湿干冻融循环下伊犁渠道膨胀土抗剪特性衰减研究

2023-11-27王森涛姜海波赵海蛟喻天龙

中国农村水利水电 2023年11期

王森涛，姜海波，赵海蛟，喻天龙

（1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832003；2.伊犁河水利水电投资开发集团有限公司，新疆伊犁 835000；3.新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，新疆石河子 832003）

0 引言

北疆伊犁河北岸干渠处于天山腹地，受温带大陆性气候的影响，冬寒夏炎，渠道采用季节性供水的方式。膨胀土［1］多呈夹层状分布于该干渠沿线的山前丘陵区，跨越4 个渠段，长度近1 km。由于膨胀土富含黏土矿物，浸水膨胀，失水缩裂，在运行周期中易受到干湿和冻融循环的影响，使浅层膨胀土发生表面开裂，强度衰减等不可逆损伤，随着渠坡渗流通道竖直向下发育，土体逐层崩解剥落［2］，进而诱发膨胀土渠道边坡失稳。

针对渠道膨胀土破坏失稳的特点，一些学者［3-5］基于南水北调工程，结合非饱和渗流理论和裂隙诱导各向异性等角度，阐述了降雨对渠道膨胀土的破坏作用。为研究复杂环境下的渠道膨胀土抗剪特性的演化特征，黄震等［6，7］通过江淮地区的膨胀土干湿循环直剪试验，揭示了膨胀土抗剪强度与循环次数和循环幅度呈负相关变化。朱锐等［8］通过常规直剪试验，得出干湿循环条件下的膨胀土抗剪强度与表面裂隙率之间存在线性关系，延长排水时间能提高渠坡稳定性。ZENG等［9，10］探讨了冻融循环条件下膨胀土的变形特征，发现高含水率的膨胀土呈冻胀融缩的特点，低含水率土样变形特征与高含水率相反。张琦等［11，12］通过试验得出，含水率和冻融循环周期的增加会加剧膨胀土抗剪强度衰减，首次循环的劣化效果最为显著。张浩［13］提出新的裂隙指标，从宏-细-微3 个角度分析了膨胀土抗剪强度劣化的物理机制。

上述研究在分析渠道膨胀土的劣化问题上发挥了重要作用，但是研究对象主要集中在南方地区，对我国西北寒旱区膨胀土的抗剪强度特性研究较少，且试验边界多局限于单一干湿或冻融的循环模式以及常规应力条件，对浅层膨胀土易受扰动的特点关注不足，对两种循环模式叠加效果和抗剪强度指标的衰减机理尚不明确，因此寒旱区渠道膨胀土抗剪强度特性随湿干冻融循环的变化规律亟待进一步深入研究。

本文考虑渠道膨胀土所处的应力状态与气候环境，设计了不同干密度的膨胀土在单一干湿循环和湿干冻融循环条件下的低应力直接剪切试验，研究了不同条件下渠道膨胀土抗剪强度、黏聚力、内摩擦角的变化特征，揭示了循环模式与干密度对渠道膨胀土抗剪特性衰减规律的影响，为研究寒旱区渠道膨胀土抗剪特性提供思路，为建立膨胀土渠坡稳定性分析模型奠定基础。

1 试样制备和试验方案

1.1 土样基本性质

试验土料取自北疆伊犁地区渠系工程现场的黄色土样，取土深度为1～2 m，进行基础土工试验，得出各项参数如表1所示。根据《膨胀土地区建筑技术规范》中膨胀潜势分类规定，试样自由膨胀率为52%，为典型弱膨胀土。

表1 土样基本物理参数Tab.1 Basic physical parameters of soil samples

1.2 试样制备

由于渠道经过多年的运行与修复，含杂质较多，故使用重塑土开展试验。土料经过碾碎和烘干处理后，过2 mm 标准的筛网，设土样初始含水为21.0%（最优含水率），将配制好的土样作闷料24 h处理，当土样含水率与目标含水相差小于1%时，土样含水率制配完备。考虑到分层击实的试样可能在湿干冻融循环作用下发生分层断裂，所以称采用静压法一次成型。将称量好的土样装入制样模具，制备为高20 mm、直径61.8 mm 的重塑土饼试样，试样质量误差应小于0.1 g/cm³，膨胀土试样如图1所示。

图1 膨胀土试样Fig.1 Expansive soil sample

土样设置两种干密度，S1 为1.68 g/cm³，S2 为1.60 g/cm³，压实度为分别为100%和95%。对应渠基土在理想条件和实际运行过程中的压实程度。共计88个试样，每种干密度土样分别配制11 组，每组4 个平行试样，1 组进行无循环作用的对照试验，其余10 组分别进行干湿循环作用与湿干冻融循环作用下的低应力直剪试验。

1.3 试验方案

伊犁河北岸干渠采用季节性供水的方式，每年春季开始通水，秋季停水，加之沿线夏季最高地表温度超过40 ℃，冬季地表温度低至-30 ℃，恶劣的气候对渠道膨胀土形成了明显的湿干冻融循环作用。考虑到渠道所处环境的复杂性，本研究对循环过程进行简化，设置循环次数为5 次，试验设计方案如表2所示。

表2 试验设计方案Tab.2 Experimental design scheme

（1）干湿循环。渠道通水期间，由于浅层膨胀土在渗流作用下近于饱和状态，将此过程模拟为试样增湿的过程，试验采用浸水饱和48 h 的处理方法。停水后，渠道进入失水干燥状态，将渠道膨胀土自然干燥过程模拟为试样在恒温环境中脱湿的过程，试验采用温度设置为40 ℃的烘干试验箱做脱湿处理。试样干燥幅度为饱和含水率ws降至天然含水率w，干燥过程采用称重法监测。试样连续经历以上2 种状态的变化即为完成1次干湿循环。

（2）湿干冻融循环。当沿线温度降至0 ℃以下时，渠道开始冻结，将渠道膨胀土自然冻结过程模拟为试样在恒低温环境下冻结过程，试验使用南京安奈试验设备公司生产的冻融试验机，温度设定-20 ℃，冻结12 h。当气温由负温升至0 ℃以上后，渠身土体逐渐融化至冻结前状态，将此过程模拟为试样在恒温环境中融化过程，设置冻融试验机的温度为20 ℃，时间为12 h。冻融过程中采用3 层保鲜膜包裹试样并用橡皮圈固定，以减少试样水分损失。试样连续经历上述“湿—干—冻—融”4种处理后视为完成1次湿干冻融循环。

（3）直剪试验。常规直剪实验在100、200、300、400 kPa 的应力范围内进行，但膨胀土渠道边坡失稳多为浅层破坏，常规应力下得到的抗剪强度偏高，会对稳定性分析造成偏差。本研究对完成循环计划的试样进行饱和处理，使用应变控制式直剪仪在12.5、25.0、37.5、50.0 kPa 的低应力范围内以0.08 mm/min的速率进行快剪试验。S1WDFT 指干密度为1.68 g/cm³的试样进行湿干冻融循环直剪试验，S2WD 指干密度为1.60 g/cm³的试样进行干湿循环直剪试验，以此类推，膨胀土试样历经湿干冻融循环试验流程如图2所示。

图2 渠道膨胀土湿干冻融循环试验流程Fig.2 Wet-dry freeze-thaw cycle test flow of channel expansive soil

2 试验结果及分析

2.1 抗剪强度

图3 为在4 种循环条件下渠道膨胀土试样的抗剪强度值随循环次数变化曲线，对比图3（a）和（b）、（c）和（d）试验结果，可见，相同干密度试样的抗剪强度在2 种循环模式下的初始值相同，在随后循环过程中，干湿循环后的强度值均大于湿干冻融循环作用下的强度值。在2 种循环模式下，试样的抗剪强度均随循环周期的增加呈一定的衰减趋势，总体上曲线斜率于初次循环时最大，随后逐渐降低，在3 次循环后逐渐趋于稳定，这说明在5 次循环试验中，抗剪强度值的衰减主要集中在前3 次，衰减最严重出现在第1次循环后。

图3 不同法向应力下试样抗剪强度随循环次数的变化Fig.3 The variation of shear strength of samples under different normal stresses with the number of cycles

为便于分析2 种循环模式对试样强度衰减的影响，以法向应力为12.5 kPa为例，如图4所示，随着循环周期的增加，2种循环模式下的抗剪强度衰减率逐渐增大，相同干密度试样经历湿干冻融循环作用后的抗剪强度的衰减程度均大于湿干循环作用后的试样，这说明湿干冻融循环的劣化作用较湿干循环更加明显。在S1WDFT、S1WD、S2WDFT、S2WD 四种条件下，试样抗剪强度经历初次循环后的衰减率分别为17.1%、12.5%、28.3%、18.9%，占对应条件下总衰减率的40%～63%，其中湿干冻融循环作用后试样的抗剪强度衰减幅度较干湿循环作用增加37%～50%，在其他法向应力下也有类似现象。

对比（a）和（c）、（b）和（d）试验结果，可见干密度对渠道膨胀土的抗剪强度有着显著的影响，在相同的循环模式下，试样的抗剪强度值与干密度呈正相关变化，这是因为试样干密度越大，土颗粒越紧实，越不易被剪切破坏。

图5 为第5 次循环后2 种干密度试样的抗剪强度衰减率。在S1WDFT、S2WDFT、S1WD、S2WD 四种试验条件下历经5 次循环，法向应力为12.5 kPa 的试样，抗剪强度衰减率分别39.4%、45.0%、31.2%、38.2%，当试样干密度由S1 降低为为S2时，试样抗剪强度衰减程度相对增加13%～24%。随着法向应力增加，对应抗剪强度衰减幅度逐渐下降。在50.0 kPa 法向应力下，试样5次循环后衰减率分别为31.0%、32.0%、24.5%、26.4%，此时干密度降低为S2 时的衰减率较S1 增加不足8%。这说明在相同法向应力和循环模式下的，干密度与抗剪强度的衰减幅度呈负相关变化，法向应力越小，试样抗剪强度的衰减程度越明显，干密度的降低对抗剪强度的劣化效果越明显，印证了膨胀土渠道边坡容易发生浅层失稳的问题，在测定膨胀土强度特性时低应力条件不容忽略。

图5 第5次循环后2种干密度试样抗剪强度衰减率Fig.5 Decay rate of shear strength of two dry density samples after the fifth cycle

2.2 抗剪强度指标

基于摩尔-库伦强度理论和所测抗剪强度值，求出抗剪强度指标（黏聚力和内摩擦角），结果如图6所示。在干湿或湿干冻融循环过程中，抗剪强度指标并非简单的单向变化，而是兼具增大和减小的两种趋势。在土体挤压或脱湿状态下，“挤缩效应”明显，表现为土体吸力增大使土颗粒被拉紧，孔隙闭合，土骨架强度和土颗粒发生位移的阻力也随之增大，造成土体的黏聚力和摩擦角增加；土体持续历经干湿或冻融循环作用后，“裂隙效应”显著，表现为土颗粒反复拉扯，土体的完整性和结构性因土体内部裂隙的发育而被破坏［14］，同时削弱了土颗粒间的啮合能力，造成试样的黏聚力和内摩擦角降低。以上两种效应在循环过程中对试样的影响程度不同，并且同一效应对黏聚力和内摩擦角的影响程度也不尽相同，这就解释了在一些学者的研究中出现内摩擦角会随着循环周期“波动”增减这一现象。

2.2.1 循环模式对抗剪强度指标的影响

图6为抗剪强度指标随循环次数的变化曲线，可以看出，总体上试样的黏聚力和内摩擦角与循环次数呈负相关变化，相较于内摩擦角的变化，黏聚力衰减规律更明显。对比S1WDFT 和S1WD、S2WDFT 和S2WD 试验结果可知，控制试样干密度，采取湿干冻融循环模式下的抗剪强度指标会进一步减小。

图7为同一干密度在不同循环模式下抗剪强度指标衰减率随循环次数的变化曲线，试样经历5 次干湿循环作用后黏聚力衰减率为34.1%～43.6%，经历5 次湿干冻融循环作用后黏聚力衰减率为44.0%～52.7%，衰减幅度相对扩大了近20%，可见湿干冻融循环对黏聚力的劣化作用更显著。与黏聚力类似，湿干冻融循环会增大内摩擦角衰减幅度，但由于其衰减程度有限（数值变化不超过3°），所以循环作用对内摩擦角的劣化作用低于黏聚力。

图7 不同循环模式下抗剪强度指标衰减率随循环次数的变化Fig.7 Variation of the shear strength index decay rate with the number of cycles under different cycle modes

试样在循环过程中的“裂隙效应”作用大于“挤缩效应”，试样反复在失水收缩与吸水膨胀的状态间转换，使土体的整体性逐渐破坏，由于基质吸力等因素试样开始产生裂缝，原有的联结被弱化，削弱了法向接触与摩擦，在此导致试样的黏聚力和内摩擦角伴随循环进行而降低，随后在冻融作用下［15］，水的相变使试样反复缩胀，土粒间联结继续被破坏，使颗粒间隙变大结构稀松，裂隙继续拓展发育，使黏聚力在湿干冻融循环作用下衰减加剧，宏观表现为湿干冻融循环中的冻融过程促进了渠道膨胀土强度的降低。

2.2.2 干密度对抗剪强度指标的影响

干密度对试样的抗剪强度指标同样有显著的影响，在相同的循环模式下，渠道膨胀土试样的黏聚力和内摩擦角与干密度总体上呈正相关变化，但衰减效果却相反。图8 为不同干密度下抗剪强度指标衰减率随循环次数变化曲线，当试样干密度由S1 降低为为S2 时，经历5 次循环作用后黏聚力的衰减率由34.1%～44.0%变化为43.5%～52.7%，衰减幅度相对增大20%～28%，而内摩擦角的衰减率由9.8%～12.5%变化为5.2%～8.1%，衰减幅度相对减小35%～46%，表明试样在干湿循环和湿干冻融循环条件下，黏聚力的衰减程度均随着干密度的减小而增大，内摩擦角的衰减程度却相反，即试样压实程度的下降减缓了内摩擦角的衰减，促进了黏聚力的衰减。

图8 不同干密度下抗剪强度指标衰减率随循环次数变化Fig.8 The decay rate of shear strength index varies with the number of cycles under different dry densities

在环刀的限制下，试样径向尺寸的胀缩程度随干密度的降低而增强，“裂隙效应”显著，试样的开裂程度逐渐增强，土颗粒间联结作用减弱，从而加剧黏聚力的衰减。另外试样在循环过程中会剥落出小颗粒，这些细粒容易滑入临近的裂缝中，使试样内长裂隙逐渐被“装填”为短裂隙［16］，而低干密度时试样裂隙数目更多，更容易发生裂隙从长向短的转化，这个过程一定程度上降低了土粒的滑动摩擦，同时削弱了土粒间的咬合摩擦，从而抑制了颗粒间摩擦特性，造成了在一定的干密度范围内试样内摩擦角的衰减程度与干密度呈现正相关变化的现象。以往对内摩擦角变化的分析较少，本试验结论与朱洵［17］的研究成果类似，但笔者认为土体内部破裂生成细粒并非仅在冻融过程下发生，单一的干湿作用也会使试样裂隙附近的土颗粒团出现破碎分解，裂隙被装填后一定程度上抑制土样摩擦特性。换而言之在两种循环模式下，干密度越大，内摩擦角衰减越多。

2.2.3 危险工况下抗剪强度指标拟合

同时考虑渠道运行中冻融过程和干密度降低的情况，5 次循环结束后，试样的黏聚力由26.5 kPa 降至9.3 kPa，内摩擦角22.2°降至18.2°，衰减率分别为65%和18%。可见：低应力下考虑干密度衰减的试样，湿干冻融循环作用对渠道膨胀土的劣化作用十分显著，也更贴合实际工程。为了更准确地预测循环作用对伊犁渠道膨胀土抗剪强度指标的影响，为后期建立膨胀土渠坡稳定性分析模型提供合理参数，取S1WDFT 和S2WDFT 条件下试样的黏聚力和内摩擦角随循环次数的变化情况进行指数函数拟合，分别表征渠道膨胀土抗剪强度指标在建造初和运行中的危险工况。拟合式中相关系数R2均大于0.95，具体拟合函数见下式：

式中：n指循环次数；c指黏聚力，kPa；φ指内摩擦角，（°）；e 指自然常数。