等幅干湿循环对成都膨胀土强度的影响

何艳清 李 涛 叶 豪 刘诺金 罗沐池 张玉鑫

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

等幅干湿循环对成都膨胀土强度的影响

何艳清 李 涛 叶 豪 刘诺金 罗沐池 张玉鑫

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)

以成都某工程现场膨胀土样为研究对象，对不同干湿循环次数的膨胀土试样开展直剪试验，结果表明，在相同循环幅度和初始含水率下，随着干湿循环次数的增加，试样的抗剪强度不断减小，最终趋于一个稳定值。

干湿循环，膨胀土，峰值强度，残余强度

0 引言

国内外学者针对膨胀土在干湿循环条件下的膨胀收缩及强度特征，依据国家规范及不同的工程情况，已开展过大量试验研究。如杨和平等[1]对南宁膨胀土进行常规直剪试验，验证了荷载对膨胀土强度变化有较大影响。黄震等[2]通过室内常规直剪试验得到膨胀土内摩擦角随干湿循环次数和循环幅度呈起伏变化。徐彬等[3]通过直剪试验和三轴试验，发现影响膨胀土强度的三个重要因素即含水率、密度、裂隙。赵艳林等通过对膨胀土进行直剪试验发现除缩限之外，其他胀缩性指标均随干湿循环级数的增加而逐渐减小。Tony LT Zhan and Charles WW Ng[4]通过实验发现膨胀土的强度随着基质吸力的增加而增加。但在以往的干湿循环模拟试验研究中，土样的竖向荷载变化范围多是5 kPa～50 kPa，不符合规范，且实际较大工程设有支挡结构的边坡处膨胀土受到的竖向压力往往较大，不能准确反映工程实际和膨胀土强度随干湿循环过程变化而变化的完整规律。所以，为获得更全面的实际工况的试验参数和指标，开展规范荷载下多次干湿循环胀缩变形和强度特性试验研究就显得尤为必要。

1 试验方案

试验采用击实法制样，根据预定的干密度计算出土饼的高度，再按照压实要求击实土样。在此次试验中控制土饼的干密度为1.6 g/cm3，预设击实后的土饼厚度为3 cm；土饼的直径为10 cm，土饼的体积为235 cm3，以含水率为18%为例，则干土重量为376 g，含水率为18%，则湿土重量为443.68 g。为防止试验装土过程中的损耗，称取含水量为18%的湿润土445 g，放入击实仪中击实成厚度为3 cm的土饼。最后，对环刀逐一进行编号，并测量环刀的体积和质量，用环刀从预先制好的土饼中取出直径为6.18 cm，高2 cm的土样。

控制试样的初始含水率为18%、干密度为1.6 g/cm3，试样经过不同干湿循环次数(0,1,2,3,4,5)，对其进行直剪试验，直剪时土样的含水率控制为18%，循环幅度介于缩限含水率4.5%与饱和含水率32%之间。

2 试验结果分析

图1是相同竖向压力下各循环次数后强度变化曲线。第1次～第3次循环分别相对于上一次循环后的峰值强度平均下降17.02%,8.37%,7.56%，残余强度平均下降17.88%,15.82%,17.62%；第3次～第5次循环分别相对于上一次循环后的峰值强度平均下降5.97%,2.22%，残余强度平均下降9.85%,4.45%。

从图1中明显能够看出，相同竖向应力条件下，伴随着循环级数的逐渐增加，试样的峰值强度不断减小，且曲线的斜率越来越小。表明第1次～第3次循环峰值强度和残余强度的减小幅度较大，随后的2次循环减小幅度虽有降低，但总体仍呈减小的趋势，最后趋于一个稳定值。这与国内外许多研究结果[5-11]相同。原因在于第1次～第3次干湿循环过程引起土体内部结构发生不可恢复的改变或破坏，导致试样虽然含水量相同，但内部密实度减小，基质吸力急剧降低，土样中突然产生较多裂隙面，裂隙发育较快，使得试样峰值强度和残余强度急剧减小；第4次、第5次循环后由于土颗粒大小的局限性以及含水量的控制，土样基质吸力和密实度逐渐恒定，土体中裂隙面虽仍有发育，但在原来已生成的裂隙基础上基本不再变化，故而试样的峰值强度和残余强度逐渐趋于稳定。

从峰值强度和残余强度二者的比较来看，在等幅干湿循环5次后，各种竖向荷载作用下峰值强度减小值分别为30.48 kPa，34.02 kPa，32.93 kPa，49.39 kPa，53.19 kPa，平均值为40.00 kPa；残余强度减小值分别为28.5 kPa，28.43 kPa，35.64 kPa，50.12 kPa，56.52 kPa，平均值为39.84 kPa。两平均值相差0.15%，极为接近，可视为相同。说明在循环幅度和初始含水率相同的情况下，经历相同次数的干湿循环过程后，峰值强度和残余强度的减小值相同，又由于循环5次后，土体的峰值强度减小，故而可得，随着循环次数的增加，土样的脆性指数逐渐增大，这也正是膨胀土强度减小的原因所在。同时峰值强度和残余强度的减小值相同这一点，也说明了在膨胀土从峰值强度到残余强度这个阶段中，干湿循环对其并没有影响。主要是因为膨胀土达到峰值强度后，结构被破坏，土体被压到最密实的状态，土体强度的变化主要是由于最大主应力面即破坏面的变化，与干湿循环导致的土体黏聚力和内摩擦角的变化无关，所以峰值强度和残余强度的差值才不会改变。

从竖向荷载的角度分析，随着竖向荷载的增大，膨胀土样的峰值强度和残余强度都会增大，这正与库仑准则一致：即随着正应力的增大，颗粒间产生的与正应力成正比的摩擦力逐渐增大，土的抗剪强度也就随之增加。这也间接证明了试验的正确性与可靠性。因此在工程中适当提高竖向荷载有助于提高膨胀土的稳定性。

3 结语

1)在相同循环幅度和初始含水率下，随着循环级数的逐渐增加，试样的峰值强度和残余强度不断减小，且减小的幅度值越来越小,最终趋于一个稳定值。因此多雨膨胀土地区的施工应在雨后进行及时的边坡稳定监测和加固。

2)经历相同次数的干湿循环过程后，峰值强度和残余强度的减小值相同，并由此得出，随着循环次数的增加，土样的脆性指数逐渐增大，也说明了在膨胀土从峰值强度到残余强度这个阶段中，干湿循环对其并没有影响。

[1] 杨和平，王兴正，肖 杰.干湿循环效应对南宁外环膨胀土抗剪强度的影响[J].岩土工程学报，2014,36(5)：949-954.

[2] 黄 震，傅鹤林，韦秉旭，等.等幅干湿循环条件下膨胀土的低应力抗剪强度特征[J].四川大学学报，2016,48(1)：70-77.

[3] 徐 彬，殷宗泽，刘述丽.膨胀土强度影响因素与规律的试验研究[J].岩土力学，2011，32(1)：44-50.

[4] Tony LT Zhan,Charles WW Ng.Shear strength characteristics of an unsaturated expansive clay[J].Canadian Geotechnical Journal,2016,43(7)：751-763.

[5] 吕海波，曾召田，赵艳林.干湿交替环境下膨胀土的累积损伤初探[J].自然灾害学报，2012,21(6)：119-123.

[6] 李新明，孔令伟，郭爱国，等.基于工程包边法的膨胀土抗剪强度干湿循环效应试验研究[J].岩土力学，2014,35(3)：675-682.

[7] 赵 鑫，阳云华，朱瑛洁，等.裂隙面对强膨胀土抗剪强度影响分析[J].岩土力学，2014,35(1)：130-133.

[8] 于连顺.干湿交替环境下膨胀土的累积损伤研究[D].南宁：广西大学，2008.

[9] 徐 彬，殷宗泽，刘述丽.裂隙对膨胀土强度影响的试验研究[J].水利水电技术，2010,41(9)：100-104.

[10] 张芳枝，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.

[11] GOH S G,RAHARDJO H,LEONG E C.Shear strength of unsaturated soils under multiple drying-wetting cycles[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2014,140(2):362-363.

Influenceofconstantamplitudedrying-wettingcyclesonstrengthcharacteristicsofChengduexpansivesoils

HeYanqingLiTaoYeHaoLiuNuojinLuoMuchiZhangYuxin

(SchoolofMechanicsandCivilEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology(Beijing),Beijing100083,China)

A series of shear tests were conducted on expansive soil of a engineering site in Chengdu which was subjected to different drying-wetting cycles to study the influence of drying-wetting cycles on the strength characteristics of Chengdu expansive soils. The results show that as the number of drying-wetting cycles increases, the shear strength of expansive soil decay. Finally, it’s going to end up with a stable value.

drying-wetting cycle, expansive soil, shear strength, residual strength

2017-10-05

何艳清(1995- )，男，在读本科生； 李 涛(1981- )，男，副教授; 叶 豪(1995- )，男，在读本科生；

刘诺金(1996- )，男，在读本科生； 罗沐池(1995- )，男，在读本科生； 张玉鑫(1996- )，女，在读本科生

1009-6825(2017)35-0084-02

TU411.7

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