等幅度循环条件下膨胀土的抗剪强度特性

黄 震，柴 菲

膨胀土地区的公路和渠道边坡通常会伴随着失稳滑塌的现象。土体的抗剪强度则是评价边坡稳定性的必要指标。在干、湿交替的气候环境中，膨胀土由于特殊的矿物成分组成，对水分的敏感性很强，其抗剪强度表现出明显的波动特性。因此，研究膨胀土抗剪强度特性是一个对工程具有重要意义的课题。谭罗荣［1］等人研究了膨胀土的强度指标与含水率、干密度及饱和度的关系，同时认为，任何状态膨胀土的强度皆可表示为饱和状态的强度和吸力引起的。徐彬［2］等人通过直剪试验和三轴试验，研究了膨胀土强度的影响因素，得出了含水率、密度以及裂隙是影响膨胀土强度的3个因素。杨和平［3］等人探讨了干、湿循环效应对膨胀土强度的影响，认为膨胀土经过第一个干、湿循环后，土体强度衰减最大。詹良通［4－5］等人研究了吸力变化对非饱和膨胀土抗剪强度特性的影响，研究结果表明，吸力对膨胀土抗剪强度的贡献随吸力的增加呈非线性增加。

膨胀土力学性质变化与干、湿循环路径密切相关［6－7］，因此，有必要采用不同干、湿循环路径和试验控制参数来研究膨胀土的抗剪强度变化规律。作者以广西百色地区的膨胀土为研究对象，拟讨论不同初始控制含水率等幅度干、湿循环后的膨胀土抗剪强度特性，并探讨多个温度或者循环幅度组合效应的试验。

1 试验设计及结果

1.1 膨胀土基本物理指标

试验用土取自广西百色地区，取土深度为1.5～2.0m，呈灰白色。通过室内土工试验［8－9］，得到土的基本物理指标：容重2.092g／cm3；液限56.26%；塑性指数34.89；最佳含水率17.46%；最大干密度1.80g／cm3；自由膨胀率82%；大于0.075mm的颗粒占0.1%，0.075～0.005mm的颗粒占52.02%，小于0.005mm颗粒占47.88%。

1.2 干、湿循环试验

由于地表以下膨胀土在一定深度内受到大气干、湿循环影响的不同，导致含水率和变化幅度的不同。本研究选定初始控制含水率分别为15%，17%，19%及21%。循环幅度Δω分别为±10%，±7.5%，±5.0%及±2.5%。以循环幅度17%±10%为例，干、湿循环过程如图1所示。

将取回的膨胀土样经风干、捣碎后，过2mm筛。根据要求，配制成不同初始含水率的土样，并密封闷料24h以上，以确保初始含水率的均匀。采用压实仪，将土样压实成干密度为1.7g／m3的试件（直径61.8mm，高20mm）。

图1 干、湿循环过程（循环幅度：17%±10%）Fig.1 The process of dry－wet cyclic（cyclic amplitude：17%±10%）

试件分为15组，每组4个试件，共60个试件。为模拟膨胀土的脱湿过程，本次试验采用低温（40℃）对试件进行脱湿。脱湿至指定的循环幅度后，用微型喷雾器洒水模拟大气降水，达到初始控制含水率后，将试件密封养护24h以上，使试件内、外含水率均匀分布。然后将完成相应干、湿循环次数的试件装入ZJ－2型手动应变控制式直接剪切仪，在法向压力分别为100，200，300及400kPa下进行不固结不排水剪切试验，剪切速率为0.8mm／min。

2 膨胀土的强度特性分析

2.1 强度参数与循环次数的关系

初始控制含水率为17%时，膨胀土强度参数（粘聚力和内摩擦角）随干、湿循环次数变化的关系分别如图2，3所示。从图2，3中可以看出，不同循环幅度作用下膨胀土的粘聚力c随干、湿循环次数的增加呈衰减趋势。第1～2次循环时，强度衰减幅度较大。第3～6次循环后，粘聚力c逐渐趋于一稳定值。其中，循环幅度越大，相应的粘聚力c衰减程度越大，最终的稳定值越小。但内摩擦角φ受干、湿循环次数和循环幅度作用的影响不大，曲线呈起伏变化，没有发现一定的规律。

干、湿交替作用下，膨胀土内部含水率周期性的变化会引起基质吸力的周期变化，导致土体内部疲劳损伤破坏，形成微裂纹。随着循环次数的增加，微裂纹逐渐扩大。膨胀土具有湿胀干缩的特性，循环幅度越大，试件内部的含水率就越大，脱湿过程中试件内部的含水率梯度作用就越明显。而含水率梯度使土体内部产生拉应力，导致土体内部产生横向和纵向的裂隙，土体将被分割，其完整性被破坏，使土体的强度下降。

图2 粘聚力随循环次数变化的关系（w＝17%）Fig.2 The change of the cohesion with cycles（w ＝17%）

图3 内摩擦角随循环次数变化的关系（w＝17%）Fig.3 The change of the internal friction angle with cycles（w ＝17%）

2.2 强度参数与初始含水率的关系

循环幅度为7.5%时，第0～6次干、湿循环后的膨胀土粘聚力随初始控制含水率变化的关系如图4所示。从图4中可以看出，随着初始含水率的增大，第0～6次干、湿循环后的粘聚力均下降，但下降的趋势具有明显的阶段性。当含水率从17%增大到19%（最有含水率附近）时，曲线变化斜率较小，粘聚力比较缓慢减小，而含水率从15%增大到17%和从19%增大到21%时，曲线梯度较大，粘聚力衰减较快。

研究认为［1］，土的粘聚力主要来源于水膜联结、土颗粒间的胶结及粒间的相互吸引等，其中土颗粒间的水膜联结对粘聚力的形成具有重要的作用，因而不同含水率对土的粘聚力影响较大。当含水率越小时，颗粒间的水膜联结力越大；随着含水率的增大，水膜联结力逐渐减小，土体达到饱和状态时，这种联结力将完全丧失。另一方面，颗粒间的胶结作用也是粘聚力产生的重要原因，而胶结物是由于土体本身的矿物的溶解和重析形成的，那么当土体的含水率增大到一定程度后，一部分可溶解的胶结物将会被溶蚀，颗粒胶结能力逐渐减小。那么粘聚力随含水率出现三阶段变化，其主要原因是：当含水率逐渐增大时，刚开始只有水膜联结力在逐渐减小。但当含水率增大到一定程度后，伴随着胶结物的溶蚀，胶结作用才开始与水膜联结力一起减小。

循环幅度为7.5%时，第0～6次干、湿循环后的膨胀土内摩擦角与初始控制含水率变化的关系如图5所示。从图5中可以看出，初始含水率的变化对膨胀土内摩擦角的影响较大。以第1次循环为例，当膨胀土的含水率从15%增大到21%时，内摩擦角在25.64°～11.58°之间变化，在整个变化过程中呈线性减小。土的内摩擦角与土的颗粒结构、大小及密实度密切相关［10］。百色膨胀土为细粒含量高的粘性土，含水率变化会引起其颗粒结构、大小及密实度的显著变化，因此，含水率的变化对该膨胀土内摩擦角的影响较大。

图4 粘聚力随含水率变化的关系（Δω＝7.5%）Fig.4 The change of the cohesion with moisture contents（Δω＝7.5%）

图5 内摩擦角随含水率变化的关系（Δω＝7.5%）Fig.5 The change of the internal friction angle with moisture contents（Δω＝7.5%）

2.3 强度参数与循环幅度的关系

为了探讨干、湿循环幅度对膨胀土强度参数的影响，以初始含水率为17%的膨胀土抗剪强度参数为例，绘制了粘聚力、内摩擦角与循环幅度的关系曲线，分别如图6，7所示。从图6，7中可以看出，干、湿循环次数从第1～6次后，粘聚力c随循环幅度逐渐减小，曲线从上到下逐渐变得密集。这说明随着循环次数的增加，粘聚力随循环次数的增加逐渐趋于一稳定值。内摩擦角φ随循环幅度的变化曲线，则表现为起伏波动特征，没有发现一定的规律性，可认为内摩擦角不受循环幅度的控制。

图6 粘聚力随循环幅度变化的关系（w＝17%）Fig.6 The change of the cohesion with the cycle amplitude（w ＝17%）

图7 内摩擦角随循环幅度变化的关系（w＝17%）Fig.7 The change of the internal friction angle with the cycle amplitude（w ＝17%）

膨胀土的干、湿循环是一个由于基质吸力反复加、卸载，导致土体内部结构产生不可逆的疲劳破坏的过程，其中吸力的变化幅值（循环幅度值）对土体的力学性状具有重要的影响。尽管在基质吸力的作用下，土体不会出现突然的失稳破坏状态，但经过多次干、湿循环后膨胀土的力学性质均会衰减而趋于稳定状态，强度指标不再随循环次数的增加而发生改变。这一点与文献［11］得到的结论一致。试验结果表明，膨胀土强度参数的变化与干、湿循环的控制参数密切相关。该控制参数主要有循环温度、含水率、循环次数及循环幅度等，因此，对于多个温度或多个循环幅度的共同作用时，还需要讨论与温度或者循环幅度作用的顺序问题。通过多个温度或者循环幅度组合效应的试验研究，探讨膨胀土的强度特性，将更好地与实际工程应用接轨，促进研究的应用价值。

3 结论

1）膨胀土的粘聚力c随干、湿循环次数的增加呈衰减趋势，循环幅度越大，相应的c衰减程度越大，但内摩擦角φ受干、湿循环次数和循环幅度作用的影响不大 。抗剪强度的衰减与干、湿循环控制参数密切相关。

2）随着初始含水率的增大，第0～6次干、湿循环后的粘聚力均下降，但下降的趋势具有明显的阶段性。初始含水率的变化对膨胀土内摩擦角的影响较大，随含水率的增大，内摩擦角有线性衰减的规律。

3）第1～6次干、湿循环后，粘聚力c随循环幅度逐渐减小，趋于一稳定值。而内摩擦角不受循环幅度的控制。对于多个温度或多个循环幅度的共同作用时，还需要讨论多个温度或者循环幅度组合效应的试验研究，以促进研究的实用价值。

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