張波, 范秋雁, 陳正, 蔣明杰, 梅國(guó)雄

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 廣西 南寧 530004;2.廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院, 廣西 南寧 530023;3.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)研究中心, 山東 濟(jì)南 250199;4.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 南寧 530004)

0 引言

膨脹土是一類富含親水性黏土礦物的非飽和土,具有極強(qiáng)的親水性,廣泛分布于全國(guó)。在降雨條件下,含水率的變化導(dǎo)致膨脹土的性狀發(fā)生變化,從而易誘發(fā)工程問(wèn)題,如膨脹土邊坡淺層失穩(wěn),因此,膨脹土課題成為巖土工程研究中的重點(diǎn)課題之一。

一直以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)膨脹土濕脹干縮特性進(jìn)行了大量研究,取得大量成果[1-11]。膨脹力和膨脹變形是膨脹土脹縮特性的重要表現(xiàn)。膨脹力是指在吸水條件下膨脹土保持體積不變所產(chǎn)生的膨脹壓力,膨脹力對(duì)擋墻等構(gòu)筑物的穩(wěn)定有重要影響。文獻(xiàn)[1-3]研究了初始含水率和初始干密度對(duì)膨脹力的影響,發(fā)現(xiàn)了初始含水率越大,膨脹力越小,初始干密度越大,膨脹力也越大。文獻(xiàn)[4]考慮微變形條件,結(jié)合初始含水率和初始干密度的影響,建立了膨脹力的函數(shù)關(guān)系。文獻(xiàn)[5-8]通過(guò)開(kāi)展膨脹土的膨脹變形室內(nèi)試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)了上覆荷載、初始含水率和初始干密度對(duì)膨脹變形有重要影響,也建立了膨脹變形預(yù)測(cè)模型。文獻(xiàn)[9-11]通過(guò)開(kāi)展膨脹土的膨脹變形現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究,為膨脹土地區(qū)鐵路工程建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。還有一些學(xué)者們的理論研究和試驗(yàn)研究表明了膨脹土吸水過(guò)程呈兩階段特征[12-13],即第一階段吸水主要發(fā)生飽和度變化,不會(huì)出現(xiàn)明顯的膨脹變形;第二階段吸水主要發(fā)生膨脹變形,結(jié)合非飽和土力學(xué)中的吸力理論[14],闡明了膨脹土吸水過(guò)程呈兩階段特征的力學(xué)機(jī)制。

上述研究主要針對(duì)膨脹土的脹縮性,而膨脹土的脹縮性是由含水率變化引起,說(shuō)明含水率是研究膨脹土的重要指標(biāo)。一般認(rèn)為膨脹土這類非飽和土與砂土、粉土等大多數(shù)非飽和土一樣,可以采用飽和度描述整個(gè)吸水過(guò)程和失水過(guò)程,這是導(dǎo)致忽視膨脹土的含水率研究的重要原因。飽和度是描述水-氣形態(tài)的指標(biāo),實(shí)際上,膨脹土第一階段吸水主要發(fā)生飽和度變化,第二階段吸水主要發(fā)生膨脹變形,且第二階段吸水不會(huì)引起水-氣形態(tài)變化,從而不會(huì)出現(xiàn)明顯的飽和度變化[12-13],說(shuō)明了飽和度只能描述膨脹土的第一階段吸水,難以描述膨脹土的第二階段吸水,同時(shí)也表明了飽和度難以描述膨脹土整個(gè)吸水飽和過(guò)程,還表明了降雨條件下膨脹土邊坡淺層下滑應(yīng)力計(jì)算模型[15]難以考慮含水率的影響。綜合上述分析,飽和度不能替代含水率,說(shuō)明含水率的研究不可忽視。在膨脹土吸水飽和過(guò)程中,含水率變化引起膨脹土的性狀變化,也會(huì)引起膨脹土邊坡淺層下滑應(yīng)力變化,說(shuō)明考慮飽和過(guò)程的膨脹土的含水率研究是具有重要的理論和工程意義。

目前,膨脹土的飽和過(guò)程仍不清晰,由此可見(jiàn),深入分析膨脹土的飽和過(guò)程是開(kāi)展考慮飽和過(guò)程的膨脹土含水率研究的基礎(chǔ)?；诖?本文運(yùn)用吸力理論和非飽和土分類理論,結(jié)合膨脹土吸水呈兩階段特征,提出采用2個(gè)飽和階段表征其飽和過(guò)程,研發(fā)了不同飽和階段作用下膨脹土的含水率試驗(yàn)方法。以重塑膨脹土為研究對(duì)象,運(yùn)用所提出的試驗(yàn)方法,考慮不同飽和階段作用,開(kāi)展了膨脹土的含水率試驗(yàn);以試驗(yàn)研究結(jié)果為基礎(chǔ),結(jié)合理論推導(dǎo),分析了重度變化規(guī)律,進(jìn)一步建立了,2個(gè)飽和階段作用下膨脹土邊坡淺層下滑應(yīng)力計(jì)算模型。

1 膨脹土飽和階段的劃分方法

吸力理論是非飽和土力學(xué)的基礎(chǔ)性理論之一。膨脹土的基質(zhì)吸力由毛細(xì)吸力和晶層吸力兩部分組成,對(duì)于膨脹土飽和過(guò)程而言,毛細(xì)吸力變化引起飽和度變化,晶層吸力變化導(dǎo)致膨脹變形發(fā)生[14]。

俞培基等[16]根據(jù)飽和度將非飽和土的水-氣形態(tài)分成3類。隨著飽和度的增大,非飽和土的水-氣形態(tài)將由最初的水封閉變?yōu)殡p敞開(kāi),最終演化為氣封閉(一般飽和度達(dá)到80%以上),其中氣封閉是指孔隙中的氣相以氣泡形態(tài)存在,形成水包氣的水-氣形態(tài)?；谖墨I(xiàn)[12-13]對(duì)膨脹土呈兩階段吸水特征的結(jié)論,結(jié)合吸力理論和非飽和土分類理論,將膨脹土的飽和過(guò)程分為2個(gè)階段:

① 第一階段吸水主要導(dǎo)致飽和度發(fā)生變化,不會(huì)出現(xiàn)明顯的膨脹變形,且第一階段吸水完成后飽和度值較大,水-氣形態(tài)處于氣封閉系統(tǒng)[12-13,16];從吸力變化來(lái)看,這一階段主要發(fā)生毛細(xì)吸力變化[14],在第一階段吸水完成后,水-氣形態(tài)處于氣封閉系統(tǒng),且膨脹土的性狀不受毛細(xì)吸力的影響。因此,可認(rèn)為膨脹土的第一飽和階段,在毛細(xì)吸力作用下使孔隙充滿水。

② 第二階段吸水主要導(dǎo)致發(fā)生膨脹變形,使孔隙體積增大并使孔隙充滿水[12-13];從吸力變化來(lái)看,這一階段主要發(fā)生晶層吸力變化[14],因此,可認(rèn)為膨脹土的第二飽和階段,即在晶層吸力作用下,使孔隙體積增大并使孔隙充滿水分。膨脹土的第二飽和階段是膨脹土特有。

綜上所述,可以采用2個(gè)飽和階段刻畫膨脹土的飽和過(guò)程:膨脹土的第一飽和階段實(shí)質(zhì)上是砂土和粉土等非飽和土的飽和過(guò)程;第二飽和階段是膨脹土特有的,主要是因?yàn)橛捎诰游ψ饔?使孔隙體積增大并充滿水。

2 試驗(yàn)方法

膨脹土的飽和過(guò)程可由2個(gè)飽和階段進(jìn)行刻畫。為了獲得不同飽和階段作用下膨脹土的含水率,需進(jìn)行試驗(yàn),因此,研發(fā)適合的試驗(yàn)方法是開(kāi)展本研究的基礎(chǔ)。

2.1 試驗(yàn)原理

結(jié)合《土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[17]中的側(cè)限條件下膨脹試驗(yàn),考慮不同飽和階段作用,闡明膨脹土的含水率試驗(yàn)原理。

當(dāng)上覆荷載大于或等于試樣的膨脹力時(shí),試樣整個(gè)吸水飽和過(guò)程未發(fā)生晶層吸力變化,試樣是在毛細(xì)吸力作用下完成吸水飽和的,表明試樣吸水飽和由一個(gè)飽和階段作用。為了獲得一個(gè)飽和階段作用下試樣的含水率,采用烘干法對(duì)只完成第一飽和階段作用的試樣進(jìn)行含水率測(cè)試。

當(dāng)上覆荷載小于試樣的膨脹力時(shí),在毛細(xì)吸力作用,試樣首先完成第一飽和階段,然后在晶層吸力作用下,完成第二飽和階段,表明試樣吸水飽和由2個(gè)飽和階段作用。為了獲得2個(gè)飽和階段作用下試樣的含水率,采用烘干法對(duì)完成第二飽和階段同作用下試樣進(jìn)行含水率測(cè)試。

2.2 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)步驟

由上述試驗(yàn)原理可知,考慮不同飽和階段作用,開(kāi)展膨脹土的含水率試驗(yàn)需基于側(cè)限條件下膨脹試驗(yàn),側(cè)限條件下膨脹試驗(yàn)需采用低壓固結(jié)儀。為了防止加載過(guò)程對(duì)試樣的壓縮,先對(duì)低壓固結(jié)儀進(jìn)行必要的改造,即使環(huán)刀直徑略小于覆蓋于試樣上、下表面的透水石直徑。為了獲得不同飽和階段作用下膨脹土的含水率,采用烘箱對(duì)不同飽和階段作用下試樣進(jìn)行烘干。

廣西南寧市是典型的膨脹土分布地區(qū),試驗(yàn)所用的膨脹土試樣取自南寧市區(qū)。膨脹土的物理指標(biāo)見(jiàn)表1。根據(jù)《土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[17],將風(fēng)干粉碎的膨脹土過(guò)孔徑為2 mm篩,配制不同初始含水率的試樣,各試樣初始含水率分別為15%、18%、22%、25%。初始含水率為15%和18%不超過(guò)塑限,對(duì)于初始含水率為22%和25%而言,顯然高于天然含水率,因此,初始含水率為15%和18%可視為低初始含水率,初始含水率為22%和25%可視為高初始含水率。采用靜壓法將土樣制成直徑為61.8 mm,高度為20 mm的環(huán)刀試樣,干密度為1.5 g/cm3,接近天然干密度。將加工完成的環(huán)刀試樣放置于保濕器中。

為了開(kāi)展不同飽和階段作用下試樣的含水率試驗(yàn),需對(duì)不同初始含水率的試樣進(jìn)行膨脹力測(cè)試。根據(jù)《土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[17]采用加荷平衡法進(jìn)行膨脹力測(cè)試,得到初始含水率分別為15%、18%、22%、25%試樣的膨脹力分別為60、52、45、40 kPa。

施加于試樣的極限上覆荷載等于試樣的膨脹力時(shí),試樣僅完成第一飽和階段;當(dāng)施加的上覆荷載小于試樣的膨脹力時(shí),試樣既完成了第一飽和階段也完成了第二飽和階段。上覆荷載加載方案見(jiàn)表2。

表2 上覆荷載加載方案Tab.2 Overlying loading scheme

圖1 無(wú)上覆荷載示意圖Fig.1 Without overlying load

試驗(yàn)操作步驟具體如下:將試樣裝入低壓固結(jié)儀容器中,然后根據(jù)表2的加載方案施加上覆荷載,最后加水至淹沒(méi)試樣。在上覆荷載小于試樣的膨脹力情況下,連續(xù)2 h內(nèi)試樣的膨脹變形不超過(guò)0.01 mm,可認(rèn)為試樣飽和完成。在上覆荷載大小為試樣的膨脹力情況下,參照《土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[17]的毛細(xì)飽和法,試樣吸水時(shí)間不少于48 h,可認(rèn)為試樣飽和完成。試樣的無(wú)上覆荷載和有上覆荷載示意圖分別如圖1、2所示。最后,取出試樣,采用烘干法進(jìn)行含水率測(cè)試。

圖2 有上覆荷載示意圖Fig .2 With overlying load

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

含水率試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖可知,試樣的上覆荷載等于膨脹力時(shí),試樣的含水率最小,由于試樣只發(fā)生第一飽和階段作用,因此在無(wú)上覆荷載時(shí),試樣的含水率最大,原因是晶層吸力作用不受限制。從圖3還可知,試樣在不同上覆荷載作用下飽和完成后的含水率不同,主要是受第二飽和階段作用影響;試樣的含水率隨著上覆荷載的增大而減小,主要原因是上覆荷載限制晶層吸力作用。簡(jiǎn)單而言,吸力是一種吸水的能力,上覆荷載不影響毛細(xì)吸力作用,但限制膨脹土的晶層吸力作用[14],也就是說(shuō)第一飽和階段吸水與上覆荷載無(wú)關(guān),第二飽和階段吸水與上覆荷載密切相關(guān)。上覆荷載越大,對(duì)試樣的晶層吸力限制作用越強(qiáng),第二飽和階段吸水量越少,因此,隨著上覆荷載的增加,含水率隨之減小。在側(cè)限條件下,上覆荷載從0增加到等于膨脹土的膨脹力過(guò)程中,飽和完成后膨脹土的含水率隨著上覆荷載的增加而減小。

圖3 含水率試驗(yàn)結(jié)果Fig .3 Test results of water content

不同初始含水率試樣的膨脹變形如圖4所示。由圖可知,當(dāng)上覆荷載等于試樣的膨脹力時(shí),試樣的不發(fā)生膨脹變形,這一試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[14]的試驗(yàn)結(jié)果相同。當(dāng)無(wú)上覆荷載時(shí),試樣的膨脹變形最大。從圖4還可知,隨著上覆荷載增加,試樣的膨脹變形減小,主要原因是上覆荷載限制膨脹土的晶層吸力作用。由圖3、4可知,無(wú)上覆作用時(shí),飽和完成后的含水率和膨脹變形,出現(xiàn)低初始含水率為15%和18%試樣的情況遠(yuǎn)大于高初始含水率為22%和25%試樣的。在無(wú)上荷載作用情況下,晶層吸力作用不受限制,低初始含水率的試樣中,晶層吸力較大,結(jié)合圖4可知,飽和完成后膨脹變形較大,因此,在第二飽和階段吸水量較多;高初始含水率的試樣,晶層吸力較小,結(jié)合圖4可知,飽和完成后膨脹變形較小,故而在第二飽和階段吸水量較少。由圖3可知,低初始含水率為15%和18%的試樣與高初始含水率為22%和25%的試樣在極限上覆荷載作用下飽和完成后的含水率在30%左右,相差不大,所以,低初始含水率為15%和18%的試樣在無(wú)上覆作用下飽和完成后的含水率遠(yuǎn)大于高初始含水率為22%和25%的。由此可知,在無(wú)上覆作用時(shí),易出現(xiàn)低初始含水率的膨脹土飽和完成后的含水率和膨脹變形遠(yuǎn)大于高初始含水率的膨脹土的情況。

圖4 試樣的膨脹變形Fig.4 Expansion deformation of the samples

根據(jù)圖3、4得到的飽和完成后,不同初始含水率試樣含水率隨膨脹變形變化如圖5所示。從圖可以看出,對(duì)于初始含水率為15%、18%、22%、25%的試樣而言,試樣的膨脹變形最大時(shí),含水率最大,試樣的膨脹變形為0時(shí),含水率最小,且試樣飽和完成后的含水率隨著膨脹變形呈線性增加,主要是由于膨脹土的第二飽和階段引起的。

對(duì)于初始含水率相同的試樣,由于試樣在第一飽和階段主要由毛細(xì)吸力作用,試樣在第一飽和階段完成后的吸水量也是相同的,試樣在第二飽和階段主要由晶層吸力作用,第二飽和階段的吸水量決定飽和完成后的含水率。隨著膨脹變形的增加,試樣在第2飽和階段吸水飽和過(guò)程中的吸水量也隨之增加。由于試樣的孔隙體積增加只與膨脹變形有關(guān),含水率呈明顯的線性增加規(guī)律。含水率隨膨脹變形變化如圖5所示。結(jié)合膨脹土的飽和過(guò)程由2個(gè)飽和階段組成,進(jìn)一步可推知,膨脹土飽和過(guò)程的含水率隨著膨脹變形的增加而增大。

(a) 初始含水率為15%、18%

(b) 初始含水率為22%、25%

4 重度變化規(guī)律分析

膨脹土的飽和過(guò)程由2個(gè)飽和階段組成,因此,考慮不同飽和階段作用,進(jìn)行膨脹土的重度變化規(guī)律分析有重要意義。

考慮不同飽和階段作用時(shí),試樣的重度計(jì)算公式γ為

(1)

式中m、v分別為水充滿孔隙狀態(tài)下試樣的質(zhì)量和體積。

水充滿孔隙狀態(tài)下試樣的質(zhì)量m為

m=ms+msw1,

(2)

式中:ms為固相物質(zhì)的質(zhì)量;w1為水充滿孔隙狀態(tài)下的含水率。

水充滿孔隙狀態(tài)下試樣的體積v為

v=A(h0+s1),

(3)

式中:A為試樣的底面積;h0為未發(fā)生膨脹變形時(shí)的初始高度;s1為膨脹變形量。

根據(jù)式(1)、(2)、(3),得到重度γ計(jì)算公式為

(4)

膨脹土的第二飽和階段是由晶層吸力作用,使孔隙體積增大并充滿水。試樣的膨脹變形完成,即試樣的第二飽和階段完成,膨脹變形是衡量試樣飽和完成的重要指標(biāo)。上覆荷載對(duì)膨脹變形有重要影響,說(shuō)明分析膨脹變形和上覆荷載對(duì)重度的影響有重要意義。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果和式(4),得到重度隨上覆荷載變化如圖6所示,重度隨膨脹變形變化如圖7所示。從圖6、7可知,上覆荷載為極限上覆荷載時(shí),試樣的重度最大,當(dāng)無(wú)上覆荷載作用時(shí),試樣的重度最小;當(dāng)膨脹變形為0時(shí),試樣的重度最大;當(dāng)膨脹變形最大時(shí),試樣的重度最小;隨著上覆荷載的增加,試樣的重度增加;隨著膨脹變形增加,試樣的重度減小。上述情形主要是由膨脹土的第二飽和階段引起的。

圖6 重度隨上覆荷載變化Fig.6 Weight varies with overlying load

圖7 重度隨膨脹變形變化Fig.7 Weight varies with swelling deformation

結(jié)合上述上覆荷載和膨脹變形對(duì)含水率影響及2個(gè)飽和階段作用可知:隨著上覆荷載的增加,飽和完成后試樣的含水率隨之減小,試樣液相部分占比也越小,從而重度越大;隨著上覆荷載的減小,飽和完成后試樣的含水率隨之增加,試樣液相部分占比也越大,從而重度越小。由此可知,在側(cè)限條件下,上覆荷載大小從0增加到等于試樣的膨脹力過(guò)程中,飽和完成后試樣的重度隨之增大。隨著膨脹變形的增加,飽和完成后試樣的含水率也隨之增加,試樣液相部分占比也越大,因此,膨脹變形越大,重度越小;而膨脹變形越小,飽和完成后試樣的含水率越小,試樣液相部分占比越小,所以,膨脹變形越小,重度越大。上述結(jié)果說(shuō)明膨脹土的重度隨著膨脹變形的增加而減小。

5 膨脹土邊坡淺層下滑應(yīng)力計(jì)算模型

膨脹土的飽和過(guò)程由2個(gè)飽和階段刻畫,在這2個(gè)飽和階段作用下膨脹土邊坡淺層極易失穩(wěn),說(shuō)明建立的膨脹土邊坡淺層下滑應(yīng)力計(jì)算模型應(yīng)考慮2個(gè)飽和階段作用。由上述不同飽和階段作用下重度變化規(guī)律分析可知,考慮2個(gè)飽和階段作用時(shí)飽和過(guò)程膨脹土的重度隨著膨脹變形增加而減小,說(shuō)明采用重度直接計(jì)算膨脹土邊坡淺層下滑應(yīng)力難以直觀反映下滑應(yīng)力的演化規(guī)律,因此,考慮2個(gè)飽和階段作用,建立能夠直觀反映膨脹土邊坡淺層下滑應(yīng)力變化規(guī)律的計(jì)算模型具有重要意義。

5.1 無(wú)限長(zhǎng)邊坡

無(wú)限長(zhǎng)邊坡一般用來(lái)進(jìn)行邊坡淺層穩(wěn)定性分析[15, 18-19]。膨脹土邊坡失穩(wěn)屬于典型的淺層滑坡,因此,采用無(wú)限長(zhǎng)邊坡進(jìn)行膨脹土邊坡淺層穩(wěn)定性分析。

無(wú)限長(zhǎng)邊坡上的力學(xué)示意圖如圖8所示?？紤]降雨條件時(shí),對(duì)膨脹土邊坡作如下假設(shè):①長(zhǎng)歷時(shí)低強(qiáng)降雨,坡面無(wú)積水;②待濕潤(rùn)鋒處土體2個(gè)飽和階段完成后,濕潤(rùn)鋒繼續(xù)沿平行于坡面方向推進(jìn);③邊坡幾何形狀和尺寸不發(fā)生變化。

圖8 無(wú)限長(zhǎng)邊坡上的力學(xué)示意圖Fig.8 Schematic diagram of mechanics on an infinitely long slope

5.2 下滑應(yīng)力計(jì)算與參數(shù)獲取

單位土條為濕潤(rùn)鋒以上土體,沿坡面的長(zhǎng)度為l,豎直高度為z,底部到坡面的距離為h,并稱之為深度。單位土條的重力W為

W=γazlcosα。

(5)

考慮2個(gè)飽和階段作用,根據(jù)上述上覆荷載對(duì)重度影響分析可知,不同深度處的上覆荷載不同,2個(gè)飽和階段作用下不同深度處土體的重度不相同,所以式(5)中γa為單位土條的平均重度,同時(shí)也進(jìn)一步說(shuō)明膨脹土邊坡淺層下滑應(yīng)力計(jì)算是分析膨脹土邊坡淺層穩(wěn)定性的難點(diǎn)之一。

根據(jù)式(1),單位土條平均重度γa

(6)

式中:mss為單位土條的固體顆粒質(zhì)量;基于含水率試驗(yàn)結(jié)果,考慮2個(gè)飽和階段作用時(shí),不同深度處土體的含水率是不相同的,w2為2個(gè)飽和階段作用下單位土條的平均含水率。

單位土條的剪切力S表達(dá)式為

S=γazlcosαsinα,

(7)

根據(jù)式(7),得到單位土條切應(yīng)力τ表達(dá)式為

τ=γazcosαsinα。

(8)

濕潤(rùn)峰推進(jìn)的深度與單位土條豎直高度存在以下關(guān)系:

h=zcosα。

(9)

將式(6)代入式(8),進(jìn)一步得到單位土條切應(yīng)力τ為

(10)

單位土條的固體顆粒的質(zhì)量mss為

mss=ρdzlcosα,

(11)

式中ρd為單位土條的初始干密度。

將式(9)和式(11)代入式(10),得到切應(yīng)力表達(dá)式為

τ=(ρdh+ρdhw2)gsinα。

(12)

由式(12)可知,進(jìn)行2個(gè)飽和階段作用下膨脹土邊坡淺層下滑應(yīng)力計(jì)算,需要獲取淺層土體的初始干密度和濕潤(rùn)鋒以上淺層土體的平均含水率。淺層土體干密度運(yùn)用《土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[17]中的環(huán)刀法可以獲得,2個(gè)飽和階段作用下膨脹土邊坡淺層土體的含水率可以根據(jù)上述研發(fā)的試驗(yàn)方法獲得。上述含水率試驗(yàn)研究結(jié)果表明,上覆荷載為0時(shí),試樣的含水率最大,即2個(gè)飽和階段作用下膨脹土邊坡淺層表面處的土體的含水率最大。從邊坡不利狀態(tài)考慮,結(jié)合式(12),進(jìn)行2個(gè)飽和階段作用下膨脹土邊坡淺層下滑應(yīng)力計(jì)算時(shí),宜選取上覆荷載為0時(shí)試樣的含水率。由此可見(jiàn),該計(jì)算模型所需參數(shù)易于獲取,表明該計(jì)算模型是便于工程應(yīng)用的。

一般而言,降雨條件下膨脹土邊坡淺層下滑應(yīng)力隨著土體的含水率的增大而增大。由式(12)可知,下滑應(yīng)力隨著含水率的增大而增大,顯然該計(jì)算模型能夠考慮含水率的影響?？紤]2個(gè)飽和階段作用時(shí),膨脹土邊坡淺層下滑應(yīng)力的變化規(guī)律能夠通過(guò)該計(jì)算模型直觀體現(xiàn)。綜上,通過(guò)式(12)可以進(jìn)行2個(gè)飽和階段作用下膨脹土淺層下滑應(yīng)力計(jì)算。

6 結(jié)論

為了刻畫膨脹土的飽和過(guò)程,提出了用2個(gè)飽和階段?？紤]不同飽和階段作用,研發(fā)了膨脹土的含水率試驗(yàn)方法,開(kāi)展了膨脹土的含水率試驗(yàn)研究,結(jié)合理論推導(dǎo),分析了重度演化規(guī)律,得到了膨脹土邊坡淺層下滑應(yīng)力計(jì)算模型,為進(jìn)一步研究膨脹土課題提供了理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。本文得到如下結(jié)論:

① 飽和過(guò)程中,隨著膨脹變形的增加,膨脹土的含水率隨之增大,而重度隨之減小,表明飽和完成后膨脹土的重度和含水率與其膨脹變形密切相關(guān)。當(dāng)膨脹變形為0時(shí),飽和完成后膨脹土的重度最大,含水率最小;當(dāng)膨脹變形最大時(shí),飽和完成后膨脹土的重度最小,含水率最大。

② 無(wú)上覆荷載作用時(shí),低初始含水率的膨脹土飽和完成后的含水率遠(yuǎn)大于高初始含水率的。

③ 側(cè)限條件下,在上覆荷載從0增加到等于膨脹土膨脹力過(guò)程中,隨著上覆荷載的增加,膨脹土的重度也隨之增加,而膨脹土的含水率隨之減小,表明飽和完成后膨脹土的重度和含水率與上覆荷載密切相關(guān)。側(cè)限條件下,無(wú)上覆荷載時(shí),飽和完成后膨脹土的重度最小,含水率最大;上覆荷載等于膨脹力時(shí),飽和完成后膨脹土的重度最大,含水率最小。

④ 基于2個(gè)飽和階段評(píng)價(jià)方法,得到了能夠考慮含水率影響的膨脹土邊坡淺層下滑應(yīng)力計(jì)算模型,也能直觀反映降雨條件下膨脹土邊坡淺層下滑應(yīng)力變化規(guī)律。據(jù)此,進(jìn)行2個(gè)飽和階段作用下膨脹土邊坡淺層下滑應(yīng)力計(jì)算時(shí),宜選取上覆荷載為0時(shí)試樣的含水率。