干湿循环效应对风化砂改良膨胀土抗剪强度影响研究

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(1.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002; 2.三峡大学 土木与建筑学院，湖北 宜昌 443002; 3.宜昌市交通运输局，湖北 宜昌 443002; 4.宜昌市公路管理局，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

土的抗剪强度是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极限能力，是进行公路路基设计、基坑设计、边坡稳定性验算等重要参数之一。绝大多数的土工构筑物失稳，边坡滑塌都是由于土体的抗剪强度不足造成的。膨胀土是由亲水性黏土矿物蒙脱石和伊利石组成的具有显著吸水膨胀、失水收缩特性的高液限黏土。由于膨胀土显著的胀缩特性，导致其抗剪强度极不稳定，极易随着含水率的变化而变化。土体含水率的变化带来的反复胀缩，导致膨胀土土体内部裂隙逐渐扩大，降雨又通过裂隙进入到土体内部，进而加剧了裂隙的开展，导致土体发生崩解，造成抗剪强度进一步的衰减。通过国内外学者的大量研究，发现膨胀土在干湿循环条件下往往呈现出一定的软化特性，抗变形能力以及强度会逐渐下降，极易导致边坡失稳和路基沉陷，从而引发严重的安全事故[1]。

鉴于以上问题，膨胀土必须经过改良之后才能用于工程之中。目前，工程建设当中，通常是采用化学手段对膨胀土进行改良处理。刘晓义等[2]等通过采用加石灰改良膨胀土，研究了干湿循环作用下石灰改良膨胀土的抗剪强度变化特性，结果表明，石灰改良膨胀土的抗剪强度指标随着干湿循环次数的增加而不断衰减，因此掺石灰对干湿循环效应所导致的抗剪强度的衰减效果不理想；赵明龙等[3]研究了干湿循环对水泥改良膨胀土疲劳强度的影响，发现通过掺入水泥可有效抑制由干湿循环带来的强度衰减。但采用水泥进行改良，会大幅提高工程造价。另外化学改良有诸多的不足，最突出的就是它的时效性较差，容易受季节气候变化的影响，经过反复的干湿循环之后，土体结构发生改变，致使改良后土体的抗剪强度降低、胀缩特性增强，导致灾害的再次发生[4]。另外，化学改良之后往往需要对其进行养护处理，施工工艺复杂且周期长，当外界环境不断变化时，养护条件极难控制。

本研究结合湖北省宜昌市小溪塔至鸦雀岭一级公路改建工程，拟通过沿线广泛分布的风化砂对膨胀土进行改良处理。通过掺入风化砂这一物理改良方法来调整膨胀土的颗粒结构，提高改良后膨胀土的抗剪强度，达到路基填筑用土的标准，更重要的是降低改良后土体对季节气候变化的敏感性，抑制其在干湿循环效应下抗剪强度的降低，确保工程建设的安全。

著名学者Guney通过大量试验研究发现，在第1次干湿循环后，非饱和土体随即遭到破坏，随着干湿循环的进行，抗剪强度逐渐降低，大约经过4～6次循环之后土中孔隙结构趋于稳定[5]，成为反复干湿循环后土体稳定的力学性状。本研究将风化砂改良之后的膨胀土进行5次干湿循环，对每次干湿循环之后的试样进行直剪试验，通过系统的试验研究，深入分析了在干湿循环效应下改良膨胀土抗剪强度的变化规律，为工程项目的设计和施工提供参考。

2 试验用膨胀土及风化砂特性

本研究所用膨胀土取自湖北省宜昌市小溪塔至鸦雀岭一级公路改建工程项目K24+000至K25+000路段，该膨胀土颜色以棕黄色、灰白色为主，中间夹杂灰绿色。通过室内土工试验，膨胀土的基本物理性质指标见表1，根据相关指标可以判定，试验所用膨胀土属于高液限黏土，膨胀性较弱。

表1 膨胀土的基本物理性质指标

试验所用风化砂取该项目K22+000至K23+000段。该风化砂呈土黄色，粒径较小但强度较高。根据室内土工试验的结果，可以看出该风化砂细颗粒较多，粒径大部分都集中在0.25 mm以下，级配不良。风化砂的基本物理性质指标及颗粒构成见表2、表3所示。

表2 风化砂基本物理性质指标

表3 风化砂颗粒分析表

3 试验方案与结果分析

试验方法参考《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)。文中掺砂比例是指所掺风化砂质量与总质量之比，试验采用5种掺砂比例，分别为10%，20%，30%，40%，50%。根据室内重型击实试验，得到每种掺砂比例下膨胀土的最佳含水率和最大干密度。按照各自掺砂比例下的最佳含水率与最大干密度采用静压法制样，随后进行0～5次干湿循环。依据《公路土工试验规程》对直接剪切试验的操作要求，干湿循环过程为：增湿过程采用常温下(通常室内温度大约20℃)浸水法直至试样浸水饱和；干燥时采用烘箱烘干，烘干温度控制在105～110℃，反复称重确定试样达到控制的含水率之后，将土样密封养护一昼夜，使试样内部含水率分布均匀，随即进行直剪试验。本研究采用变控制式直剪仪，剪切速率为0.8 mm/min。

3.1 击实试验

试验方法参考《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)采用重型击实试验方法，确定每种掺砂比例下膨胀土的最大干密度和最佳含水率， 土样制备采用干土法。锤质量4.5 kg，落高45 cm，分3层进行击实，每层98击。不同掺砂比例膨胀土的最大干密度和最佳含水率见表4。

表4 不同掺砂比例改良膨胀土的击实试验结果

由试验结果可知，掺砂后改变了膨胀土的击实特性，掺入适当比例的风化砂可以有效地提高击实后的干密度。随着风化砂掺量的增加，改良膨胀土最佳含水率逐渐减小，而相应的最大干密度先增大后减小。

3.2 干湿循环效应对风化砂改良膨胀土内摩擦角的影响

将经过不同干湿循环次数后的试件放置在剪切盒中，按照试验规范要求进行直剪试验。通过一系列的室内直剪试验，可以得到不同干湿循环次数下改良膨胀土内摩擦角的变化规律，如图1所示。

图1 内摩擦角与循环次数的关系

从以上试验数据可以看出：

(1) 随着干湿循环次数的增加，改良后膨胀土内摩擦角先增加后减小，当循环至4～5次时，内摩擦角趋于稳定。总的来看，随着掺砂比例的增大，内摩擦角衰减幅度逐渐减小，当掺砂比例为30%时，内摩擦角反而有所增加，增加幅度为4%，说明适当的掺入风化砂可有效地抑制干湿循环所导致的内摩擦角的减小。随着掺砂比例的继续增大，内摩擦角衰减幅度又逐渐增大，当掺砂比例为50%时，内摩擦角衰减幅度最大，达22%。

(2) 干湿循环1次之后，改良后膨胀土内摩擦角均有不同程度的增加，产生这一现象主要是因为干湿循环导致改良后土体结构发生破坏，致使土颗粒之间的胶结力减弱，在分子间的作用力下，黏粒结合成较大的聚集体，土体中细颗粒减小[6]，所以在第1次循环之后内摩擦角均有所增加。

(3) 干湿循环进行到第2次时，改良后膨胀土内摩擦角开始缓慢减小，产生这一现象是因为经过2次干湿循环之后，土体中裂隙开始逐渐发育，颗粒与颗粒之间的相互作用力减弱，另外土体中水分和孔道的分布以及砂、土颗粒之间的排列发生了较大的改变[7]。其中，当掺砂比例为50%时，内摩擦角减小幅度最大，这是由于所掺风化砂过多，土体整体黏性不足，导致干湿循环之后，土体颗粒之间的作用力迅速减小。另外，掺砂比例为30%时，内摩擦角并没有减小，反而有小幅度的增加，说明当掺砂比例为30%时，对抑制干湿循环所导致的内摩擦角减小有一定的效果。

(4) 干湿循环第3次时，改良后膨胀土内摩擦角衰减幅度最大。这是因为随着干湿循环次数的增加，裂隙广泛发育，密实度降低，颗粒之间的摩擦作用减弱，土体的完整性遭到破坏，导致土体内摩擦角迅速减小。4～5次干湿交替之后，不同掺砂比例下膨胀土的内摩擦角趋于稳定。这是由于多次干湿循环之后，土体中裂隙发育已趋于稳定，土体结构逐渐重新平衡[8]。

3.3 干湿循环效应对风化砂改良膨胀土黏聚力的影响

通过上述一系列的直剪试验，可以得到不同干湿循环次数下改良膨胀土黏聚力的变化规律，见表5。

表5不同干湿循环次数后改良膨胀土的黏聚力

Table5CohesionofmodifiedexpansivesoilafterdifferentwetanddrycycleskPa

掺砂比/%循环次数/次0123450112.0584.9368.0161.7252.8249.3310100.6276.1563.2457.7052.0648.832090.3572.5860.0955.3753.8151.243088.9973.8264.4062.2358.7656.814080.6462.5254.3651.1744.8642.455050.2440.5832.5731.5625.2825.01

试验结果表明：

(1) 随着干湿循环次数的增加，掺砂改良膨胀土的黏聚力也随之减小，当循环至5次时，改良后膨胀土内摩擦角基本稳定。这是因为随着干湿交替的进行，土体中水分反复迁移，引起复杂的物理化学变化，导致土体整体黏性减小；再者反复的干湿循环导致土体中裂隙不断发展，导致土体整体性遭到的破坏程度不断加大，土体内部颗粒之间的间距也逐渐增大，孔隙比变大[9]，最终导致改良后膨胀土的黏聚力下降。而随着干湿循环的进行，裂隙发育是一个先快后慢的过程，当循环至一定次数时，土体达到一个新的平衡状态，故黏聚力的变化趋于平缓直至稳定[10]。

(2) 分析表中数据可以看出，第1次干湿循环后，改良后膨胀土的黏聚力衰减最为严重，此时，掺砂10%的膨胀土黏聚力衰减幅度最大，达到了24.3%。随着风化砂掺入量的增加，黏聚力衰减幅度逐渐减小，当掺砂比例为30%时，黏聚力衰减幅度最小，仅为17.0%。

(3) 干湿循环5次之后，各掺砂比例下的改良膨胀土黏聚力均有大幅度的降低。随着所掺风化砂比例的增加，改良膨胀土黏聚力衰减幅度逐渐下降。随着所掺风化砂比例进一步的加大，黏聚力衰减幅度又开始逐渐提高，产生这一现象的原因是，风化砂颗粒之间的黏性较小，掺入过多的风化砂之后，导致整体的黏性减小[11]。

结合以上数据的分析，为了定量反映干湿循环效应对风化砂改良膨胀土黏聚力的影响，对试验所得黏聚力随干湿循环次数变化的曲线进行回归分析，拟合之后的曲线见图2。

图2 不同掺砂量的膨胀土黏聚力与循环次数的关系拟合曲线

从图2可以看出，不同掺砂比例下改良膨胀土的黏聚力与干湿循环次数可用二次曲线进行拟合,即

y=ax2+bx+c。

(1)

式中：x为干湿循环次数；y为干湿循环后改良膨胀土的黏聚力(kPa);a,b,c为公式拟合系数，与掺砂后膨胀土性质及掺砂比例有关。

3.4 干湿循环效应对风化砂改良膨胀土抗剪强度的影响

从以上数据分析可知，在干湿循环效应下，掺砂改良后膨胀土的内摩擦角和黏聚力都有着不同程度的降低，但是变化规律并不相同。土体的抗剪强度是由内摩擦角、黏聚力、垂直荷重所共同决定的，为了更加直观地分析掺砂改良膨胀土的抗剪强度随干湿循环次数的变化规律，结合以上试验数据，绘制了不同掺砂比例、不同干湿循环次数下改良膨胀土的τ-σ图，如图3所示。

图3 不同掺砂比例、不同干湿循环次数下改良膨胀土的τ-σ关系图

为了更好地描述抗剪强度与干湿循环次数以及试验时垂直荷重之间的关系，定义α为抗剪强度衰减率，即

(2)

式中：τ5为某一垂直荷重下经过5次干湿循环后的抗剪强度(kPa);τ0为某一垂直荷重下原状土的抗剪强度(kPa)。

图4 不同掺砂比例、不同垂直荷重下的抗剪强度衰减率

从图4中可以看出：

(1) 随着干湿循环次数的增加，掺砂改良后的膨胀土抗剪强度总体上呈下降的趋势，干湿循环2～3次时，抗剪强度衰减幅度最大，当干湿循环进行至4～5次时，可以看出，各掺砂比例下的膨胀土抗剪强度衰减幅度很小。这是因为在干湿循环效应下，土体结构发生破坏，内摩擦角减小，同时，黏粒聚积成较大的颗粒，比表面积减小，土颗粒之间的黏结力减弱，造成抗剪强度降低[12]。

(2) 随着风化砂掺入比例的增加，膨胀土抗剪强度衰减率逐渐下降，当掺砂比例为30%时，衰减率最低，随着掺入比例的继续增大，衰减率又开始逐渐提高，但依旧低于原状土的抗剪强度衰减率，这说明掺入适当比例的风化砂对膨胀土在干湿循环过程中的强度衰减有很好的作用。

(3) 抗剪强度衰减率随着试验时垂直荷重的增大而逐渐减小，当掺砂比例为30%，垂直荷重为400 kPa时，5次干湿循环后，抗剪强度衰减率最小，仅为7%。这说明，在过程实际当中，适当地增加土体的上覆荷重，对改良膨胀土在干湿循环过程中抗剪强度的衰减有很好的抑制作用。

4 结 论

本文通过一系列的室内直剪试验，研究了风化砂改良膨胀土在干湿循环效应后抗剪强度指标的变化规律。研究发现:随着干湿循环次数的增加，风化砂改良膨胀土的抗剪强度在逐渐衰减，在第2、第3次循环过程中衰减幅度最大，其后逐渐趋于稳定。随着干湿循环次数的增加，黏聚力呈二次函数形式衰减，并在第1次循环过程中衰减幅度最大，内摩擦角随干湿循环次数的增加先有小幅度的增加，后逐渐减小至稳定。

综合以上试验现象及分析可以得出如下结论：

(1) 由干湿循环所导致的风化砂改良膨胀土抗剪强度降低，主要是由黏聚力的大幅衰减所造成的。

(2) 风化砂改良膨胀土在同一干湿循环条件下，垂直荷重越大，抗剪强度衰减率越小，因此适当的增加上覆荷重对改良后膨胀土在干湿循环效应下抗剪强度的衰减有明显的抑制作用。

(3) 综合考虑干湿循环效应对改良后膨胀土内摩擦角及黏聚力的影响，当掺砂比例为30%时，可有效提高膨胀土的抗剪强度及抑制由于干湿循环效应所带来的抗剪强度的衰减。

参考文献：

[1] 李正明，胡 甜，陈涵杰.干湿循环效应对路基软黏土强度影响研究[J].公路与汽运，2011,147(6)：95-99.(LI Zheng-ming，HU Tian， CHEN Han-jie. Research on the Influence of Dry-Wet Circulation on the Soft Clay Subgrade [J]. Highways & Automotive Applications，2011,147(6)：95-99. (in Chinese))

[2] 刘晓义，杨有海.石灰改良膨胀土填料试验研究[J].兰州交通大学学报，2009,28(4)：30-34. (LIU Xiao-yi，YANG You-hai. Experimental Study on Admixture of Lime-treated Expansive Soil [J]. Journal of Lanzhou Jiaotong University，2009,28(4)：30-34. (in Chinese))

[3] 赵明龙，王建华，梁爱华.干湿循环对水泥改良膨胀土疲劳强度影响的试验研究[J].中国铁道科学，2005,26(2):98-102. (ZHAO Ming-long， WANG Jian-hua， LIANG Ai-hua. Test Study on the Effect of Cyclic Dry-Wet Process on the Fatigue Strength of Cement-Soil [J]. China Railway Science，2005,26(2):98-102. (in Chinese))

[4] 张枝芳，陈晓平.反复干湿循环对非饱和土的力学特性影响研究[J].岩土工程学报，2010,32(1)：41-46. (ZHANG Zhi-fang， CHEN Xiao-ping. Influence of Repeated Drying and Wetting Cycles on Mechanical Behaviors of Unsaturated Soil [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010,32(1)：41-46. (in Chinese))

[5] 李雄威，张 勇，王 勇.干湿循环条件下广西南宁地区原状膨胀土的工程特性[J].工程勘察，2011,(8):24-27. (LI Xiong-wei，ZHANG Yong， WANG Yong. Engineering Properties of Original State Expansive Soil in Nanning of Guangxi under the Influencing of Wetting-Drying Cyclic Process [J]. Geotechnical Investigation & Surveying，2011,(8):24-27. (in Chinese))

[6] 刘忠玉，薛勇刚，王喜军.小剂量石灰稳定土的水稳性试验研究[J].郑州大学学报(工学版)，2012，33(3):15-18. (LIU Zhong-yu， XUE Yong-gang， WANG Xi-jun. Experimental Study on Water Stability of Lime-stabilized Soils with Small Lime Content [J]. Journal of Zhengzhou University (Engineering Science)，2012，33(3):15-18. (in Chinese))

[7] 杨和平，张 锐，郑健龙.有荷条件下膨胀土的干湿循环胀缩变形及强度变化规律[J].岩土工程学报，2006，28(11):1936-1941. (YANG He-ping， ZHANG Rui， ZHENG Jian-long. Variation of Deformation and Strength of Expansive Soil during Cyclic Wetting and Drying under Loading Condition [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28(11):1936-1941. (in Chinese))

[8] 刘清秉，项 伟，崔德山.离子固化剂对膨胀土结合水影响机制研究[J]. 岩土工程学报，2012,34(10)：1887-1895. (LIU Qing-bing， XIANG Wei， CUI De-shan. Effect of Ionic Soil Stabilizer on Bound Water of Expansive Soils [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2012,34(10)：1887-1895. (in Chinese))

[9] 魏永耀，孙树林，郑华章.膨胀土-胶粉(ESR)强度特性室内试验研究[J].工程地质学报，2010,18(4)：543-547. (WEI Yong-yao， SUN Shu-lin， ZHENG Hua-zhang. Laboratory Tests on Uniaxial Compressive Strength of Expansive Soil-rubber (ESR) [J]. Journal of Engineering Geology， 2010,18(4)：543-547.(in Chinese))

[10] 王建华，高玉琴.干湿循环过程导致水泥改良土强度衰减机理的研究[J].中国铁道科学，2006,27(5)：23-27. (WANG Jian-hua， GAO Yu-qin. Study on the Strength Degradation Mechanism of Cement Soils Resulting from Dry-wet Cycles [J]. China Railway Science，2006,27(5)：23-27. (in Chinese))

[11] 乐金朝，李新明，乐旭东.钢渣稳定土的水稳性试验研究 [J].郑州大学学报(工学版)，2010,31(2)：18-21. (YUE Jin-chao， LI Xin-ming， YUE Xu-dong. Experimental Study on Water Stability of Steel Slag Stabilized Soil [J]. Journal of Zhengzhou University (Engineering Science)， 2010,31(2)：18-21. (in Chinese))

[12] 曹 玲，罗先启.三峡库区千将坪滑坡滑带土干-湿循环条件下强度特性试验研究[J].岩土力学，2007,28(增)：93-97. (CAO Ling， LUO Xian-qi. Experimental Study of Dry-wet Circulation of Qianjiangping Landslide Unsaturated Soil [J]. Rock and Soil Mechanics，2007,28(Sup.)：93-97. (in Chinese))