引江濟淮試驗工程膨脹土干濕循環強度特性研究

權 全 陳 恕 張坤勇 李 威 袁俊平

（1.安徽省引江濟淮集團有限公司 合肥 230601 2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室南京 210098 3.河海大學巖土工程科學研究所 南京 210098）

1 引言

膨脹土是一種特殊的高塑性黏性土，具有吸水膨脹、失水收縮的工程特性。膨脹土的工程特性對氣候變化敏感，因其干濕循環特性所導致的破壞具有往復性、多發性和長久性的特點，處于膨脹土地區的土坡，無論是路堤、路塹、渠道邊坡等常發生邊坡失穩破壞，給工程建設帶來巨大的災害。

引江濟淮工程南起長江下游安徽江段北岸，向西北流經巢湖，沿派河跨越江淮分水嶺后流入淮河流域，是一項以城鄉生活供水、工業供水、發展江淮航運和農業灌溉補水為主，結合改善巢湖及淮河水生態環境等綜合利用的大型跨流域調水工程。工程難點在于沿程開挖的明渠邊坡，均上覆弱、中等膨脹潛勢的重粉質壤土和粉質黏土，如菜子湖線邊坡以混合邊坡為主，含膨脹土渠段長約37.85km。過巢湖白石天河口取水線路膨脹土段約18.68km。江淮分水嶺普遍分布著膨脹土和具有崩解特性的泥質砂巖，膨脹土渠段約55.4km，均對渠道邊坡的穩定構成不利影響，因此對引江濟淮工程膨脹土強度特性的研究極具實用價值。

2 試驗思路

目前通常認為：裂隙的存在和發展是膨脹土抗剪強度降低的主要原因。裂隙的擴展不僅破壞了土體的結構，還為地表水分的滲入提供入滲通道，使得較深層的膨脹土也開始浸水膨脹，裂隙逐步向深層發展，許多學者從干濕循環效應著手測定膨脹土抗剪強度，如呂海波等通過自然風干和噴水措施模擬干濕循環，探討了南寧地區原狀膨脹土抗剪強度與循環次數、幅度以及含水率之間的關系。李雄威等先利用大環刀樣來模擬干濕循環過程再轉制小環刀樣，以此縮小因尺寸效應對實驗造成的影響。為了更貼近工程實際，吳珺華等利用現場大型剪切儀，分別對經歷與未經歷干濕循環的膨脹土展開直剪實驗。以上述學者研究為基礎，本文通過室內干濕循環試驗，對膨脹土強度特性展開研究。

3 試驗內容

3.1 試驗土樣

此次試驗土樣取自引江濟淮試驗段右岸裸4區k40+750附近，呈灰黑色。天然狀態下常處于硬塑狀態，土體裂隙發育，并且多成網狀和龜裂狀，裂面光滑，有時可見擠壓的擦痕，裂隙中局部有白色，灰白色填充物。

原狀樣制樣方法：試驗土樣封閉包好后運回實驗室。在標準鋼環刀（直徑61.8mm、高度20.0mm）內壁涂一薄層凡士林后，垂直壓入土體，邊壓邊削，均勻用力，制得原狀土樣30個，選取其中密度相近（差值p≤0.03g/cm3）的24個土樣作為試驗用樣（平均p=1.97g/cm3），并將其分為6組，分別用于不同循環次數下的試驗。通過室內土工試驗，獲得所取膨脹土的基本物理性質如表1所示，根據膨脹潛勢等級判別標準可知，該膨脹土具有強膨脹性。

3.2 試驗方案

制備4個土樣為一組，進行5次干濕循環，通過稱重來控制土樣含水率，在完成各自設定的干濕循環次數后對土樣進行快剪試驗，由此獲得土樣強度隨干濕循環次數的變化規律。脫濕溫度取40℃，為加快試驗進程，采用帶有小型電風扇、溫度可控的烘干箱來模擬膨脹土體脫濕過程。脫濕過程結束后，將土樣裝進飽和器重新進行抽氣飽和，抽氣時間及浸泡時間為1h和12h，飽和完成后，重新進行脫濕，如此反復5次，模擬反復干濕循環過程。經測試，土樣飽和含水率為31%，脫濕穩定時的含水率為4%，土樣含水率降低約27%。

4 試驗結果

表1 膨脹土的物理性質表

4.1 膨脹土表面裂隙開展

隨著干濕循環試驗的往復式進行，在膨脹土體主（大）裂隙長度與寬度有所增加的同時，次生裂隙也會進一步擴展，總體趨勢是裂隙數量增多，土體更加破碎。這是因為膨脹土上下表面脫濕速率并不均勻，土樣上部由于與熱空氣直接接觸所以其脫濕速率要高于下部，因而造成土樣上下收縮不均產生裂縫。隨著干濕循環的往復式進行，次生裂隙逐步擴展，相互貫通連接，表面裂隙發育成網狀，土體結構性被極大地破壞。

4.2 膨脹土抗剪強度指標

圖1 強度指標隨干濕循環次數變化規律圖

綜上可見，膨脹土強度特性受干濕循環效應影響明顯，且其強度的衰減主要集中在前1～2次干濕循環過程中，說明膨脹土邊坡開挖后需及時通過覆蓋土工膜、噴漿等手段進行防護，切忌讓邊坡坡面與大氣環境直接接觸。

5 結語

（1）膨脹土受干濕循環效應影響明顯，隨著干濕循環試驗的往復式進行，在膨脹土體主（大）裂隙長度與寬度有所增加的同時，次生裂隙也會進一步擴展并相互貫通，最終表面裂隙發育成網狀，土體結構性被極大破壞。

（2）隨著干濕循環試驗的往復式進行，膨脹土粘聚力c逐漸減小并趨于穩定，而內摩擦角雖在首次干濕循環后小幅減小，但在隨后數次干濕循環中并沒有表現出明顯的規律性，呈小幅波動的現象。

（3）膨脹土強度的衰減主要集中在前1～2次干濕循環過程中，膨脹土邊坡開挖后需及時通過如覆蓋土工膜，噴漿等手段進行防護，切忌讓邊坡坡面與大氣環境直接接觸