干濕循環(huán)對非飽和土力學(xué)性質(zhì)影響研究

卞明智 （林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶 400000）

1 概述

非飽和土邊坡，是典型的三相土壤結(jié)構(gòu)，比常規(guī)的飽和土體相比多了一個(gè)氣相，但研究土體結(jié)構(gòu)時(shí)并不是單純的加入一個(gè)氣相，而是氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)三項(xiàng)互相影響、互相耦合的狀態(tài)。特別是氣相與液相交接面處的氣-液二相水膜具有表面張力，生活中宏觀稱為毛細(xì)作用。從物理參數(shù)的角度需要考慮土體中的空氣孔隙率、級(jí)配及壓縮指數(shù)等指標(biāo)；力學(xué)參數(shù)中需要引入孔隙水壓力，即基質(zhì)吸力。然而現(xiàn)實(shí)中的所有室內(nèi)物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)，均為飽和土所測出來的物理力學(xué)參數(shù)，不具有工程實(shí)際意義。

現(xiàn)實(shí)自然界中有90%以上的邊坡屬于非飽和土邊坡，工程界中的路基邊坡、河壩等人工填土邊坡也屬于非飽和土邊坡，經(jīng)過大氣降水-滲流-蒸發(fā)或蒸騰等反復(fù)循環(huán)作用，其內(nèi)部的物理性質(zhì)如單位體積含水量、級(jí)配及壓縮指數(shù)，力學(xué)性質(zhì)如水土特征曲線、孔隙水壓力及抗剪強(qiáng)度等性質(zhì)發(fā)生一定變化。

本文以非飽和土三軸儀為試驗(yàn)儀器，以降水滲流-蒸發(fā)固結(jié)循環(huán)為實(shí)驗(yàn)條件，以非飽和土三軸排水剪切樣與原土體樣為實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果對土體邊坡變形、力學(xué)性能及穩(wěn)定性有重要作用。

實(shí)驗(yàn)使用標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)壓實(shí)試驗(yàn)方法制備直徑為39.0mm，高度為80.0mm的非飽和土三軸排水剪切樣品，樣品的初始含水量為22.5%，壓實(shí)后所需的密度為2.95g/m3。將非飽和土三軸排水剪切樣品分為12組，控制吸力值分別為0 kPa、50 kPa、100 kPa和200 kPa，控制固結(jié)壓力分別為50 kPa、100 kPa和200 kPa。待吸力平衡和固結(jié)穩(wěn)定后，在相等吸力條件下施加預(yù)壓力，施加預(yù)定的吸力值和各向同性固結(jié)方法，保持孔隙水壓力恒定，孔隙水壓力恒定為零，并以0.0098 mm/min的恒定剪切速率緩慢施加軸向剪切。通過加載重復(fù)的干濕循環(huán)來研究非飽和土壤的機(jī)械強(qiáng)度。干濕循環(huán)樣編號(hào)為RDW1，擊實(shí)樣編號(hào)為RC1。

2 試驗(yàn)結(jié)果研究

2.1 反復(fù)干濕循環(huán)對土水特征曲線的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制RC1樣和RDW1樣在脫水蒸發(fā)路徑中每單位體積含水率對應(yīng)的基質(zhì)吸力關(guān)系曲線，即水土特征曲線，如圖1所示。

圖1 土水特征曲線比較

根據(jù)土水特征曲線的比較，很容易能看出在單位體積含水率相同的條件下，兩個(gè)試樣對應(yīng)的基質(zhì)吸力不一樣，RC1樣在同一含水率下對應(yīng)的基質(zhì)吸力均高于RDW1樣。說明反復(fù)的干濕循環(huán)作用下土體的力學(xué)性質(zhì)受到較為顯著影響，且明顯下降，降幅約為40%。

由以上結(jié)論探究其原因，在反復(fù)干濕循環(huán)后土體的主要結(jié)構(gòu)發(fā)生了一些變化，從氣相來講，土壤內(nèi)的孔隙度增加；從液相來講，土體單位體積含水率發(fā)生變化；從固相來講，土體級(jí)配變化，內(nèi)部鈣質(zhì)溶鹽流失導(dǎo)致化學(xué)場變化而引起力學(xué)性質(zhì)變化。對于非飽和土而言，更重要的原因?yàn)橥馏w內(nèi)部的氣-液交接面處“黏膜”吸力發(fā)生較大變化導(dǎo)致力學(xué)性能下降。

2.2 反復(fù)干濕循環(huán)對固結(jié)特性的影響

圖2(a)顯示的是RC1樣和RDW1樣在吸力為0 kPa(飽和土)的等向壓縮曲線的對比，從圖中明顯可見，基質(zhì)吸力在0kPa～1kPa時(shí)，孔隙比變化平緩；基質(zhì)吸力超過1kPa后，孔隙比急劇從0.65下降至0.35左右，非飽和土較對照組土樣下降幅度更大，同等基質(zhì)吸力下，下降幅度差約為0.1～0.2；圖2（b）分別顯示了在50和200 kPa下RC1和RDW1類吸力的各向同性壓縮曲線比較，其變化趨勢與圖（a）一致。但當(dāng)基質(zhì)吸力超過2.5 kPa后，孔隙比趨近于穩(wěn)定值0.32，之后隨著基質(zhì)吸力增加，孔隙比均不再變化。

根據(jù)以上分析表明，在基質(zhì)吸力增加初期，土樣的收縮指數(shù)與基質(zhì)的吸力成正向相關(guān)，試樣達(dá)到屈服點(diǎn)，以致土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)疲勞甚至破壞，孔隙收縮的尺寸效應(yīng)不甚明顯。

圖2 不同吸力條件下的等向壓縮曲線比較

2.3 反復(fù)干濕循環(huán)對非飽和土力學(xué)強(qiáng)度的影響

擊實(shí)樣和干濕循環(huán)樣在等吸力剪切試驗(yàn)中氣-液二相水膜的平面上的臨界狀態(tài)線如式（1）所示。

在等式（1）中，M（s）和μ（s）是矩陣吸力的函數(shù)，它們分別是臨界狀態(tài)線的斜率和q軸上的截距。

對于RC1和RDW1，M（s）的變化很小，并且M（s）被認(rèn)為是與吸力無關(guān)的常數(shù)。常數(shù)M在Fredlund非飽和土的剪切強(qiáng)度表達(dá)式中等于φ'。Fredlund的雙應(yīng)力變強(qiáng)度理論非飽和土的抗剪強(qiáng)度表示為公式（2）。

RC1的M(s)平均值為0.837，相當(dāng)于20.6°的內(nèi)摩擦角，RDW1樣的M(s)平均值等于0.736，說明RDW1試樣經(jīng)過反復(fù)干濕循環(huán)后，剪切曲線出現(xiàn)了明顯的峰值變化，然后軟化下降，剪應(yīng)力減少約5%，內(nèi)摩擦角減少約10%。

3 結(jié)語

本文針對實(shí)際情況中占自然界和工程中大部分的非飽和土的特點(diǎn)，考慮到非飽和土是氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)三相互相影響、互相耦合的狀態(tài)，針對力學(xué)分析中非飽和土的氣相與液相交接面處不可忽略的氣-液二相水膜的表面張力，因此采用非飽和土三軸儀在降水滲流-蒸發(fā)固結(jié)循環(huán)下進(jìn)行多次壓縮試驗(yàn)，研究了反復(fù)干濕循環(huán)對非飽和土力學(xué)性質(zhì)的影響。得出以下結(jié)論。

①在反復(fù)干濕循環(huán)后，土體的主要結(jié)構(gòu)發(fā)生了一些變化，土壤內(nèi)的孔隙度增加、單位體積含水率發(fā)生變化、土體級(jí)配變化，內(nèi)部鈣質(zhì)溶鹽流失導(dǎo)致化學(xué)場變化而引起力學(xué)性質(zhì)變化。特別是非飽和土體內(nèi)部的氣-液交接面處“黏膜”吸力下降導(dǎo)致力學(xué)性能下降。

②非飽和土和原樣土在吸力為0 kPa(飽和土)的等向壓縮曲線中孔隙比無明顯變化，基質(zhì)吸力在0kPa-1kPa時(shí)，孔隙比變化平緩；基質(zhì)吸力超過1kPa后，孔隙比急劇下降，非飽和土較對照組土樣下降幅度更大，同等基質(zhì)吸力下，下降幅度差約為0.1～0.2；在50和200 kPa下非飽和土和原樣土的各向同性壓縮曲線變化趨勢與0 kPa時(shí)一致。但當(dāng)基質(zhì)吸力超過2.5 kPa后，孔隙比趨近于穩(wěn)定值0.32，之后隨著基質(zhì)吸力增加，試樣達(dá)到屈服點(diǎn)，以致土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)疲勞甚至破壞，孔隙比均不再變化，孔隙收縮的尺寸效應(yīng)不甚明顯。

③經(jīng)過反復(fù)吸濕和干燥后，剪切破壞產(chǎn)生明顯剪切滑裂面，土體力學(xué)性質(zhì)降低，抗剪強(qiáng)度參數(shù)降低，其中摩擦角的幅度大約為10%。

以往針對土體的室內(nèi)、室外力學(xué)實(shí)驗(yàn)參數(shù)均為飽和土試樣，然而自然界天然邊坡、工程邊坡、人工填土邊坡等均為非飽和土體邊坡，自然氣候降雨-蒸發(fā)-蒸騰作用即為反復(fù)干濕循環(huán)條件，因此本文不僅在學(xué)科耦合理論上具有科研意義，更具有重要的工程實(shí)踐意義。