干湿循环对非饱和土力学性质影响研究

卞明智 （林同棪国际工程咨询（中国）有限公司，重庆 400000）

1 概述

非饱和土边坡，是典型的三相土壤结构，比常规的饱和土体相比多了一个气相，但研究土体结构时并不是单纯的加入一个气相，而是气态、液态、固态三项互相影响、互相耦合的状态。特别是气相与液相交接面处的气-液二相水膜具有表面张力，生活中宏观称为毛细作用。从物理参数的角度需要考虑土体中的空气孔隙率、级配及压缩指数等指标；力学参数中需要引入孔隙水压力，即基质吸力。然而现实中的所有室内物理力学实验，均为饱和土所测出来的物理力学参数，不具有工程实际意义。

现实自然界中有90%以上的边坡属于非饱和土边坡，工程界中的路基边坡、河坝等人工填土边坡也属于非饱和土边坡，经过大气降水-渗流-蒸发或蒸腾等反复循环作用，其内部的物理性质如单位体积含水量、级配及压缩指数，力学性质如水土特征曲线、孔隙水压力及抗剪强度等性质发生一定变化。

本文以非饱和土三轴仪为试验仪器，以降水渗流-蒸发固结循环为实验条件，以非饱和土三轴排水剪切样与原土体样为实验对象进行对比实验，其结果对土体边坡变形、力学性能及稳定性有重要作用。

实验使用标准室内压实试验方法制备直径为39.0mm，高度为80.0mm的非饱和土三轴排水剪切样品，样品的初始含水量为22.5%，压实后所需的密度为2.95g/m3。将非饱和土三轴排水剪切样品分为12组，控制吸力值分别为0 kPa、50 kPa、100 kPa和200 kPa，控制固结压力分别为50 kPa、100 kPa和200 kPa。待吸力平衡和固结稳定后，在相等吸力条件下施加预压力，施加预定的吸力值和各向同性固结方法，保持孔隙水压力恒定，孔隙水压力恒定为零，并以0.0098 mm/min的恒定剪切速率缓慢施加轴向剪切。通过加载重复的干湿循环来研究非饱和土壤的机械强度。干湿循环样编号为RDW1，击实样编号为RC1。

2 试验结果研究

2.1 反复干湿循环对土水特征曲线的影响

根据试验结果，绘制RC1样和RDW1样在脱水蒸发路径中每单位体积含水率对应的基质吸力关系曲线，即水土特征曲线，如图1所示。

图1 土水特征曲线比较

根据土水特征曲线的比较，很容易能看出在单位体积含水率相同的条件下，两个试样对应的基质吸力不一样，RC1样在同一含水率下对应的基质吸力均高于RDW1样。说明反复的干湿循环作用下土体的力学性质受到较为显著影响，且明显下降，降幅约为40%。

由以上结论探究其原因，在反复干湿循环后土体的主要结构发生了一些变化，从气相来讲，土壤内的孔隙度增加；从液相来讲，土体单位体积含水率发生变化；从固相来讲，土体级配变化，内部钙质溶盐流失导致化学场变化而引起力学性质变化。对于非饱和土而言，更重要的原因为土体内部的气-液交接面处“黏膜”吸力发生较大变化导致力学性能下降。

2.2 反复干湿循环对固结特性的影响

图2(a)显示的是RC1样和RDW1样在吸力为0 kPa(饱和土)的等向压缩曲线的对比，从图中明显可见，基质吸力在0kPa～1kPa时，孔隙比变化平缓；基质吸力超过1kPa后，孔隙比急剧从0.65下降至0.35左右，非饱和土较对照组土样下降幅度更大，同等基质吸力下，下降幅度差约为0.1～0.2；图2（b）分别显示了在50和200 kPa下RC1和RDW1类吸力的各向同性压缩曲线比较，其变化趋势与图（a）一致。但当基质吸力超过2.5 kPa后，孔隙比趋近于稳定值0.32，之后随着基质吸力增加，孔隙比均不再变化。

根据以上分析表明，在基质吸力增加初期，土样的收缩指数与基质的吸力成正向相关，试样达到屈服点，以致土体内部结构疲劳甚至破坏，孔隙收缩的尺寸效应不甚明显。

图2 不同吸力条件下的等向压缩曲线比较

2.3 反复干湿循环对非饱和土力学强度的影响

击实样和干湿循环样在等吸力剪切试验中气-液二相水膜的平面上的临界状态线如式（1）所示。

在等式（1）中，M（s）和μ（s）是矩阵吸力的函数，它们分别是临界状态线的斜率和q轴上的截距。

对于RC1和RDW1，M（s）的变化很小，并且M（s）被认为是与吸力无关的常数。常数M在Fredlund非饱和土的剪切强度表达式中等于φ'。Fredlund的双应力变强度理论非饱和土的抗剪强度表示为公式（2）。

RC1的M(s)平均值为0.837，相当于20.6°的内摩擦角，RDW1样的M(s)平均值等于0.736，说明RDW1试样经过反复干湿循环后，剪切曲线出现了明显的峰值变化，然后软化下降，剪应力减少约5%，内摩擦角减少约10%。

3 结语

本文针对实际情况中占自然界和工程中大部分的非饱和土的特点，考虑到非饱和土是气态、液态、固态三相互相影响、互相耦合的状态，针对力学分析中非饱和土的气相与液相交接面处不可忽略的气-液二相水膜的表面张力，因此采用非饱和土三轴仪在降水渗流-蒸发固结循环下进行多次压缩试验，研究了反复干湿循环对非饱和土力学性质的影响。得出以下结论。

①在反复干湿循环后，土体的主要结构发生了一些变化，土壤内的孔隙度增加、单位体积含水率发生变化、土体级配变化，内部钙质溶盐流失导致化学场变化而引起力学性质变化。特别是非饱和土体内部的气-液交接面处“黏膜”吸力下降导致力学性能下降。

②非饱和土和原样土在吸力为0 kPa(饱和土)的等向压缩曲线中孔隙比无明显变化，基质吸力在0kPa-1kPa时，孔隙比变化平缓；基质吸力超过1kPa后，孔隙比急剧下降，非饱和土较对照组土样下降幅度更大，同等基质吸力下，下降幅度差约为0.1～0.2；在50和200 kPa下非饱和土和原样土的各向同性压缩曲线变化趋势与0 kPa时一致。但当基质吸力超过2.5 kPa后，孔隙比趋近于稳定值0.32，之后随着基质吸力增加，试样达到屈服点，以致土体内部结构疲劳甚至破坏，孔隙比均不再变化，孔隙收缩的尺寸效应不甚明显。

③经过反复吸湿和干燥后，剪切破坏产生明显剪切滑裂面，土体力学性质降低，抗剪强度参数降低，其中摩擦角的幅度大约为10%。

以往针对土体的室内、室外力学实验参数均为饱和土试样，然而自然界天然边坡、工程边坡、人工填土边坡等均为非饱和土体边坡，自然气候降雨-蒸发-蒸腾作用即为反复干湿循环条件，因此本文不仅在学科耦合理论上具有科研意义，更具有重要的工程实践意义。