侧限条件对干湿循环过程中膨胀土强度的影响

吴道祥,郭静芳,熊福才,沈启鹏,胡雪婷

(合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009)

侧限条件对干湿循环过程中膨胀土强度的影响

吴道祥,郭静芳,熊福才,沈启鹏,胡雪婷

(合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009)

文章通过对合肥地区膨胀土进行侧限和无侧限的干湿循环条件下的直接剪切试验,探讨了试验过程中强度侧限条件对土样干湿循环后的强度衰减情况的影响。研究结果表明:每次干湿循环后,有侧限试样的强度都高于无侧限试样的强度,其中,侧限条件在前3次干湿循环中对膨胀土强度的影响较为明显,在第4、第5次干湿循环后,无侧限试样与有侧限试样的内聚力及内摩擦角基本接近,表明随着循环次数的增加,侧限条件对膨胀土干湿循环条件下强度的衰减影响明显减弱,直至可以忽略;在膨胀土地区工程实践中,考虑安全因素,对于易受外界条件影响而产生干湿循环的膨胀土层,其强度应采用原状土样强度的1/3。

侧向约束条件;膨胀土;干湿循环;内聚力;内摩擦角

0 引 言

膨胀土含有大量亲水性矿物,导致其对水分变动的敏感性尤为强烈,因此季节气候中的干湿循环作用对有关膨胀土的工程实践有着很大影响。有关干湿循环对于膨胀土工程性质影响方面的研究主要有：文献[1-3]研究了膨胀土抗剪强度与含水率、干湿循环次数、干湿循环幅度等控制参数的关系;文献[4]研究了干湿循环对原状土的抗剪强度的影响;文献[5]研究了击实膨胀土的干湿循环膨胀特性,表明干湿循环带来的绝对膨胀率总是增大而相对膨胀率则降低;文献[6]研究了膨胀土在不同约束条件下的膨胀特性,发现不同的约束状态对膨胀土的含水率、密度、孔隙比和抗剪强度等物理力学性质指标有显著影响;文献[7]通过现场大型直剪试验研究了膨胀土在经历干湿循环作用前后的强度对比,发现经历了干湿循环后的膨胀土的软化特征并不明显,反复胀缩形成的裂隙发育成为导致膨胀土失稳破坏的主要因素;文献[8]研究了干湿循环附加压力循环对改良后的膨胀土膨胀特性的影响,并用此来评估膨胀土经历长期的地质作用后的稳定性,另外发现了膨胀土的显微结构在第1次干湿循环后并无明显变化,其在第4次干湿循环作用后才达到稳定状态;文献[9-10]探究了印度地区的黑棉土在经历干湿循环作用后的性质改变,发现干湿循环降低了土质的稳定性,但会增加石灰处理后黑棉土中的黏粒含量。干湿循环对膨胀土的作用使得许多路堤、边坡工程在建成初期有着较好的稳定性,但若干年后稳定性会降低甚至发生破坏。

关于干湿循环对膨胀土影响的研究中,抗剪强度是很重要的一项指标。对于经历了干湿循环膨胀土的抗剪强度试验,前人已经研究了含水率、循环次数、循环幅度等控制参数的影响。但是在以往的试验中基本采用环刀来给土样施加刚性侧限,限制了膨胀土膨胀过程中的侧向膨胀变形,但在很多工程中,膨胀土在随外界条件变化而胀缩变形时其侧向的变形是存在的,特别是道路等浅表工程的膨胀土地基。因此侧向约束条件对膨胀土干湿循环条件下强度的影响需要进行进一步的研究。

本文分别制备了带环刀(有侧限)和无环刀(无侧限)的原状土样和重塑土样,经过相同的干湿循环过程后再进行直剪试验,探讨了侧限条件对干湿循环作用下的膨胀土强度的影响和作用。

1 试验材料

该试验所需土样材料取自合肥市某工地的膨胀土,取样深度4.0～5.0 m,硬塑状态,其基本物理性质见表1所列。

表1 土样的基本物理性质

2 试验方案

试验采用原状样和重塑样2组,每组包含20个无环刀试样和24个有环刀试样。

试验共设计5次干湿循环,干湿循环的幅度定为含水率20%～37%,以模拟合肥膨胀土在自然环境下的含水率变化。取4个有环刀样为1个小组进行直接剪切试验,其余的20个无环刀试样和20个有环刀试样则每4个试样为1个小组,分别进行1～5次干湿循环。

将经历了0～5次干湿循环作用后的各小组试样分别进行50、100、200、400 kPa压应力下的直剪试验。

3 试验结果分析

无侧限和有侧限的原状土试样在经历了1～5次干湿循环后的状态如图1所示;无侧限和有侧限的重塑土试样在经历了1～5次干湿循环后的状态如图2所示。从图1、图2可以看出，随着干湿循环次数的增加,所有试样的结构逐渐遭到破坏,失水时裂缝的数量和宽度逐渐增大;特别是重塑样,在后面几次循环中失水干缩后再增湿膨胀时越来越多的裂缝都无法完全闭合;有侧限试样的厚度越来越大,无侧限试样的直径越来越大;每次干湿循环后,无侧限试样的裂缝数量以及开裂程度明显要高于有侧限试样的强度。这些现象表明:干湿循环会降低膨胀土的结构完整性;膨胀土干湿循环过程中的侧限条件对其结构变形及裂缝发育等有着明显的影响。

(a) 无侧限原状土样

(b) 有侧限原状土样图1 无侧限、有侧限原状土样干湿循环后的状态

(a) 无侧限重塑土样(b) 有侧限重塑土样图2 无侧限、有侧限重塑土样干湿循环后的状态

通过对所有直剪试验的数据处理与分析,可以得到无侧限和有侧限的原状土试样在经历了不同次数干湿循环作用后的直剪试验强度曲线如图3所示。

(a) 无侧限原状土样

(b) 有侧限原状土样图3 无侧限、有侧限原状土样干湿循环后直剪试验结果

由图3可以分别计算出原状土样在经历不同次数干湿循环过程后的内聚力和内摩擦角,如图5所示。

重塑土样干湿循环后的直接剪切试验如图4所示。同样地,由图4可以分别计算出重塑土样在经历不同次数干湿循环过程后的内聚力和内摩擦角，如图5所示。

(a) 无侧限重塑土样

(b) 有侧限重塑土样图4 无侧限、有侧限重塑土样干湿循环后直剪试验成果

分析图5可得以下结论。

(1) 每一次干湿循环后,无侧限试样的强度都低于相对应的有侧限试样的强度;而且,从第2次循环开始,有侧限的重塑土试样抗剪强度仅次于有侧限的原状样,而大于无侧限的原状样和无侧限的重塑样,这一点在各组试样的内摩擦角上反映得更明显。这一现象很好地说明了干湿循环过程中膨胀土的侧限条件对其强度的影响。

(2) 随着干湿循环次数的增加,试样的强度明显在逐次降低,但在第4次干湿循环后,不论是有侧限和无侧限的,还是原状样和重塑样,各组试样的强度值均基本趋于稳定。这一现象反映了干湿循环对膨胀土强度和性质的影响非常强烈,仅4次循环后,膨胀土的初始结构强度就破坏殆尽,导致原状样和重塑样抗剪强度非常接近,而此时侧限条件对其强度的影响也随之降低到可以忽略不计。这也能从一个方面解释为什么在实际工程中,膨胀土渠道边坡沿线小型、浅层滑坡频发、多发了。

(3) 随着干湿循环次数的增加,试样的内聚力和内摩擦角都随之减小,其中,内聚力在前3次循环中急剧降低,到第4次循环后,各类试样的内聚力值彼此非常接近;而内摩擦角总体上降低幅度没有内聚力的大,往往仅经过1次干湿循环,各类试样的内摩擦角就基本稳定下来。该现象说明了干湿循环对于内聚力和内摩擦角的影响具有很大的差异。这一差异主要源于内聚力和内摩擦角来源的不同:内聚力主要来源于颗粒之间的连结,干湿循环对其影响显著,这种影响也是逐渐加深的;而内摩擦角仅源自于颗粒间的摩擦、咬合等外部作用,干湿循环对其影响不大,且仅1次循环就已将其影响发挥到位。

(a)

(b)图5 干湿循环次数对内聚力、内摩擦角的影响

因为膨胀土干湿循环过程可以看做是土体内基质吸力的反复加卸载导致土体内部结构产生不可逆的疲劳累积损伤过程[11],所以经过前面几次的干湿循环过后,膨胀土的强度会明显降低,而在后续的干湿循环中,膨胀土结构因前面的干湿循环已破坏到了一定程度,达到了某种新的稳定和平衡,其性质也将趋于一种稳定状态,其强度指标将不会随着干湿循环次数的增加而不断降低,这也是所有试样在第4、第5次干湿循环过后的强度值趋于稳定的原因。土体的强度由黏聚力分量和摩擦力分量组成,对膨胀土而言,其强度主要表现为黏聚力分量部分,而当土体在每次经历了干湿循环引起的胀缩形变后,土体结构的完整性都会降低,原先的颗粒接触点处的黏结力就会遭到破坏,因此膨胀土在干湿循环后的强度衰减主要是体现在内聚力的减小。在每次的吸水膨胀过程中,当有侧限土样的直径达到环刀直径时,其直径将不再增大,这时土样将受到来自环刀的侧向约束;在每次的收缩过程中,环刀则不再对试样产生约束作用。这相当于侧向约束减小了土样的胀缩幅度,在一定程度上保护了试样的完整性,也就降低了土样因疲劳累积损伤带来的强度衰减,因此,试验结果得出有侧限试样在前面几次干湿循环过后的强度都明显高于无侧限试样的,说明了干湿循环中的侧限条件对膨胀土的强度衰减有明显的影响。

为了便于分析,更好地探究数据后面隐藏的规律,将各次试验数据进行归一化处理。将不同试验条件、不同循环次数下的内聚力和内摩擦角的试验结果分别除以60.909 kPa、8.3°以及51.233 kPa、5.83°,归一化结果见表2所列。归一化后以下结论更为清晰。

表2 内聚力和内摩擦角归一化数据

(1) 试验针对有侧限和无侧限的原状土样和重塑土样展开,试验结果应该受侧限条件和土样初始结构状态条件的综合影响,各次循环中内聚力值和内摩擦角基本呈现为有侧限原状土样>有侧限重塑土样>无侧限原状土样>无侧限重塑土样,表明在此干湿循环阶段,侧限条件对强度的影响要高于土样初始结构状态的影响。

(2) 经过2次干湿循环后,不同条件下试样的内聚力值基本稳定,特别是对于重塑土样和无侧限原状土样,而有侧限原状土样的内聚力值在经过3次循环后也趋于稳定,但略大于其余试验条件下土样的内聚力值。对于内摩擦角,侧限条件和初始结构条件对试验结果的影响又有所不同,仅经过1次循环后,无侧限的原状土样和重塑土样的内摩擦角就迅速趋于稳定,且2种同属无侧限条件的土样内摩擦角在各次循环中非常接近;有侧限的2种土样的内摩擦角则明显高于无侧限条件土样内摩擦角。结果表明侧限条件和初始结构状态对于干湿循环中土样的内聚力和内摩擦角具有不同影响,其根本原因在于黏性土的内聚力和内摩擦角的微观来源各异:黏性土的内聚力主要来源于颗粒间的各种连接,而内摩擦角则来源于颗粒表面的摩擦阻力和咬合力等,这种差异导致了侧限条件对于内摩擦角的影响会更为显著,相对而言,内聚力则更易受到结构状态的影响。

(3) 经过5次循环后,各类土样的抗剪强度指标均非常接近,内聚力和内摩擦角均仅为原状样强度的1/3。表明侧限条件和初始结构状态对于膨胀土强度的影响仅经过5次循环就已近乎消弱为0。而且实际工程中,膨胀土更不会受到如室内试验那样的刚性约束,因此,在膨胀土地区工程实践中,考虑安全因素,对于易受外界条件影响而产生干湿循环的膨胀土层,其强度应采用原状土样强度的1/3。

4 结 论

(1) 前3次干湿循环对膨胀土强度的影响较大,随着干湿循环次数的增加,试样的内聚力在不断减小,内摩擦角也在小幅度减小;且内聚力和内摩擦角因干湿循环的影响规律有所不同。

(2) 干湿循环导致膨胀土强度降低主要体现在内聚力的减小。

(3) 侧限条件会影响干湿循环中膨胀土的强度衰减程度,每次干湿循环后,有侧限试样的强度都高于无侧限试样的强度。

(4) 侧限条件在前3次干湿循环中对膨胀土强度的影响较为明显,在第4、第5次干湿循环后,无侧限试样与有侧限试样的的内聚力及内摩擦角基本接近。

(5) 在膨胀土地区工程实践中,考虑安全因素,对于易受外界条件影响而产生干湿循环的膨胀土层,其强度应采用原状土样强度的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

国家自然科学基金资助项目(41002117;40872190)

吴道祥(1975-),男,湖北洪湖人，合肥工业大学副教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.11.023

TU411.3

A

1003-5060(2017)11-1552-05

(责任编辑 马国锋)