非飽和重塑膨脹土各向等壓加載試驗研究

劉敏捷，姚志華，覃小華，汪龍

(1中鐵二十二局集團第二工程有限公司，北京100043；2后勤工程學院軍事建筑工程系，重慶401331；3巖土力學與地質環境保護重慶市重點實驗室，重慶401331)

膨脹土對外界濕度的變化非常敏感，隨著濕度的變化而出現膨脹力，或者出現失水收縮并伴隨裂縫產生[1-2]。這主要由于膨脹土由強親水性礦物蒙脫石和伊利石組成，使其具備了超固結性、脹縮性和裂隙性3種獨特的力學特性[3-4]。膨脹土工程問題已經成為一個世界難題，而工程中出現的問題往往由于水滲入膨脹土土體引發濕脹作用產生、又隨著水分逐漸散失而引起土體干縮。往復的干濕循環導致裂隙的產生和閉合，再加之雨水侵蝕，從而引發大量的膨脹土地區基礎設施破壞。

Alonso和Gens等人的非飽和土彈塑性模型[5]和膨脹土彈塑性模型框架(BExM)[6]，均利用屈服特性及臨界狀態概念先后建立。陳正漢等[7]通過試驗改進了Barcelona模型，并確定三軸剪切條件下的屈服應力的新方法，并根據實驗資料建立了一個考慮剪切因素的土水特征曲線；黃海等[8]通過試驗提出了LC和SI屈服曲線為一條統一的屈服線，對非飽和土的屈服特性進行新的認識。然而，脹縮性和裂隙性如何影響膨脹土的屈服以及水量變化特性，這方面的研究還很少見。

本文著力研究結構損傷對屈服和水量變化的影響，以后勤工程學院研制成功的非飽和土多功能土工三軸儀為工具，首先對膨脹土進行制造結構損傷的干濕循環試驗，再對損傷后的膨脹土試樣進行等吸力條件下各向等壓加載試驗，尋求干濕循環對其屈服和水量變化的影響，并對同一干濕循環和不同吸力條件下的膨脹土屈服和水量變化特性進行比較，為進一步認識和了解非飽和膨脹土物理力學特性提供一定的試驗基礎。

1 試驗概況

1.1 符號說明

本文采用非飽和土力學中的雙應力狀態變量，即凈總應力張量(σij-uaδij)和吸力張量(ua-uw)δij，(σij，ua和uw分別代表總應力張量，孔隙氣壓力和和隙水壓力，δij是Kronecker記號)。凈總應力和吸力分別由以下2式代表：

式中，為凈平均應力，為吸力；，和分別是3個方向的主應力。表示試樣的體應變，表示水的體變，其定義如下：

式中，△V為加載前后試樣體積之差，△Vw為試樣加載前后的水相體積變化，V0為試樣對應的原始體積。

試驗體變和水相體變與試樣比容及含水率通過式(5)和(6)聯系，即：

式中，e0是試樣的初始孔隙比，w0為初始含水率，Gs為土粒的相對密度。

1.2 試驗方案制定和制樣方法

本文所用膨脹土取自南水北調中線工程陶岔引水渠坡，過2mm篩后，配制初始含水率為26.55%。重塑制樣后的試樣直徑為3.91cm，高度為8cm，試樣初始干密度控制在1.5g/cm3，土粒相對密度2.73。

首先對重塑試樣進行干濕循環，控制烘箱溫度始終為為35℃，在無鼓風狀態下干燥24h；試樣增濕控制時，飽和度始終為88.58%。試樣增濕至目標飽和度要通過多次增濕，直至試樣體積變化趨于穩定，且達到飽和度要求。增濕時必須將試樣放在保濕罐中72h以上，已達到水分充分均勻。

以多功能土工三軸儀為研究工具[9](如圖1所示)，以6個重塑膨脹土試樣為對象，進行不同干濕循環次數和控制吸力以及凈平均應力為常數的各向等壓加載試驗，試驗方案的選定以及試樣初始狀態參數參見表1。對0#試樣以及進行干濕循環1次、2次、3次和4次的1至4#試樣分別進行控制吸力為50kPa的各向等壓加載試驗，而對5號試樣干濕循環4次并進行控制吸力為100kPa的各向等壓加載試驗。凈平均應力分級施加，施加的應力分別是25、50、75、100、150、200、250和350kPa，荷載穩定后同時記錄試樣的變形和排水量。試驗過程中排水孔隙水壓力始終為0，所以試驗只需控制凈圍壓。表中0#試樣為無干濕循環的初始試樣，即為初始的重塑狀態。

圖1 非飽和土多功能土工三軸儀

表1 試樣方案選定和初始狀態參數

1.3 試驗穩定規定和校正排水量誤差

根據以往經驗和相關著作，各向等壓加載試驗采用的穩定標準為：在2h內，試樣的體變小于0.0063cm3，排水量小于0.012cm3。各向等壓加載試驗試驗周期較長，完成一個試驗大約需要半月左右(表2)。

表2 試驗過程中的排水量與校正值的比較[13]

較長的試驗周期勢必導致水中溶解的氣體在陶土板底部出現，多余的氣體會阻礙水分的順暢排出，記錄含水率時必須對排水量測值進行校正。試驗結束后，將試樣切為3段，快速量測各段的含水率，將其平均值作為校正標準。通過計算得到試樣的實際排水量，即可以得到校正值。各個試樣的含水率校正值如表2所示。本文均將校核值作為分析水量變化特征的基礎。

2 試驗結果分析

2.1 干濕循環宏觀反映分析

圖2 3#試樣干濕循環過程后的形態

圖2(a)和(b)分別是3#試樣增濕和烘干時的狀態，限于篇幅本文不再列出其他試樣干濕循環過程圖片。總體來看，試樣產生的裂隙主要集中在表層，這與試樣水份蒸發有關；這也與實際情況完全符合，膨脹土地區土樣水份先通過地表蒸發，會產生大量的微裂紋，地表處最先遭到破壞，從而產生開裂現象。當發生開裂現象時，初始裂隙延伸較短，開裂深度較淺；隨著濕干循環的進行，原有的主裂隙不斷擴大并向試樣內部不斷深入，在原有裂隙周邊產生新的次生裂隙向四周擴散，次生裂隙的規模要小于主裂隙。主裂隙和次生裂隙在濕干循環過程中不斷擴展、擴散直至貫通。從以上分析來看，干濕循環過程中試樣裂隙產生呈現隨機性和不規則性。

加水和失水導致膨脹和收縮對膨脹土裂隙的產生及閉合均產生較大影響。隨干濕循環過程，主裂隙不斷擴展并向試樣內部不斷楔入，次生裂隙逐漸形成葉脈狀并連接構成網格狀分布。在無約束條件下，試樣浸濕和干燥都能引發裂隙的產生和閉合；試樣增濕過程小裂隙會閉合，大裂隙會擴展；干燥過程小裂隙會擴展，而大裂隙會收縮變窄。烘干后的試樣水份大量消散，試樣表面存在較多裂隙，這些裂縫為下次水份進入試樣內部提供了便利的通道，進而使得膨脹土表層更易吸水而產生軟化[10-11]。

2.2 干濕循環對屈服應力、水量變化指標的影響

圖3 不同干濕循環次數試樣的v-lgp關系(吸力50kPa)

圖3是0#至4#試樣比容與凈平均應力(v-lgp)關系圖。可將加載過程中的試驗點近似歸一到直線上。根據文獻[12]可將交點對應的凈平均應力作為屈服應力。由該圖可知，0#至4#試樣的屈服應力分別是150.34、134.58、116.61、94.25和82.14kPa，結合以上分析可知，同一吸力條件下，伴隨著干濕循環次數增加，試樣屈服應力則相應地減小。

屈服點前后直線段斜率可稱為壓縮指數，通過最小二乘法擬合得到各試樣的壓縮指數，并列于表3中。由該表可知，在試樣屈服前，隨著干濕循環次數的增加其壓縮指數的絕對值逐漸增大；當屈服發生后，5個試樣的直線段斜率，除1#試樣外基本變化不大，由以上分析可知，干濕循環對試樣屈服后的壓縮指數沒有質的影響[13]。

表3 與各向同性加載試驗相關的壓縮指標和水量指標[13]

干濕循環次數越多，試樣結構損傷越大，裂隙和孔隙發育越加明顯，其抵御外部荷載的能力同時減小，造成了在同一凈平均應力作用下，試樣變形越大，這也是屈服前干濕循環次數較多試樣壓縮指數偏大以及屈服發生提前的原因。

圖4 不同干濕循環次數試樣的εw-p和w-p關系

由圖4可知，相同吸力條件下，干濕循環對試樣的排水會產生一定的影響，突出表現在較多的干濕循環次數造成含水率下降更快。出現以上現象與試樣干濕循環次數越多含水率越大有關，并且與干濕循環次數越多、試驗每級荷載所需時間較長有關。

干濕循環次數越多，試樣結構破壞越大，在同一吸力和凈平均應力條件下，水分越容易沿著裂隙和孔洞流動而被排除，這也是圖4中干濕循環次數越多的試樣排水越加容易的原因。

圖5 相同干濕循環次數不同吸力試樣的v-lgp關系

圖6 4#和5#試樣的εw-p和w-p關系

圖4表示了0#至的εw-p和w-p關系。由該圖可知水量變化指標和體變指標與凈平均應力之間的關系曲線可用一條直線代替，用最小二乘法擬合直線的斜率，其值分別用λ(s)和β(s)表示并列于表3中。 λw(s)和β(s)的關系可由式(2.8)對p兩邊求導得來。并滿足關系式(7)：

2.3 吸力對屈服應力、水量變化指標的影響

本文除對比干濕循環對膨脹土力學特性的影響外，還對同一干濕循環次數不同吸力下的試樣進行屈服和水量變化比較[13]。4#和5#試樣在干濕循環4次后進行不同吸力下的均壓試驗，圖5、圖6(a)和6(b)分別是兩個試樣的v-lgp、εw-p和w-p關系。由圖5可知，5#試樣屈服應力為166.74kPa，要稍大于4#試樣的屈服應力，這與試樣受到的吸力有關，說明了吸力越大，屈服應力越大。

圖6與圖4較為相似，εw-p和w-p的關系也可采用直線代替，2條直線的斜率之間差距較小，由于本文只進行了一個不同吸力以及干濕循環次數相同的均壓試驗，故只能初步認為相同損傷不同吸力條件下的試樣水量變化指標和體變指標相等(其值見表3)。

3 結語

為研究裂隙和脹縮對非飽和重塑膨脹土屈服和水量變化特性的影響，首先對重塑膨脹土試樣進行不同次數的干濕循環，再以應力控制式多功能土工三軸儀為工具，對干濕循環后的試樣進行控制吸力和凈平均應力為常數的各向等壓加載試驗，試驗結果表明：

(1)隨著干濕循環次數的增加，膨脹土試樣裂隙和孔洞發育愈加明顯；裂隙和孔洞為水分的運移提供了捷徑，使得結構損傷越大的試樣，排水能力顯著提高；

(2)同一吸力條件下，屈服應力隨著干濕循環次數的增大而減小；同一干濕循環次數條件下，試樣所受吸力越大，屈服應力越大；

(3)隨著干濕循環次數的增大，屈服前的壓縮指數一直增大，而屈服后的壓縮指數則近似為一常數。

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