干湿循环下南水北调中线工程压实壤土物理力学性质研究

占世斌 张胜军 何娇

摘要：南水北调中线工程黄河以北的膨胀岩土边坡一般采用壤土换填方法进行处理。由于降雨及蒸发等周期性变化原因，压实壤土经常处于干湿交替状态，使壤土换填层产生一系列变形失稳现象。选取壤土扰动样，制成最优含水率下不同压实度的样品，并开展干湿循环试验，以模拟野外土体含水率反复变化的条件;通过分析不同压实度、不同压力条件下样品物理力学特性随时间的变化规律，研究了干湿循环作用对压实壤土物理力学特性的影响。研究结果表明：干湿循环对不同初始压实度壤土的抗剪强度所造成的影响不同;不同初始压实度下，随着干湿循环次数增多，壤土黏聚力和内摩擦角均不断减小并最终趋于稳定。研究成果可为渠坡稳定性研究提供参考。

关键词：压实壤土; 干湿循环; 物理力学性质; 南水北调中线工程

中图法分类号：TU452 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.019

文章编号：1006 - 0081（2022）04 - 0113 - 05

0 引 言

南水北调中线工程黄河以北的新乡-邢台段大量分布具有弱至中等膨胀潜势的膨胀岩土。对于中膨胀岩土边坡和弱膨胀岩土过水及非过水断面，一般采用壤土换填进行处理。2016年7月，暴雨诱发部分壤土换填层变形失稳。由于缺乏对壤土换填层工程性状的认识，应对此类渠坡失稳现象时有许多难题尚待解决。

工程中，压实填土往往受各种多变的自然环境因素影响，诸如降雨及蒸发的周期性变化、地下水位升降等干湿交替过程。压实填土经历反复的增湿和减湿作用，物理力学性质随之发生显著变化。马历权[1]指出，公路填方路堤干湿循环效应是导致路基路面开裂、不均匀沉降的重要影响因素;郝延周等[2]研究發现不同结构状态压实黄土的力学特性差异明显，干湿循环对填方地基的变形影响较大;张芳枝等[3]发现，干湿循环作用可导致压实黏土的力学特性产生不可逆转的变化;万勇等[4]指出，干湿循环作用对不同压实度黏土力学特性的影响是不可逆的体积收缩和大孔体积增多、微裂隙发育的综合表现;Kay等[5]指出，干湿循环作用后土体的抗拉强度明显降低;赵俊宇等[6]指出孔隙变化是持水特性和强度参数劣化的内在原因;刘宏泰等[7]发现，第一次干湿作用后压实土体变形及强度的变化最为剧烈，3～5次后土体结构达到新的动态平衡状态，强度及变形趋于稳定;赵天宇等[8]指出，干湿循环作用使土中胶结物溶蚀，孔隙贯通或扩张，土体中大孔隙增多，饱和含水率增大，持水能力降低，进而影响黄土的土-水特征曲线;袁志辉等[9]研究发现，多次干湿循环会使原状黄土的结构强度消失，和重塑黄土具有基本相同的强度特性和土体结构;王飞等[10]通过室内试验发现，干湿循环作用使压实黄土重新具有湿陷特性，即表现出二次湿陷的现象。南水北调中线工程非过水断面壤土换填层存在干湿交替过程，而对于压实壤土在干湿循环条件下的物理性质及强度特性变化鲜有研究。基于此，以南水北调中线工程辉县某标段壤土换填层为研究对象，通过一系列的室内试验对干湿循环条件下壤土的物理性质及强度特性进行综合研究，探讨了壤土在干湿循环下的强度变化规律，对分析预测渠坡稳定性、掌控渠道安全性、主动防控渠坡变形破坏、减少渠道运行风险具有重要的现实意义。

1 研究思路及方法

1.1 试验材料及制备

试验用壤土为黄褐色粉质壤土，含砂及少量钙质结核。按照GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》[11]进行颗粒分析、界限含水率、轻型击实试验。土样颗粒级配如图1所示，其颗粒组成为粉粒73.2%，黏粒20.4%;液限30.7%，塑限15.3%，塑性指数15.4，最优含水率15.2%，最大干密度1.83 g/cm3。

为保证试验用土物理性质的均匀性，将壤土混合样风干、碾碎，过2 mm筛。根据最优含水率将过筛土样配水拌匀后于密封容器内静置24 h，再按设计干密度称取对应质量的土样，采用击样法将其击入环刀内，制备压实度分别为0.90， 0.95， 1.00的样品各三组，对应干密度分别为1.65，1.74 g/cm3和1.83 g/cm3，含水率15.2%，试样直径61.8 mm，高20 mm。

1.2 试验方法及要求

将压实度0.90，0.95，1.00的三组制备样进行干湿循环试验，模拟野外土体含水率反复变化的条件。在0，12.5，25.0 kPa压力下，分别在1，2，3，4，5，6个月时，测试制备样的抗剪强度、含水率、干密度及压实度;分析不同压实度、不同压力条件下样品物理力学性质随时间变化的规律。

选用WZ-2无荷膨胀仪进行0 kPa压力试验，选用GJZ-1三联固结仪及ZYY-3型直剪预压仪进行进行12.5， 25.0 kPa压力试验。试验步骤如下。

（1） 0 kPa压力干湿循环。① 将制备好的试样置于无荷膨胀仪内，安装百分表，记录百分表初始读数，向容器内自下而上注入纯水，保持水面高过试样5 mm饱和48 h，记录百分表读数，称量试样质量（简称“饱水0次”）。② 打开容器底部排水通道，水从通道内排出;试样在室内环境下自然风干15 d，记录百分表读数;将容器底部排水通道关闭，然后向容器内注水并饱和48 h，记录百分表读数;再打开排水通道，使试样在室内环境下自然风干15 d，记录百分表读数，称量试样质量（简称“失水1次”）。③ 将容器底部排水通道关闭，然后向容器内注水，饱和48 h后记录百分表读数，称量试样质量（简称“饱水1次”）。②～③步骤为一个干湿循环周期，历时34 d。④ 重复②～③步骤5次，即干湿循环6次。

（2） 12.5， 25.0 kPa压力干湿循环。① 将制备好的试样置于固结仪内，安装百分表，记录百分表初始读数;施加12.5 kPa压力，向容器内自下而上注入纯水，保持水面高过试样5 mm饱和48 h，记录百分表读数，称量试样质量。② 打开容器底部排水通道，水从通道内排出，试样在室内环境下自然风干15 d，记录百分表读数;将容器底部排水通道关闭，然后向容器内注水并饱和48 h，记录百分表读数;再打开排水通道，试样风干15 d，记录百分表读数，称量试样质量。③ 将容器底部排水通道关闭，然后向容器内注水，饱和48 h后记录百分表读数，称量试样质量。②～③步骤为一个干湿循环周期，历时34 d。④ 重复②～③步骤5次，即干湿循环周期共6次。

25.0 kPa压力干湿循环试验步骤与12.5 kPa压力时的步骤一致，但施加压力为25.0 kPa。

（3） 直剪试验干湿循环。将制备好的试样置于直剪预压仪内，分别施加6.0，12.5，18.0，25.0 kPa压力，干湿循环步骤同（2）所述，向容器内注水，饱和48 h;打开容器底部排水通道，风干15 d;然后再注水饱和48 h，排水风干15 d;反复上述步骤。

2 试验结果及分析

2.1 干湿循环对壤土物理性质的影响

壤土制备样经过6个月的干湿循环，取得了不同压实度壤土干湿循环物理指标如表1所示，并根据该试验结果绘制了壤土干湿循环作用下含水率w、压实度K与饱水次数关系曲线（见图2～3）。

根据表1和图2～3分析如下。

（1） 制备样经过1个周期的干湿循环，其饱和含水率达到最大值;随着干湿循环次数的增加，土样饱和含水率逐渐减小;经过4次干湿循环，土样饱和含水率趋于稳定;土样上覆荷载越大，其饱水后含水率越小。经过分析，判断该现象与土样上覆荷载有关：① 在土样含水率增加的过程中，土体软化，而加载则使软化的土体填充了黏粒间的部分孔隙;② 每一次试验均有部分孔隙被填充，导致其饱和含水率逐渐减小。但是，土样黏粒间的空隙不会被完全填充，所以经过几次干湿循环后，土样的饱和含水率基本上不再变化。

（2） 在0 kPa压力下，制备样饱水后的压实度达到最低值;随着干湿循环次数的增加，压实度逐渐增大;经过4次干湿循环，土样压实度趋于稳定，但压实度均低于初始压实度。制备样初始压实度越小，土样饱水后的压实度降幅越大。

（3） 在12.5， 25.0 kPa压力下，制备样经过3次干湿循环后，压实度趋于稳定并均大于初始压实度;且土样上覆荷载越大，其压实幅度越大。

2.2 干湿循环对壤土力学性质的影响

为了研究干湿循环作用对压实壤土抗剪强度的影响，对经历0， 1， 2， 3， 4， 5， 6次干湿循环后的试样分别进行直剪试验，所得试验成果如表2所示。壤土直剪强度参数（黏聚力、内摩擦角）与干湿循环次数关系曲线如图4～5所示。根据表2、图4～5分析如下。

（1） 不同初始压实度下，随干湿循环次数的增多，壤土黏聚力和内摩擦角均以幂函数形式呈降低趋势，且前期衰减快、后期衰减慢，并最终趋于稳定。该现象表明，工程中土体的工程特性虽然比较稳定，但随着干湿循环等风化作用不断增强，压实土体仍有可能表现出弱化现象，从而产生较大变形甚至导致工程破坏。

（2） 同一压实度下，干濕循环对壤土黏聚力的影响比内摩擦角大。经过6次干湿循环后，在0.90压实度下，黏聚力衰减20.7%，内摩擦角衰减12.6%;在0.95压实度下，黏聚力衰减21.7%，内摩擦角衰减15.0%;在1.00压实度下，黏聚力衰减23.0%，内摩擦角衰减16.6%。

（3） 干湿循环对不同初始压实度壤土抗剪强度的影响不同：壤土初始压实度越大，其抗剪强度衰减越大。

3 结 论

（1） 壤土制备样经过1个周期的干湿循环，其饱和含水率达到最大值;随着干湿循环次数的增加，土样饱和含水率逐渐减小;经过4次干湿循环，土样饱和含水率趋于稳定，且土样上覆荷载越大，其饱水后含水率越小。在0 kPa压力下，制备样饱水后的压实度达到最低值，随着干湿循环次数的增加，压实度逐渐增大;经过4次干湿循环，土样压实度趋于稳定但均低于初始压实度;制备样初始压实度越小，土样饱水后压实度降幅越大;在12.5 kPa和25.0 kPa压力下，制备样经过3次干湿循环，压实度趋于稳定并均大于初始压实度，且土样上覆荷载越大，其压实幅度越大。

（2） 随着干湿循环次数的增多，壤土黏聚力和内摩擦角均以幂函数形式呈降低趋势，且前期衰减快、后期衰减慢并最终趋于稳定。该结果表明：干湿循环作用使压实土体表现出弱化现象，从而可能产生较大变形甚至边坡破坏;干湿循环对不同初始压实度壤土抗剪强度的影响明显不同，即初始压实度越大，抗剪强度衰减越大。

（3） 壤土的干湿循环是一个复杂的过程，其试验工作量大;而压实度、含水率、干湿循环幅度、干湿循环次数等诸多因素均影响着壤土的微观结构和强度。研究干湿循环作用对压实壤土物理力学特性的影响，能够为分析预测渠坡的稳定性、主动采取防控措施、降低渠道运行风险提供理论基础。

参考文献：

[1] 马历权. 公路填方路堤纵向开裂机理的理论分析[J]. 冰川冻土，2011，33（4）：855-858.

[2] 郝延周，王铁行，程磊，等. 考虑干湿循环影响的压实黄土结构性本构关系[J]. 岩土力学，2021，42（11）：2977-2986.

[3] 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.

[4] 万勇，薛强，赵立业，等. 干湿循环对填埋场压实黏土盖层渗透系数影响研究[J]. 岩土力学，2015，36（3）：679-686，693.

[5] KAY B D，DEXTER A R.The influence of dispersible clay and wetting-drying cycles on the tensile strength of a red-brown carth[J]. Australian Journal of Soil Research，1992，30（3）：297-310.

[6] 赵俊宇，许增光，蔡军瑞，等.干湿循环条件下重塑黄土强度与持水特性的试验研究[J]. 水电能源科学，2021，39（9）：169-172，139.

[7] 刘宏泰，张爱军，段涛，等.干湿循环对重塑黄土强度和渗透性的影响[J]. 水利水运工程学报，2010（4）：38-42.

[8] 趙天宇，王锦芳. 考虑密度与干湿循环影响的黄土土水特征曲线[J]. 中南大学学报（自然科学版），2012，43（6）：2445-2453.

[9] 袁志辉，倪万魁，唐春，等.干湿循环下黄土强度衰减与结构强度试验研究[J].岩土力学，2017，38（7）：1894-1902，1942.

[10] 王飞，李国玉，穆彦虎，等.干湿循环作用下压实黄土湿陷特性试验研究[J]. 冰川冻土，2016，38（2）：416-423.

[11] GB/T50123-2019 土工试验方法标准[S].

（编辑：高小雲）

Research on physical and mechanical properties of compacted loam of Middle Route Project of South-to-North Water Diversion under drying-wetting cycles

ZHAN Shibin1， ZHANG Shengjun2， HE Jiao2

（1. Yangtze River Engineering Construction Bureau， Changjiang Water Resources Commission， Wuhan 430010， China; 2. Changjiang Institute of Survey Technical Research of Ministry of Water Resources， Wuhan 430011， China）

Abstract： For Middle Route Project of South-to-North Water Diversion， the expansive rock-soil canal slope in the north of the Yellow River is generally replaced with loam. Due to the periodic changes of rainfall and evaporation， the compacted loam is often in a wet-dry cycling condition which causes a series of phenomena such as deformation and instability of the loam replacement layer. By selecting disturbed samples of loam， different compaction samples under the optimal moisture content are prepared for the drying-wetting cycles test to simulate the repeated changes of moisture content of soils in the field. The physical and mechanical properties of the samples under different compaction and pressure conditions are analyzed， and the effects of drying-wetting cycles on the physical and mechanical properties of compacted loam are studied. The results show that： under different initial compaction degrees， the cohesion and internal friction angle of loam decrease continuously and eventually tend to be stable with increase of drying-wetting cycles; the effects of drying-wetting cycles on the shear strength of loam are different under different initial compaction degrees.

Key words： compacted loam; drying-wetting cycles; physical and mechanical property; Middle Route Project of South-to-North Water Diversion