干湿循环对膨胀土强度特性的影响

2017-04-28王丹

东北水利水电 2017年4期

关键词：粘聚力摩擦角抗剪

王丹

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳110166）

干湿循环对膨胀土强度特性的影响

王丹

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳110166）

为探讨干湿循环和压实度以及不同压实条件下干湿循环对膨胀土强度特性的影响，文中对不同压实度和干湿循环次数的膨胀土进行直接剪切试验。结果表明，随干湿循环次数增大，膨胀土抗剪强度越低；随压实度增大，干湿循环后抗剪强度下降越明显；膨胀土摩尔-库伦抗剪强度参数随压实度增大而增大，随干湿循环次数增大而减小。

干湿循环；压实度；直接剪切试验；抗剪强度；膨胀土

膨胀土主要由具有较强亲水性的蒙脱石和伊利石等组成，其对湿度变化敏感，具有多裂隙性、强度衰减性和强胀缩性[1]。由于膨胀土复杂的工程特性，对膨胀土进行全面的研究具有重要意义。下文对不同干湿循环次数和不同压实度的膨胀土进行直接剪切试验，分析干湿循环次数和压实度对膨胀土强度特性的影响。

1 试验土料与试验方法

1.1 试验土料

试验土料取自某水库边坡，比重为2.71，液限为83%，塑限为37%，塑性指数为46%，级配曲线如图1所示，可知该膨胀土主要以粉粒和粘粒为主，根据土工试验规程SL237-1999可定名为高液限黏土。采用击实仪对其进行击实试验，试样尺寸为直径φ为102 mm、高度H为116 mm，击实次数为56次，锤重为2.5 kg，确定最优含水率为27%，最大干密度为1.67 g/cm3。

1.2 试验方法

根据现场含水率测试研究成果[1]，大气影响急剧层深度为地表以下0.4～0.6 m处，此处土体含水率变动幅度较大，含水率最小值为10%，含水率最大值为35%。因此，分别采用含水率为20%，压实度为90%、94%和98%分别进行0次、2次、4次和6次干湿循环试验，并将干湿循环后试样进行直接剪切试验，以研究初始含水率和干湿循环次数对膨胀土力学性质的影响，其中控制压实度为98%。此次试验共分12组，每组4个试样，其围压分别为100，200，300和400 kPa。试样首先按预设干密度和含水率配水，配水后采用静压法制样，将制好的样放在塑料袋中焖24 h，而后取出自然风干，此为1个干湿循环，将干湿循环达到预定次数的试样取出进行直接剪切试验。

图1 级配曲线

2 试验结果与分析

2.1 干湿循环次数影响

为分析干湿循环次数对膨胀土力学特性的影响，分别对含水为20%的膨胀土进行0次、2次、4次和6次干湿循环试验，取峰值强度为抗剪强度，抗剪强度与干湿循环次数关系曲线如图2所示，由于不同压实度试样抗剪强度随干湿循环次数变化规律一致，故本文仅给出了压实度为94%时试样的抗剪强度与干湿循环次数关系曲线。可知：1）随干湿循环次数增大，膨胀土抗剪强度越低，且2次干湿循环时较未进行干湿循环试样抗剪强度降低最为明显，干湿循环4次和6次时的膨胀土试样抗剪强度相差不大。这是由于随干湿循环次数增大，土体内裂隙增多，从而降低了土体的抗剪强度，且最初2次干湿循环时，裂隙增多的最明显，随着干湿循环次数增大，裂隙发育逐渐趋于平稳，抗剪强度也因此保持稳定。2）随围压增大，经不同干湿循环次数的膨胀土抗剪强度均增大。这是由于围压增大，实际上限制了试验的变形，使得试验抵抗变形的能力增大，表现为抗剪强度升高。

图2 不同干湿循环次数抗剪强度与垂直压力关系曲线

2.2 压实度影响

为分析压实度对不同干湿循环次数膨胀土力学特性的影响，分别对压实度为90%、94%和98%压实度的膨胀土进行0次、2次、4次和6次干湿循环试验，不同围压下压实度对不同干湿循环次数土样影响变化规律一致，故本文只给出了围压为100 kPa时，不同压实度条件下抗剪强度与干湿循环次数关系曲线，如图3所示。可知：1）随压实度增大，膨胀土抗剪强度增大。这是由于压实度增大，土样干密度增大，土体孔隙率越小，土样越密实，抵抗剪切破坏的能力越强，抗剪强度越大。2）随压实度增大，干湿循环后抗剪强度下降越明显。这是由于，压实度越大，土体被压得越密实，干湿循环后，土体膨胀越明显，试样内部裂隙越多，抗剪强度降低得越明显。

2.3 抗剪强度参数

基于摩尔-库伦准则，计算出不同压实度和不同干湿循环次数条件下，土体摩尔库伦抗剪强度参数，内摩擦角φ和粘聚力c如表1所示。可知：1）随压实度增大，膨胀土的内摩擦角和黏聚力均增大，压实度从90%增加到94%时，干湿循环次数为0次、2次、4次和6次的土体的黏聚力依次增长9.8%、10.9%、15.5%和12.7%，增长幅度呈先增大后减小；压实度从94%增加到98%时，干湿循环次数为0次、2次、4次和6次的土体的黏聚力依次增长7.6%、4.5%、7.2%和10.1%，增长幅度呈先减小后增大；压实度从90%增加到94%时，干湿循环次数为0次、2次、4次和6次的土体的内摩擦角依次增长3.7%、2.3%、1.7%和1.3%，增长幅度呈逐渐递减趋势；压实度从94%增加到98%时，干湿循环次数为0次、2次、4次和6次的土体的内摩擦角依次增长1.2%、1.3%、1.1%和1.7%，增长幅度呈先增大后减小再增大。2）随干湿循环次数增大，膨胀土的内摩擦角和黏聚力均减小。干湿循环次数从0次增大到2次时，压实度从90%增加到98%，粘聚力依次减小29.4%、28.7%和30.8%，内摩擦角依次减小7.9%、9.1%和9.0%；干湿循环次数从2次增大到4次时，压实度从90%增加到98%，粘聚力依次减小16.8%、13.4%和11.1%，内摩擦角依次减小,0.7%、1.2%和1.6%；干湿循环次数从4次增大到6次时，压实度从90%增加到98%，粘聚力依次减小5.9%、8.2%和5.8%，内摩擦角依次减小0.6%、0.9%和0.3%。

干湿循环后的强度与循环前强度之差比干湿循环前强度即干湿循环强度折减系数是表征干湿循环对膨胀土强度的重要指标。压实度为90%时，干湿循环2次、4次和6次的粘聚力折减系数分别为29.4%、11.9%和3.5%，内摩擦角折减系数分别为7.9%、0.6%和0.3%；压实度为94%时，干湿循环2次、4次和6次的粘聚力折减系数分别为29.7%、9.6%和5.1%，内摩擦角折减系数分别为7.3%、0.8%和0.4%；压实度为98%时，干湿循环2次、4次和6次的粘聚力折减系数分别为30.8%、7.7%和3.6%，内摩擦角折减系数分别为7.4%、0.9%和0.6%。