膨脹土的干濕循環性狀及其在邊坡穩定性分析中的應用

崔 ,張志耕,閆澍旺

(天津大學 建工學院,天津 300072)

0 引 言

膨脹土廣泛分布于自然界中。具有吸水膨脹軟化、失水收縮開裂、反復變形和強度可大幅度衰減等特性,并且這些特性與外界條件的變化密切相關。因此,膨脹土邊坡的穩定性分析必須充分考慮由于外界環境的變化(主要是干濕條件)而引起的膨脹土強度的改變。關于非飽和土強度公式,最早是由Bishop提出的[1];目前,國際上公認的非飽和土強度理論是Fredlund等人提出的以兩個獨立的應力分量來表達的非飽和土強度公式[2],但由于對試驗儀器和試驗技術要求較高,一般較難獲得[3～5]。本文試圖在膨脹土干濕循環試驗的基礎上,探討膨脹土性狀改變與干濕循環次數的基本規律,并將其應用在膨脹土邊坡穩定分析中,以較好的服務于工程實踐。

1 干濕循環次數與膨脹土性狀改變的基本規律

韓華強[3]等的試驗成果對于膨脹土在干濕循環條件下的強度變化規律具有很高的參考價值。他利用常規的土工試驗儀器,得出了干濕循環將改變膨脹土的土體結構,從而將導致膨脹土長期強度和變形模量明顯降低的結論。圖1～圖3給出了通過本次膨脹土干濕循環試驗得出的膨脹土性狀改變結果。試驗所用4份試樣取自內蒙古自治區老集高速公路工程的部分路段(見表1)。試驗的基本過程如下:將試樣放置在壓縮儀里,上下分別覆蓋透水石,并讓試樣承受6.9 kPa的豎向圍壓。將試樣完全浸沒在水中不少于40h,使其完全膨脹,然后在實驗室條件下風干試樣至其初始含水率,數據的量測在開始的3 h每15 min記錄1次,其后的500 min間隔100 min記錄1次,最后間隔1 d記錄一次。圖1和圖2為第1和第5個干濕循環試驗過程膨脹百分比隨時間的變化曲線。從圖中可以看出,含有較多黏土礦物的土樣具有較強的膨脹性;對于任何一種土樣,初始干濕循環的膨脹百分比明顯高于第5次的膨脹百分比,并且可以進一步看出,第5次干濕循環試驗試樣到達穩定膨脹百分比的時間(＜1 000 min)少于初始干濕循環試驗(＞1 400 min),這說明,經過幾次干濕循環之后,試樣的滲透性能有了一定的增長。圖3給出了試樣的干濕循環次數與膨脹勢變化的基本規律,從圖中可以看出,膨脹勢隨著干濕循環次數的增加而減少;膨脹土試樣在經過4～5次干濕循環之后,其在隨后每一次干濕循環過程中的屬性變化基本趨于穩定。

圖1 第1次干濕循環試驗曲線

圖2 第5次干濕循環試驗曲線

圖3 干濕循環次數與膨脹勢對比曲線

表1 膨脹土試樣礦物成分(%)X衍射分析結果

膨脹土屬性變化與干濕循環次數之間的基本規律可以用如下的理論加以解釋[6,7]:從土的微觀結構來說,膨脹土塑性特征隨著干濕循環次數增加而減少的主要原因是由于膨脹土失水干縮引起微顆粒之間的結合而導致與水接觸的表面面積的減少。眾所周知,顆粒之間的表面張力與顆粒尺寸和顆粒之間的距離相關,相對較小的顆粒之間的距離產生相對較大的毛細管力。飽和膨脹土的失水過程引起土體的收縮,進而引起顆粒之間的粘結和范德華力的增大,并且這種粘結程度和增大量并不會因為吸水過程而完全恢復,也就是說,顆粒之間的粘結和范德華力在土體失水和吸水過程中的變化不是一個完全可逆的過程,其存在一定程度的不可恢復量。微顆粒粘結的直接結果是減少了與水接觸的表面積,進而導致塑性特征的衰減(表2)。在經過4～5次干濕循環過程之后,顆粒粘結的過程基本趨于穩定,膨脹土在隨后的每一次干濕循環過程中的屬性變化也基本趨于穩定。

表2 膨脹土在干濕循環試驗前后的屬性對比

對于膨脹土在干濕循環下的強度變化規律,文獻[8]在總結大量試驗成果的基礎上,給出了理論上的另一種解釋。對于美國路易斯安娜高速公路地區的膨脹土,他把無側限抗壓強度與干密度和含水率之間的關系總結為如下的公式表示

其中:w為含水率;ρd為干密度。分析公式(1)可以看出,膨脹土的無側限抗壓強度隨干密度的增加而增加,隨含水率的增加而減小。結合上述的分析,干濕循環次數的增加將導致膨脹土干密度的減小,從而導致無側限抗壓強度的減小,對于粘性土來說,其抗剪強度就會減小;就某一次干濕循環過程來說,吸水膨脹過程就是膨脹土含水率增加的過程,也就是抗剪強度減小的過程。

2 膨脹土邊坡強度參數的選取及穩定性分析

根據膨脹土干濕循環試驗結果,對膨脹土邊坡進行穩定性分析,必須選擇合適的膨脹土強度,并且參數的選取可以參照如下幾個基本原則:①在外界干濕循環環境中,膨脹土屬性會發生弱化,并且第一個干濕循環對屬性改變起主要作用,但其后的干濕循環過程也不能忽略;②在干濕循環條件下,膨脹土強度的衰減是有一個基本界限的,在經過4～5次干濕循環之后,其強度和變形屬性的變化基本趨于穩定,因此,取第5次干濕循環的膨脹土強度作為計算參數是最安全的;③在膨脹土邊坡穩定性分析中,外界環境對土體強度的影響深度是有限的,并且受邊坡表層裂隙的影響[5]。裂隙深度由文獻[7]給出的公式估算

式中:s0為土壤地表的基質吸力(kPa);h為地下水位線距離地面高度(m);c=(1-μ)/(1-2μ),D=μ ρ/(1-2μ),μ為泊松比;ρ為密度,kN/m3。工程經驗和計算結果表明[5],裂隙的影響深度一般介于2 m～4 m。

老集高速公路K413+500和K412+100路段邊坡施工開挖后在幾次強度不大的降雨作用下先后出現邊坡破壞,通過室內礦物成分分析,發現此處土體屬于強～中膨脹土,采用常規方法分析邊坡穩定性如圖4和圖5所示。從圖中可以看出,采用常規方法計算得出的邊坡安全系數基本都在1.5以上,而且失穩形式多為深層滑坡,這顯然與工程實際不符合。

基于上述的3個參數選取原則,對兩個路段邊坡取樣進行室內試驗,得出1次、5次干濕循環后試樣的強度如表3所示。分別根據上述兩次的試驗結果對邊坡進行穩定分析,其安全系數在表3中標出。分析計算結果可以看出,如果按照第一次干濕循環后強度參數進行邊坡穩定分析,其安全系數基本在1.1～1.2之間,這個結果是偏于安全的,根據第5次干濕循環后土體強度計算得出的邊坡安全系數在1.0以下,且邊坡破壞形式與實際情況十分吻合,都為表層的塌滑,滑坡形式如圖6和圖7所示。

圖4 K413+500段邊坡穩定分析

圖5 K412+100段邊坡穩定分析

3 結 論

由膨脹土的室內干濕循環試驗和理論分析可知,膨脹土受外界干濕循環影響的強度變化和邊坡穩定性分析必須充分考慮以下幾點:

(1)外界干濕環境變化影響膨脹土的強度,并且第一次干濕循環對于膨脹土強度的衰減起主要作用,但其后的干濕循環變化對強度的衰減也不能忽略;

(2)膨脹土的強度特性與干濕循環次數密切相關,在經歷4～5次干濕循環過程之后,其強度在隨后每一次干濕循環中的變化基本趨于穩定;

(3)膨脹土強度衰減特性與干濕循環的關系可以通過土的微觀結構變化進行解釋;

表3 膨脹土干濕循環試驗前后的強度變化及計算結果

圖6 K453+500段邊坡破壞形式

圖7 K431+100段邊坡破壞形式

(4)膨脹土邊坡穩定性分析還必須考慮外界環境的影響深度,這個深度范圍一般在2 m～4 m之間;但是膨脹土的裂隙性對膨脹土邊坡穩定性的影響是一個有待深入研究的課題,本文涉及較少。

[1] Bishop A W,Alpan I,Blight G E,et al.Factors controlling the strength of partly saturated cohesive soils[C]//ASCE Research Conference on the shear strength of cohesive soils,University of Colorado,1960:503-532.

[2] Fredlund D G,Morgenstern N R,Widger R A.The shear strength of unsaturated soils[J].Canadian Geotechnical Journal,1978,(15):313-321.

[3] 韓華強,陳生水.膨脹土的強度和變形特性研究[J].巖土工程學報,2004,26(3):422-424.

[4] 衛 軍,謝海洋,李小對,等.基于非飽和土理論的膨脹土邊破穩定性分析[J].華中科技大學學報,2004,32(4):38-40.

[5] 包承剛.非飽和土性狀及膨脹土邊坡穩定問題[J].巖土工程學報,2004,26(1):1-15.

[6] Al-Homoud A S,Basma A A,Husein Malkawi A I.Cyclic swelling behavior of clays[J].Journal of geotechnical engineering,1995,(7):562-565.

[7] Morris P H,Graham J,Williams D.Cracking in drying soil[J].Canadian Geotechnical Journal,1992,(29):263-277.

[8] Zhongjie Zhang,Mingjiang Tao,Mark Morvant.Cohesive slope surface failure and evaluation[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2002,131:898-906.