干湿循环条件下镇江下蜀土的变形特性研究

2021-07-17刘顺青杨正玉吴礼浩

华南地震 2021年2期

王威，刘顺青，杨正玉，吴礼浩

（1.江苏省地质矿产局第三地质大队，江苏镇江 212001；2.江苏科技大学土木工程与建筑学院，江苏镇江 212100）

0 引言

镇江地处江苏西南部，位于宁镇山脉东段，镇江地区的地层自震旦系至第四系均有分布，其中第四系下蜀土的覆盖面积约占陆地总面积的一半[1]。下蜀土是一种特殊的沉积性土壤，形成于中、晚更新世，在长江中下游地区分布较广，镇江地区的岗地、低山、河流阶地以及三角洲平原等均有分布。下蜀土在天然状态下多呈现褐色、黄褐色，强度和承载力较高[2]，其所含黏土矿物通常以伊利石为主[3-4]，具有遇水膨胀、失水收缩等特性[5-6]，一般为弱膨胀性土[7]。

由于填料缺乏，在镇江地区修建公路时广泛采用下蜀土作为路基填料，然而下蜀土的变形特征与一般黏性土有着较大的差别。通过人工压实达到压实度的下蜀土能够满足路基填料的要求，然而实际工程中的压实下蜀土往往会受到各种自然环境条件的影响，如降雨和蒸发、地下水位升降等干湿循环作用[8]。一般而言，压实后的填土在经历反复的干湿循环作用后，其物理力学特性会发生显著变化[9]。如张芳枝等[10]研究发现干湿循环作用是压实黏土力学特性发生不可逆变化的主要原因；周勇等[11]研究发现干湿循环作用会导致不同压实度的黏土产生不可逆的体积收缩并产生众多的微裂隙；Malusis等[12]研究发现垂直收缩及水力传导系数随着干湿循环次数的增加而增大。除上述之外，干湿循环作用也是导致路基产生不均匀沉降[13-14]及边坡失稳[15-16]等工程病害的主要原因。

从上述的分析可知，干湿循环对黏性土的变形特性具有重要影响，而对于下蜀土这种弱膨胀性土其影响更大。然而已有的研究中，仅有干湿循环对下蜀土渗透特性[17]及强度特性的影响[7]，而其对于下蜀土的变形特性影响如何，目前还缺少系统性研究。

本文以镇江南徐大道附近的下蜀土为试样，开展不同干湿循环次数下的固结压缩试验，研究下蜀土的变形特性与干湿循环次数的变化规律，并以此为基础，分析干湿循环对下蜀土路基沉降的影响规律。研究结果为下蜀土路基的设计施工及养护治理提供了参考依据，具有一定的实际工程意义。

1 试验土料及测试方法

1.1 试验土料的基本特征

试验所用的下蜀土取自镇江南徐大道附近。试验所用下蜀土的粒组成分如表1所示，基本物理力学指标如表2所示。由表1、表2及《膨胀土地区建筑技术规范》[18]（GB50112-2013）可知，试验所用下蜀土为弱膨胀性黏土。

表1 下蜀土的颗粒组成Table 1 Particle composition of Xiashu loess

表2 下蜀土的基本性质指标Table 2 The basic properties of Xiashu loess

1.2 测试方法

本试验控制下蜀土试样的干密度为1.7±0.02 g/cm3。下蜀土试样实施的干湿循环次数分别为0、1、2、3、4、5、6次，每个干湿循环次数下制备3个重塑土样，共制备下蜀土试样7组。

试样制备时在环刀的上、下方各用一张直径为79.8 mm的滤纸和一块直径为79.8 mm的透水石，防止下蜀土吸水膨胀而导致部分土粒散落。采用喷雾器对下蜀土上方的透水石连续喷水来实现加湿，每次喷湿时间至少5 min，每天喷4次，如此连续喷洒3 d可近似认为下蜀土试样达到饱和。将饱和后的下蜀土试样称重后，放入温度为40℃（模拟实际的自然环境）的烘箱中24 h，如此认为完成1次干湿循环。为保证每次干湿循环次数下的试样充分饱和，试样达到干湿循环次数后依然浇水三天。

1.3 下蜀土试验的固结压缩试验

将完成预定干湿循环次数的饱和下蜀土试样装入固结容器，施加的竖直压力分别为12.5、25、50、100、200、400 kPa，待每级荷载下每小时的变形量小于0.01 mm时，可认为试样固结稳定。试验仪器采用南京宁曦土壤仪器有限公司生产的WG-4型固结仪。试样过程按照《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019）[19]进行。

2 试验结果及分析

2.1 不同干湿循环次数下蜀土的压缩曲线

不同干湿循环次数下下蜀土的压缩曲线如图1所示。从图1中可以看出，不同的干湿循环次数下，随着竖向压力的不断增大，下蜀土孔隙比的减小速率逐渐降低；随着干湿循环次数的增加，下蜀土的压缩变形逐渐增大，但是达到一定循环次数后趋于稳定，即此时下蜀土的压缩变形达到了某一新的平衡。这种现象表明，路基中的下蜀土会随着干湿循环作用的不断增强，仍可能发生弱化现象，从而产生较大的路基变形。

图1 不同干湿循环次数下下蜀土的压缩曲线Fig.1 Compression curve of Xiashu loess under different drywet cycles

2.2 干湿循环对下蜀土压缩系数的影响分析

为定量表示干湿循环次数对下蜀土压缩系数的影响，采用下蜀土在竖向压力100～200 kPa范围内的压缩系数，相应的压缩系数曲线如图2所示。从图2中可以看出，干湿循环对下蜀土的压缩系数影响较大，未经历干湿循环的饱和下蜀土试样为中压缩性土，随着干湿循环次数的增加，下蜀土逐渐由中压缩性向高压缩性转变，经历5次干湿循环后，下蜀土的压缩系数趋于稳定。

图2 不同干湿循环次数下蜀土的压缩系数曲线Fig.2 Compression coefficients of Xiashu loess under different dry-wet cycles

造成上述结果的主要原因是干湿循环导致一定深度的下蜀土试样经历失水干缩吸水膨胀，在如此循环下试样表面出现松散，并出现裂隙，随着干湿循环次数的增加，下蜀土内部不再产生新裂隙，水对试样的影响深度趋于稳定，从而使得下蜀土压缩系数的增值变小，最后逐渐趋于稳定。

2.3 干湿循环对下蜀土形态的影响分析

不同干湿循环次数下干燥及饱和状态下蜀土的形态如图3、4所示。图3、4中从左到右分别为1～6次干湿循环的下蜀土试样。

图3 干燥状态下蜀土的形态Fig.3 Morphology of Xiashu loess in dry state

图4 饱和状态下蜀土的形态Fig.4 Morphology of Xiashu loess in saturated state

从图3、4中可看出，下蜀土试样经历1次干湿循环就与环刀壁脱开，并且试样边缘有一定的裂纹出现，3次干湿循环后裂纹数量逐渐增多，当达到6次干湿循环时，试样周边裂纹较多，并且环刀壁周边土体有一定的脱落。在下蜀土在吸水饱和过程中，脱水形成的表面裂纹又逐渐闭合，但其内部因干湿循环导致的损伤不可恢复，从而导致其力学特性的变化。

3 干湿循环对下蜀土压缩系数增加率的影响分析

为定量分析干湿循环次数对下蜀土压缩系数的影响，给出下蜀土压缩系数增加率Δi的定义：

式（1）中，avi，av0分别为第i次与第0次干湿循环时下蜀土的压缩系数。

为使问题更清晰，按式（1）计算了不同干湿循环次数下蜀土压缩系数的增加率，计算结果如图5所示。从图5可以看出，当干湿循环次数分别为1、2、3、4、5、6时，下蜀土压缩系数的增加率分别为45.5%、56.5%、62.2%、85.9%、106.0%、115.0%，可见，干湿循环对下蜀土的压缩系数有着重要的影响。产生上述结果的原因可能是下蜀土中的盐晶体在反复的干湿循环中不断淋滤，造成其易溶盐含量等变化，从而使得土体表面的扩散层变厚，颗粒之间的联接力减弱。另一方面，下蜀土中伊利石等亲水矿物在吸水过程中不断膨胀，从而导致土体骨架膨胀；干燥过程中下蜀土骨架收缩，导致土中的部分微小裂纹扩张，使得土中孔隙含量增加，且体积不能恢复到吸水之前的状态，宏观上表现为下蜀土的体积增大，在相同竖向荷载下，相应的压缩系数就相应的增大，但这种影响在5次干湿循环以后逐渐趋于平缓。

图5 不同干湿循环次数下蜀土压缩系数的增加率Fig.5 Increase rate of compression coefficient of Xiashu loess under different dry-wet cycles

4 干湿循环对下蜀土路基沉降的影响分析

本文采用GEO5中的有限元模块建立下蜀土路基的数值模型，根据前人的研究结果，将作用于路基上面的车辆荷载等效为均布荷载，大小取为20 kPa[20]，计算模型如图6所示。

图6 下蜀土路基沉降计算模型图Fig.6 Settlement calculation model of Xiashu loess subgrade

下蜀土路基沉降计算时“受干湿循环影响的下蜀土”及“下蜀土”的本构模型均采用摩尔—库伦模型，相应的计算参数如表3所示。干湿循环影响的下蜀土弹性模型不同为引起路基沉降不同的最主要因素，因此下蜀土沉降计算时重点考虑弹性模量的不同对路基沉降的影响，不考虑泊松比、黏聚力及内摩擦角的影响。表3中受干湿循环影响的下蜀土弹性模量值为第1次干湿循环下的值，其他干湿循环次数下的弹性模量值取本文试验研究的结果。