側(cè)限條件對(duì)干濕循環(huán)過程中膨脹土強(qiáng)度的影響

吳道祥,郭靜芳,熊福才,沈啟鵬,胡雪婷

(合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

側(cè)限條件對(duì)干濕循環(huán)過程中膨脹土強(qiáng)度的影響

吳道祥,郭靜芳,熊福才,沈啟鵬,胡雪婷

(合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

文章通過對(duì)合肥地區(qū)膨脹土進(jìn)行側(cè)限和無側(cè)限的干濕循環(huán)條件下的直接剪切試驗(yàn),探討了試驗(yàn)過程中強(qiáng)度側(cè)限條件對(duì)土樣干濕循環(huán)后的強(qiáng)度衰減情況的影響。研究結(jié)果表明:每次干濕循環(huán)后,有側(cè)限試樣的強(qiáng)度都高于無側(cè)限試樣的強(qiáng)度,其中,側(cè)限條件在前3次干濕循環(huán)中對(duì)膨脹土強(qiáng)度的影響較為明顯,在第4、第5次干濕循環(huán)后,無側(cè)限試樣與有側(cè)限試樣的內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角基本接近,表明隨著循環(huán)次數(shù)的增加,側(cè)限條件對(duì)膨脹土干濕循環(huán)條件下強(qiáng)度的衰減影響明顯減弱,直至可以忽略;在膨脹土地區(qū)工程實(shí)踐中,考慮安全因素,對(duì)于易受外界條件影響而產(chǎn)生干濕循環(huán)的膨脹土層,其強(qiáng)度應(yīng)采用原狀土樣強(qiáng)度的1/3。

側(cè)向約束條件;膨脹土;干濕循環(huán);內(nèi)聚力;內(nèi)摩擦角

0 引 言

膨脹土含有大量親水性礦物,導(dǎo)致其對(duì)水分變動(dòng)的敏感性尤為強(qiáng)烈,因此季節(jié)氣候中的干濕循環(huán)作用對(duì)有關(guān)膨脹土的工程實(shí)踐有著很大影響。有關(guān)干濕循環(huán)對(duì)于膨脹土工程性質(zhì)影響方面的研究主要有：文獻(xiàn)[1-3]研究了膨脹土抗剪強(qiáng)度與含水率、干濕循環(huán)次數(shù)、干濕循環(huán)幅度等控制參數(shù)的關(guān)系;文獻(xiàn)[4]研究了干濕循環(huán)對(duì)原狀土的抗剪強(qiáng)度的影響;文獻(xiàn)[5]研究了擊實(shí)膨脹土的干濕循環(huán)膨脹特性,表明干濕循環(huán)帶來的絕對(duì)膨脹率總是增大而相對(duì)膨脹率則降低;文獻(xiàn)[6]研究了膨脹土在不同約束條件下的膨脹特性,發(fā)現(xiàn)不同的約束狀態(tài)對(duì)膨脹土的含水率、密度、孔隙比和抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)有顯著影響;文獻(xiàn)[7]通過現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)研究了膨脹土在經(jīng)歷干濕循環(huán)作用前后的強(qiáng)度對(duì)比,發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了干濕循環(huán)后的膨脹土的軟化特征并不明顯,反復(fù)脹縮形成的裂隙發(fā)育成為導(dǎo)致膨脹土失穩(wěn)破壞的主要因素;文獻(xiàn)[8]研究了干濕循環(huán)附加壓力循環(huán)對(duì)改良后的膨脹土膨脹特性的影響,并用此來評(píng)估膨脹土經(jīng)歷長期的地質(zhì)作用后的穩(wěn)定性,另外發(fā)現(xiàn)了膨脹土的顯微結(jié)構(gòu)在第1次干濕循環(huán)后并無明顯變化,其在第4次干濕循環(huán)作用后才達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);文獻(xiàn)[9-10]探究了印度地區(qū)的黑棉土在經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后的性質(zhì)改變,發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)降低了土質(zhì)的穩(wěn)定性,但會(huì)增加石灰處理后黑棉土中的黏粒含量。干濕循環(huán)對(duì)膨脹土的作用使得許多路堤、邊坡工程在建成初期有著較好的穩(wěn)定性,但若干年后穩(wěn)定性會(huì)降低甚至發(fā)生破壞。

關(guān)于干濕循環(huán)對(duì)膨脹土影響的研究中,抗剪強(qiáng)度是很重要的一項(xiàng)指標(biāo)。對(duì)于經(jīng)歷了干濕循環(huán)膨脹土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn),前人已經(jīng)研究了含水率、循環(huán)次數(shù)、循環(huán)幅度等控制參數(shù)的影響。但是在以往的試驗(yàn)中基本采用環(huán)刀來給土樣施加剛性側(cè)限,限制了膨脹土膨脹過程中的側(cè)向膨脹變形,但在很多工程中,膨脹土在隨外界條件變化而脹縮變形時(shí)其側(cè)向的變形是存在的,特別是道路等淺表工程的膨脹土地基。因此側(cè)向約束條件對(duì)膨脹土干濕循環(huán)條件下強(qiáng)度的影響需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

本文分別制備了帶環(huán)刀(有側(cè)限)和無環(huán)刀(無側(cè)限)的原狀土樣和重塑土樣,經(jīng)過相同的干濕循環(huán)過程后再進(jìn)行直剪試驗(yàn),探討了側(cè)限條件對(duì)干濕循環(huán)作用下的膨脹土強(qiáng)度的影響和作用。

1 試驗(yàn)材料

該試驗(yàn)所需土樣材料取自合肥市某工地的膨脹土,取樣深度4.0～5.0 m,硬塑狀態(tài),其基本物理性質(zhì)見表1所列。

表1 土樣的基本物理性質(zhì)

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用原狀樣和重塑樣2組,每組包含20個(gè)無環(huán)刀試樣和24個(gè)有環(huán)刀試樣。

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)5次干濕循環(huán),干濕循環(huán)的幅度定為含水率20%～37%,以模擬合肥膨脹土在自然環(huán)境下的含水率變化。取4個(gè)有環(huán)刀樣為1個(gè)小組進(jìn)行直接剪切試驗(yàn),其余的20個(gè)無環(huán)刀試樣和20個(gè)有環(huán)刀試樣則每4個(gè)試樣為1個(gè)小組,分別進(jìn)行1～5次干濕循環(huán)。

將經(jīng)歷了0～5次干濕循環(huán)作用后的各小組試樣分別進(jìn)行50、100、200、400 kPa壓應(yīng)力下的直剪試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

無側(cè)限和有側(cè)限的原狀土試樣在經(jīng)歷了1～5次干濕循環(huán)后的狀態(tài)如圖1所示;無側(cè)限和有側(cè)限的重塑土試樣在經(jīng)歷了1～5次干濕循環(huán)后的狀態(tài)如圖2所示。從圖1、圖2可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,所有試樣的結(jié)構(gòu)逐漸遭到破壞,失水時(shí)裂縫的數(shù)量和寬度逐漸增大;特別是重塑樣,在后面幾次循環(huán)中失水干縮后再增濕膨脹時(shí)越來越多的裂縫都無法完全閉合;有側(cè)限試樣的厚度越來越大,無側(cè)限試樣的直徑越來越大;每次干濕循環(huán)后,無側(cè)限試樣的裂縫數(shù)量以及開裂程度明顯要高于有側(cè)限試樣的強(qiáng)度。這些現(xiàn)象表明:干濕循環(huán)會(huì)降低膨脹土的結(jié)構(gòu)完整性;膨脹土干濕循環(huán)過程中的側(cè)限條件對(duì)其結(jié)構(gòu)變形及裂縫發(fā)育等有著明顯的影響。

(a) 無側(cè)限原狀土樣

(b) 有側(cè)限原狀土樣圖1 無側(cè)限、有側(cè)限原狀土樣干濕循環(huán)后的狀態(tài)

(a) 無側(cè)限重塑土樣(b) 有側(cè)限重塑土樣圖2 無側(cè)限、有側(cè)限重塑土樣干濕循環(huán)后的狀態(tài)

通過對(duì)所有直剪試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理與分析,可以得到無側(cè)限和有側(cè)限的原狀土試樣在經(jīng)歷了不同次數(shù)干濕循環(huán)作用后的直剪試驗(yàn)強(qiáng)度曲線如圖3所示。

(a) 無側(cè)限原狀土樣

(b) 有側(cè)限原狀土樣圖3 無側(cè)限、有側(cè)限原狀土樣干濕循環(huán)后直剪試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可以分別計(jì)算出原狀土樣在經(jīng)歷不同次數(shù)干濕循環(huán)過程后的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角,如圖5所示。

重塑土樣干濕循環(huán)后的直接剪切試驗(yàn)如圖4所示。同樣地,由圖4可以分別計(jì)算出重塑土樣在經(jīng)歷不同次數(shù)干濕循環(huán)過程后的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，如圖5所示。

(a) 無側(cè)限重塑土樣

(b) 有側(cè)限重塑土樣圖4 無側(cè)限、有側(cè)限重塑土樣干濕循環(huán)后直剪試驗(yàn)成果

分析圖5可得以下結(jié)論。

(1) 每一次干濕循環(huán)后,無側(cè)限試樣的強(qiáng)度都低于相對(duì)應(yīng)的有側(cè)限試樣的強(qiáng)度;而且,從第2次循環(huán)開始,有側(cè)限的重塑土試樣抗剪強(qiáng)度僅次于有側(cè)限的原狀樣,而大于無側(cè)限的原狀樣和無側(cè)限的重塑樣,這一點(diǎn)在各組試樣的內(nèi)摩擦角上反映得更明顯。這一現(xiàn)象很好地說明了干濕循環(huán)過程中膨脹土的側(cè)限條件對(duì)其強(qiáng)度的影響。

(2) 隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,試樣的強(qiáng)度明顯在逐次降低,但在第4次干濕循環(huán)后,不論是有側(cè)限和無側(cè)限的,還是原狀樣和重塑樣,各組試樣的強(qiáng)度值均基本趨于穩(wěn)定。這一現(xiàn)象反映了干濕循環(huán)對(duì)膨脹土強(qiáng)度和性質(zhì)的影響非常強(qiáng)烈,僅4次循環(huán)后,膨脹土的初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度就破壞殆盡,導(dǎo)致原狀樣和重塑樣抗剪強(qiáng)度非常接近,而此時(shí)側(cè)限條件對(duì)其強(qiáng)度的影響也隨之降低到可以忽略不計(jì)。這也能從一個(gè)方面解釋為什么在實(shí)際工程中,膨脹土渠道邊坡沿線小型、淺層滑坡頻發(fā)、多發(fā)了。

(3) 隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,試樣的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角都隨之減小,其中,內(nèi)聚力在前3次循環(huán)中急劇降低,到第4次循環(huán)后,各類試樣的內(nèi)聚力值彼此非常接近;而內(nèi)摩擦角總體上降低幅度沒有內(nèi)聚力的大,往往僅經(jīng)過1次干濕循環(huán),各類試樣的內(nèi)摩擦角就基本穩(wěn)定下來。該現(xiàn)象說明了干濕循環(huán)對(duì)于內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的影響具有很大的差異。這一差異主要源于內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角來源的不同:內(nèi)聚力主要來源于顆粒之間的連結(jié),干濕循環(huán)對(duì)其影響顯著,這種影響也是逐漸加深的;而內(nèi)摩擦角僅源自于顆粒間的摩擦、咬合等外部作用,干濕循環(huán)對(duì)其影響不大,且僅1次循環(huán)就已將其影響發(fā)揮到位。

(a)

(b)圖5 干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角的影響

因?yàn)榕蛎浲粮蓾裱h(huán)過程可以看做是土體內(nèi)基質(zhì)吸力的反復(fù)加卸載導(dǎo)致土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的疲勞累積損傷過程[11],所以經(jīng)過前面幾次的干濕循環(huán)過后,膨脹土的強(qiáng)度會(huì)明顯降低,而在后續(xù)的干濕循環(huán)中,膨脹土結(jié)構(gòu)因前面的干濕循環(huán)已破壞到了一定程度,達(dá)到了某種新的穩(wěn)定和平衡,其性質(zhì)也將趨于一種穩(wěn)定狀態(tài),其強(qiáng)度指標(biāo)將不會(huì)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而不斷降低,這也是所有試樣在第4、第5次干濕循環(huán)過后的強(qiáng)度值趨于穩(wěn)定的原因。土體的強(qiáng)度由黏聚力分量和摩擦力分量組成,對(duì)膨脹土而言,其強(qiáng)度主要表現(xiàn)為黏聚力分量部分,而當(dāng)土體在每次經(jīng)歷了干濕循環(huán)引起的脹縮形變后,土體結(jié)構(gòu)的完整性都會(huì)降低,原先的顆粒接觸點(diǎn)處的黏結(jié)力就會(huì)遭到破壞,因此膨脹土在干濕循環(huán)后的強(qiáng)度衰減主要是體現(xiàn)在內(nèi)聚力的減小。在每次的吸水膨脹過程中,當(dāng)有側(cè)限土樣的直徑達(dá)到環(huán)刀直徑時(shí),其直徑將不再增大,這時(shí)土樣將受到來自環(huán)刀的側(cè)向約束;在每次的收縮過程中,環(huán)刀則不再對(duì)試樣產(chǎn)生約束作用。這相當(dāng)于側(cè)向約束減小了土樣的脹縮幅度,在一定程度上保護(hù)了試樣的完整性,也就降低了土樣因疲勞累積損傷帶來的強(qiáng)度衰減,因此,試驗(yàn)結(jié)果得出有側(cè)限試樣在前面幾次干濕循環(huán)過后的強(qiáng)度都明顯高于無側(cè)限試樣的,說明了干濕循環(huán)中的側(cè)限條件對(duì)膨脹土的強(qiáng)度衰減有明顯的影響。

為了便于分析,更好地探究數(shù)據(jù)后面隱藏的規(guī)律,將各次試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。將不同試驗(yàn)條件、不同循環(huán)次數(shù)下的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的試驗(yàn)結(jié)果分別除以60.909 kPa、8.3°以及51.233 kPa、5.83°,歸一化結(jié)果見表2所列。歸一化后以下結(jié)論更為清晰。

表2 內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角歸一化數(shù)據(jù)

(1) 試驗(yàn)針對(duì)有側(cè)限和無側(cè)限的原狀土樣和重塑土樣展開,試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該受側(cè)限條件和土樣初始結(jié)構(gòu)狀態(tài)條件的綜合影響,各次循環(huán)中內(nèi)聚力值和內(nèi)摩擦角基本呈現(xiàn)為有側(cè)限原狀土樣>有側(cè)限重塑土樣>無側(cè)限原狀土樣>無側(cè)限重塑土樣,表明在此干濕循環(huán)階段,側(cè)限條件對(duì)強(qiáng)度的影響要高于土樣初始結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響。

(2) 經(jīng)過2次干濕循環(huán)后,不同條件下試樣的內(nèi)聚力值基本穩(wěn)定,特別是對(duì)于重塑土樣和無側(cè)限原狀土樣,而有側(cè)限原狀土樣的內(nèi)聚力值在經(jīng)過3次循環(huán)后也趨于穩(wěn)定,但略大于其余試驗(yàn)條件下土樣的內(nèi)聚力值。對(duì)于內(nèi)摩擦角,側(cè)限條件和初始結(jié)構(gòu)條件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響又有所不同,僅經(jīng)過1次循環(huán)后,無側(cè)限的原狀土樣和重塑土樣的內(nèi)摩擦角就迅速趨于穩(wěn)定,且2種同屬無側(cè)限條件的土樣內(nèi)摩擦角在各次循環(huán)中非常接近;有側(cè)限的2種土樣的內(nèi)摩擦角則明顯高于無側(cè)限條件土樣內(nèi)摩擦角。結(jié)果表明側(cè)限條件和初始結(jié)構(gòu)狀態(tài)對(duì)于干濕循環(huán)中土樣的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角具有不同影響,其根本原因在于黏性土的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的微觀來源各異:黏性土的內(nèi)聚力主要來源于顆粒間的各種連接,而內(nèi)摩擦角則來源于顆粒表面的摩擦阻力和咬合力等,這種差異導(dǎo)致了側(cè)限條件對(duì)于內(nèi)摩擦角的影響會(huì)更為顯著,相對(duì)而言,內(nèi)聚力則更易受到結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響。

(3) 經(jīng)過5次循環(huán)后,各類土樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均非常接近,內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角均僅為原狀樣強(qiáng)度的1/3。表明側(cè)限條件和初始結(jié)構(gòu)狀態(tài)對(duì)于膨脹土強(qiáng)度的影響僅經(jīng)過5次循環(huán)就已近乎消弱為0。而且實(shí)際工程中,膨脹土更不會(huì)受到如室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)菢拥膭傂约s束,因此,在膨脹土地區(qū)工程實(shí)踐中,考慮安全因素,對(duì)于易受外界條件影響而產(chǎn)生干濕循環(huán)的膨脹土層,其強(qiáng)度應(yīng)采用原狀土樣強(qiáng)度的1/3。

4 結(jié) 論

(1) 前3次干濕循環(huán)對(duì)膨脹土強(qiáng)度的影響較大,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,試樣的內(nèi)聚力在不斷減小,內(nèi)摩擦角也在小幅度減小;且內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角因干濕循環(huán)的影響規(guī)律有所不同。

(2) 干濕循環(huán)導(dǎo)致膨脹土強(qiáng)度降低主要體現(xiàn)在內(nèi)聚力的減小。

(3) 側(cè)限條件會(huì)影響干濕循環(huán)中膨脹土的強(qiáng)度衰減程度,每次干濕循環(huán)后,有側(cè)限試樣的強(qiáng)度都高于無側(cè)限試樣的強(qiáng)度。

(4) 側(cè)限條件在前3次干濕循環(huán)中對(duì)膨脹土強(qiáng)度的影響較為明顯,在第4、第5次干濕循環(huán)后,無側(cè)限試樣與有側(cè)限試樣的的內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角基本接近。

(5) 在膨脹土地區(qū)工程實(shí)踐中,考慮安全因素,對(duì)于易受外界條件影響而產(chǎn)生干濕循環(huán)的膨脹土層,其強(qiáng)度應(yīng)采用原狀土樣強(qiáng)度的1/3。

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Influenceofconfinedconditionsonthestrengthofexpansivesoilinwetting-dryingcyclingprocess

WU Daoxiang,GUO Jingfang,XIONG Fucai,SHEN Qipeng,HU Xueting

(School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Through direct shear test of expansive soil in Hefei with wetting-drying cycling under confined and unconfined conditions, the influence of the confined conditions on the strength attenuation of the soil after wetting-drying cycling is discussed. The research results show that after each wetting-drying cycle, the value of confined sample is slightly higher than that of the unconfined sample. The influence of confined conditions is significant in the first three wetting-drying cycles, and the cohesion and internal friction angle of the samples both in two kinds of conditions are approximately equivalent after the fourth and fifth cycles, showing that with the increase of cycling times, the influence of confined conditions on the strength of expansive soil under the condition of wetting-drying cycling significantly diminishes until it can be ignored. For the safety of the engineering practice in expansive soil areas, the strength of expansive soil layer that easily generates wetting-drying cycling due to external influence should be 1/3 of the strength of undisturbed soil samples.

confined condition; expansive soil; wetting-drying cycling; cohesion; internal friction angle

2016-03-02；

2016-03-18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41002117;40872190)

吳道祥(1975-),男,湖北洪湖人，合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.11.023

TU411.3

A

1003-5060(2017)11-1552-05

(責(zé)任編輯 馬國鋒)