引江济淮试验工程膨胀土干湿循环强度特性研究

2018-09-03张坤勇袁俊平

治淮 2018年8期

权全陈恕张坤勇李威袁俊平

（1.安徽省引江济淮集团有限公司合肥 230601 2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室南京 210098 3.河海大学岩土工程科学研究所南京 210098）

1 引言

膨胀土是一种特殊的高塑性黏性土，具有吸水膨胀、失水收缩的工程特性。膨胀土的工程特性对气候变化敏感，因其干湿循环特性所导致的破坏具有往复性、多发性和长久性的特点，处于膨胀土地区的土坡，无论是路堤、路堑、渠道边坡等常发生边坡失稳破坏，给工程建设带来巨大的灾害。

引江济淮工程南起长江下游安徽江段北岸，向西北流经巢湖，沿派河跨越江淮分水岭后流入淮河流域，是一项以城乡生活供水、工业供水、发展江淮航运和农业灌溉补水为主，结合改善巢湖及淮河水生态环境等综合利用的大型跨流域调水工程。工程难点在于沿程开挖的明渠边坡，均上覆弱、中等膨胀潜势的重粉质壤土和粉质黏土，如菜子湖线边坡以混合边坡为主，含膨胀土渠段长约37.85km。过巢湖白石天河口取水线路膨胀土段约18.68km。江淮分水岭普遍分布着膨胀土和具有崩解特性的泥质砂岩，膨胀土渠段约55.4km，均对渠道边坡的稳定构成不利影响，因此对引江济淮工程膨胀土强度特性的研究极具实用价值。

2 试验思路

目前通常认为：裂隙的存在和发展是膨胀土抗剪强度降低的主要原因。裂隙的扩展不仅破坏了土体的结构，还为地表水分的渗入提供入渗通道，使得较深层的膨胀土也开始浸水膨胀，裂隙逐步向深层发展，许多学者从干湿循环效应着手测定膨胀土抗剪强度，如吕海波等通过自然风干和喷水措施模拟干湿循环，探讨了南宁地区原状膨胀土抗剪强度与循环次数、幅度以及含水率之间的关系。李雄威等先利用大环刀样来模拟干湿循环过程再转制小环刀样，以此缩小因尺寸效应对实验造成的影响。为了更贴近工程实际，吴珺华等利用现场大型剪切仪，分别对经历与未经历干湿循环的膨胀土展开直剪实验。以上述学者研究为基础，本文通过室内干湿循环试验，对膨胀土强度特性展开研究。

3 试验内容

3.1 试验土样

此次试验土样取自引江济淮试验段右岸裸4区k40+750附近，呈灰黑色。天然状态下常处于硬塑状态，土体裂隙发育，并且多成网状和龟裂状，裂面光滑，有时可见挤压的擦痕，裂隙中局部有白色，灰白色填充物。

原状样制样方法：试验土样封闭包好后运回实验室。在标准钢环刀（直径61.8mm、高度20.0mm）内壁涂一薄层凡士林后，垂直压入土体，边压边削，均匀用力，制得原状土样30个，选取其中密度相近（差值p≤0.03g/cm3）的24个土样作为试验用样（平均p=1.97g/cm3），并将其分为6组，分别用于不同循环次数下的试验。通过室内土工试验，获得所取膨胀土的基本物理性质如表1所示，根据膨胀潜势等级判别标准可知，该膨胀土具有强膨胀性。

3.2 试验方案

制备4个土样为一组，进行5次干湿循环，通过称重来控制土样含水率，在完成各自设定的干湿循环次数后对土样进行快剪试验，由此获得土样强度随干湿循环次数的变化规律。脱湿温度取40℃，为加快试验进程，采用带有小型电风扇、温度可控的烘干箱来模拟膨胀土体脱湿过程。脱湿过程结束后，将土样装进饱和器重新进行抽气饱和，抽气时间及浸泡时间为1h和12h，饱和完成后，重新进行脱湿，如此反复5次，模拟反复干湿循环过程。经测试，土样饱和含水率为31%，脱湿稳定时的含水率为4%，土样含水率降低约27%。

4 试验结果

表1 膨胀土的物理性质表

4.1 膨胀土表面裂隙开展

随着干湿循环试验的往复式进行，在膨胀土体主（大）裂隙长度与宽度有所增加的同时，次生裂隙也会进一步扩展，总体趋势是裂隙数量增多，土体更加破碎。这是因为膨胀土上下表面脱湿速率并不均匀，土样上部由于与热空气直接接触所以其脱湿速率要高于下部，因而造成土样上下收缩不均产生裂缝。随着干湿循环的往复式进行，次生裂隙逐步扩展，相互贯通连接，表面裂隙发育成网状，土体结构性被极大地破坏。