng)歷5 次濕干凍融循環(huán)作用后黏聚力衰減率為44.0%～52.7%，衰減幅度相對擴(kuò)大了近20%，可見濕干凍融循環(huán)對黏聚力的劣化作用更顯著。與黏聚力類似，濕干凍融循環(huán)會增大內(nèi)摩擦角衰減幅度，但由于其衰減程度有限（數(shù)值變化不超過3°），所以循環(huán)作用對內(nèi)摩擦角的劣化作用低于黏聚力。

圖7 不同循環(huán)模式下抗剪強度指標(biāo)衰減率隨循環(huán)次數(shù)的變化Fig.7 Variation of the shear strength index decay rate with the number of cycles under different cycle modes

試樣在循環(huán)過程中的“裂隙效應(yīng)”作用大于“擠縮效應(yīng)”，試樣反復(fù)在失水收縮與吸水膨脹的狀態(tài)間轉(zhuǎn)換，使土體的整體性逐漸破壞，由于基質(zhì)吸力等因素試樣開始產(chǎn)生裂縫，原有的聯(lián)結(jié)被弱化，削弱了法向接觸與摩擦，在此導(dǎo)致試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角伴隨循環(huán)進(jìn)行而降低，隨后在凍融作用下［15］，水的相變使試樣反復(fù)縮脹，土粒間聯(lián)結(jié)繼續(xù)被破壞，使顆粒間隙變大結(jié)構(gòu)稀松，裂隙繼續(xù)拓展發(fā)育，使黏聚力在濕干凍融循環(huán)作用下衰減加劇，宏觀表現(xiàn)為濕干凍融循環(huán)中的凍融過程促進(jìn)了渠道膨脹土強度的降低。

2.2.2 干密度對抗剪強度指標(biāo)的影響

干密度對試樣的抗剪強度指標(biāo)同樣有顯著的影響，在相同的循環(huán)模式下，渠道膨脹土試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角與干密度總體上呈正相關(guān)變化，但衰減效果卻相反。圖8 為不同干密度下抗剪強度指標(biāo)衰減率隨循環(huán)次數(shù)變化曲線，當(dāng)試樣干密度由S1 降低為為S2 時，經(jīng)歷5 次循環(huán)作用后黏聚力的衰減率由34.1%～44.0%變化為43.5%～52.7%，衰減幅度相對增大20%～28%，而內(nèi)摩擦角的衰減率由9.8%～12.5%變化為5.2%～8.1%，衰減幅度相對減小35%～46%，表明試樣在干濕循環(huán)和濕干凍融循環(huán)條件下，黏聚力的衰減程度均隨著干密度的減小而增大，內(nèi)摩擦角的衰減程度卻相反，即試樣壓實程度的下降減緩了內(nèi)摩擦角的衰減，促進(jìn)了黏聚力的衰減。

圖8 不同干密度下抗剪強度指標(biāo)衰減率隨循環(huán)次數(shù)變化Fig.8 The decay rate of shear strength index varies with the number of cycles under different dry densities

在環(huán)刀的限制下，試樣徑向尺寸的脹縮程度隨干密度的降低而增強，“裂隙效應(yīng)”顯著，試樣的開裂程度逐漸增強，土顆粒間聯(lián)結(jié)作用減弱，從而加劇黏聚力的衰減。另外試樣在循環(huán)過程中會剝落出小顆粒，這些細(xì)粒容易滑入臨近的裂縫中，使試樣內(nèi)長裂隙逐漸被“裝填”為短裂隙［16］，而低干密度時試樣裂隙數(shù)目更多，更容易發(fā)生裂隙從長向短的轉(zhuǎn)化，這個過程一定程度上降低了土粒的滑動摩擦，同時削弱了土粒間的咬合摩擦，從而抑制了顆粒間摩擦特性，造成了在一定的干密度范圍內(nèi)試樣內(nèi)摩擦角的衰減程度與干密度呈現(xiàn)正相關(guān)變化的現(xiàn)象。以往對內(nèi)摩擦角變化的分析較少，本試驗結(jié)論與朱洵［17］的研究成果類似，但筆者認(rèn)為土體內(nèi)部破裂生成細(xì)粒并非僅在凍融過程下發(fā)生，單一的干濕作用也會使試樣裂隙附近的土顆粒團(tuán)出現(xiàn)破碎分解，裂隙被裝填后一定程度上抑制土樣摩擦特性。換而言之在兩種循環(huán)模式下，干密度越大，內(nèi)摩擦角衰減越多。

2.2.3 危險工況下抗剪強度指標(biāo)擬合

同時考慮渠道運行中凍融過程和干密度降低的情況，5 次循環(huán)結(jié)束后，試樣的黏聚力由26.5 kPa 降至9.3 kPa，內(nèi)摩擦角22.2°降至18.2°，衰減率分別為65%和18%?？梢姡旱蛻?yīng)力下考慮干密度衰減的試樣，濕干凍融循環(huán)作用對渠道膨脹土的劣化作用十分顯著，也更貼合實際工程。為了更準(zhǔn)確地預(yù)測循環(huán)作用對伊犁渠道膨脹土抗剪強度指標(biāo)的影響，為后期建立膨脹土渠坡穩(wěn)定性分析模型提供合理參數(shù)，取S1WDFT 和S2WDFT 條件下試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨循環(huán)次數(shù)的變化情況進(jìn)行指數(shù)函數(shù)擬合，分別表征渠道膨脹土抗剪強度指標(biāo)在建造初和運行中的危險工況。擬合式中相關(guān)系數(shù)R2均大于0.95，具體擬合函數(shù)見下式：

式中：n指循環(huán)次數(shù)；c指黏聚力，kPa；φ指內(nèi)摩擦角，（°）；e 指自然常數(shù)。

3 結(jié)論

針對北疆伊犁河北岸干渠內(nèi)膨脹土渠道邊坡在運行過程中密實程度降低且易失穩(wěn)的特點，對2 種干密度的渠道膨脹土試樣進(jìn)行了干濕和濕干凍融2 種循環(huán)作用的模擬，并于低應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行直剪試驗，得到以下結(jié)論。

（1）直剪試驗中法向應(yīng)力越小，試樣抗剪強度的衰減程度越大，干密度降低對強度的劣化效果越明顯，印證了膨脹土渠道邊坡容易發(fā)生淺層失穩(wěn)的問題，在測定膨脹土抗剪強度特性時低應(yīng)力條件不容忽略。

（2）濕干凍融循環(huán)作用加劇了試樣抗剪特性的衰減。試樣抗剪強度在初次濕干凍融循環(huán)作用后的衰減率占總衰減程度的40%以上，循環(huán)3 次后衰減速率減緩，5 次循環(huán)結(jié)束后濕干凍融循環(huán)作用下黏聚力的衰減程度較干濕循環(huán)作用增大20%，分析寒旱地區(qū)渠道膨脹土的抗剪特性應(yīng)同時考慮干濕和凍融的劣化作用。

（3）低干密度狀態(tài)對試樣抗剪特性的劣化更顯著。干密度越大的試樣，初始抗剪強度指標(biāo)越大，隨著循環(huán)過程中干密度降低，試樣黏聚力衰減幅度增大，內(nèi)摩擦角衰減程度降低，分析抗剪強度指標(biāo)增減機(jī)理時應(yīng)同時考慮“擠縮”和“裂隙”兩種效應(yīng)。

（4）根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和工程背景，將S1WDFT和S2WDFT設(shè)為渠道膨脹土建造初和運行中的危險工況，擬合出其抗剪強度指標(biāo)隨循環(huán)次數(shù)變化的函數(shù)關(guān)系式，為后期建立膨脹土渠坡穩(wěn)定性分析模型奠定基礎(chǔ)，為實際工程提供參照。