干濕循環(huán)作用下銀川地區(qū)重塑粉質(zhì)黏土強度劣化試驗研究

蔣佳莉，張衛(wèi)兵,2，王紅雨,2

(1. 寧夏大學 土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021；2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川 750021)

0 引言

銀川地區(qū)湖泊眾多，水域附近土體常年由于水位升降變化處于干濕交替狀態(tài)，造成臨近土體發(fā)生強度劣化，抗變形能力下降，導致構(gòu)筑其上路基工程、地基工程、庫岸邊坡工程產(chǎn)生失穩(wěn)破壞[1]，對地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生阻礙。大量學者針對土體干濕循環(huán)特性開展試驗研究，在飽和度相關研究中，楊和平等[2]通過對寧明膨脹土研究認為，當土體飽和度大于50%時，抗剪指標隨著飽和度的增大發(fā)生衰減，且當飽和度相對較低時衰減較快，飽和度達到一定值后衰減較慢，并建立了黏聚力、內(nèi)摩擦角與飽和度關系曲線；黃琨等[3]通過對廣西重塑粉砂土研究認為：當含水率較低時，土體抗剪指標隨著含水率增加而增加，但含水率達到一定值時，土體抗剪指標隨著含水量的增加而減小；邊佳敏[4]通過對小浪底滑坡土體強度指標的擬合分析發(fā)現(xiàn)總黏聚力和內(nèi)摩擦角與含水率分別成二次函數(shù)、線性關系。在壓實度因素研究中，劉文化[5-6]對干濕循環(huán)作用下不同初始干密度、循環(huán)荷載作用、制樣方式、應力歷史下的大連粉質(zhì)黏土力學性質(zhì)開展系統(tǒng)性試驗研究,認為不同初始干密度對土體應力應變曲線產(chǎn)生不同影響,以及不同應力歷史條件下力學特性不同;邵顯顯等[7]對不同壓實度下黃土增濕變形展開研究，得出壓實孔隙比大于臨界孔隙比時，增濕變形較大，反之增濕變形較小；LU等[8]對干濕循環(huán)下不同干密度時下蜀黃土的研究認為壓實黏土致密性對裂縫影響很大，低密度裂縫擴展較深，高密度裂縫擴展深度較淺；萬勇等[9]通過對干濕循環(huán)作用下壓實黏土的研究，得出低壓實黏土黏聚力增大而中高壓實黏土黏聚力減小，且內(nèi)摩擦角均增大的規(guī)律；Kholghifard等[10]認為干濕循環(huán)對干密度大的殘積紅土會減小濕陷性而提高膨脹性。大量針對干濕次數(shù)的研究中，Tang等[11]對Romaininville黏土干濕循環(huán)過程表面裂縫演化、結(jié)構(gòu)演化進行研究，發(fā)現(xiàn)土體在干濕3次后裂縫保持穩(wěn)定；HE等[12]對Teguline黏土進行干濕循環(huán)裂縫研究，發(fā)現(xiàn)在4～5次干濕循環(huán)后，試樣發(fā)生徑向裂縫而非軸向。張祖蓮[13]對云南地區(qū)紅土開展干濕循環(huán)作用下強度研究,認為紅土抗剪強度均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而非線性減小，在10次達到穩(wěn)定；而江強強[14]則認為紅土在干濕循環(huán)前3次強度衰減較快，之后衰減較弱，直至穩(wěn)定；徐丹[15]對膨脹土的3次干濕循環(huán)試驗研究認為，試樣的剪切強度及黏聚力呈先增加后減小的趨勢,在第2次干燥過程中達到峰值,但內(nèi)摩擦角受干濕循環(huán)的影響無明顯規(guī)律。在荷載因素相關研究中，楊和平[16]通過選取南北方3種典型地區(qū)的膨脹土開展上覆荷載作用下抗剪強度研究，發(fā)現(xiàn)上覆荷載越大，其絕對強度衰減率越低，并且用雙直線能較好表征抗剪強度指標；陳開圣[17]開展荷載作用下貴州地區(qū)紅黏土的干濕循環(huán)試驗，通過脹縮率觀測紅黏土收縮特性，并認為干濕循環(huán)1次后脹縮最強烈，5次左右趨于穩(wěn)定。葉為民[18]開展了干濕循環(huán)作用下考慮溫度影響的膨潤土微觀特性研究。多數(shù)試驗研究中考慮開展以上多因素間相互作用，如胡長明[19]開展了壓實黃土干密度、干濕循環(huán)幅度、干濕循環(huán)下限幅度含水量三因素的三軸試驗，擬合得到基于以上三因素的壓實黃土干濕循環(huán)強度劣化模型(CLDM)；黃震[20]對廣西膨脹土進行等幅度干濕循環(huán)試驗，建立了初始含水率、循環(huán)幅度、干濕次數(shù)為變量的黏聚力非線性特征函數(shù)。

現(xiàn)有研究表明：不同地區(qū)土體力學特性各異，影響土體強度劣化因素涉及：初始干密度、含水率、干濕次數(shù)、圍壓，以及溫度作用等，各因素間影響程度有別，這是造成地區(qū)之間工程破壞程度各異的重要原因。眾多學者系統(tǒng)開展了各類土體干濕循環(huán)作用下的力學特性研究，為探究地區(qū)土體性質(zhì)，提高工程服役性能具有重要意義。大量試驗的開展多集中探究強度特性、變形特性，以及相應試驗條件下曲線擬合分析，對于特殊土研究較多，而對于粉質(zhì)黏土研究較少，基于此，本研究開展了考慮不同壓實度、飽和度、干濕循環(huán)次數(shù)及圍壓四因素的三軸試驗，力圖探究銀川地區(qū)粉質(zhì)黏土強度劣化機理，研究結(jié)果可為粉質(zhì)黏土地區(qū)工程設計和施工提供參考。

1 試驗方案及設計

1.1 試樣材料

本試驗用土取自寧夏老年大學，該場區(qū)地貌上屬黃河沖積平原二級階地，無不良工程地質(zhì)作用，場區(qū)地層自上而下為人工填土，第四系沖、湖積相黏性土、粉土和砂土層，試驗用土取土深度5～6 m,黃褐-褐黃色，稍濕，稍密-中密，不均勻，無明顯層理特征，屬中等壓縮性土層，基本力學性質(zhì)如表1所示。

表1 銀川粉質(zhì)黏土基本物理性質(zhì)

1.2 試樣制備

將試驗用土自然風干，去除雜物錘碎，過2 mm篩，試驗設定不同壓實度分別為90%，92%，95%，通過稱量不同質(zhì)量的土來實現(xiàn);試驗設定土樣飽和度分別40%，55%，70%，85%，此過程通過加入不同水量實現(xiàn)；充分拌和后放入保濕缸24 h，使土樣水分保持均勻，每份土樣分3～5次稱量，保證試樣均一，每次用液壓千斤頂擊實完成后，用土刀刮毛土樣，將土樣制成高80 mm，直徑39.1 mm的三軸試樣。

1.3 試驗方案設計

1.3.1 干濕循環(huán)方案

本試驗干濕循環(huán)路徑主要通過烘箱減濕，加水增濕固定時間法來實現(xiàn)。將制備好的土樣放入托盤內(nèi)，置于烘箱內(nèi)，設定溫度65 ℃，時間24 h降至風干含水率，此過程完成一次干燥減濕。將試驗土樣取出靜置半小時后再將一組4個試樣放于底部裝有大透水石的燒杯中(透水石事先預置于蒸餾水中)，利用膠頭滴管向燒杯壁和土樣上部進行補水增濕，使土體從上下兩部分吸濕，達到飽和含水率，外部覆蓋保鮮膜，增濕24 h，此過程完成一次補水增濕。一次完整干濕循環(huán)為2 d。試驗中實時稱量試樣的總質(zhì)量，進而控制含水率。干濕循環(huán)過程如圖1、2所示。

圖1 干燥減濕過程Fig.1 Dehumidification process

圖2 補水增濕過程Fig.2 Humidification process

1.3.2 試驗方案

為探究壓實度、飽和度、干濕次數(shù)，圍壓對粉質(zhì)黏土強度劣化作用機理，考慮到路基工程中填方路基填筑設計壓實度不低于90%，其他等級道路工程壓實度在此基礎上標準更高，故本試驗設定不同壓實度90%，92%，95%。為了模擬工程實際受干濕循環(huán)作用，一方面在含水率變化對重塑粉質(zhì)黏土抗剪強度影響的相關研究集中在最優(yōu)含水率附近，結(jié)合不同壓實度條件，計算得最優(yōu)含水率狀態(tài)下飽和度為55%左右；另一方面考慮到飽和度設置間隔太大導致制樣過程中泌水嚴重，質(zhì)量損耗較大對后續(xù)三軸試驗結(jié)果誤差影響大。故綜合以上因素設定本試驗飽和度為40%，55%，70%，85%。根據(jù)不同試驗條件將試驗土樣命名為Cx-Sy-Z，其中C表示壓實度，S表示飽和度，Z表示圍壓等級。如C90-S40-100代表壓實度90%、飽和度40%、圍壓100 kPa的土樣，下同。土樣進行干濕循環(huán)次數(shù)為0，3，6，9次，以DW+數(shù)字表示干濕次數(shù)，如DW0表示干濕循環(huán)0次，下同。各組試樣試驗結(jié)束后，使用應變控制式三軸儀進行不排水不固結(jié)(UU)試驗，圍壓設定100，200，300，400 kPa，共計194個試樣進行三軸試驗，試驗方案如表2所示。

表2 三軸試驗方案

圖3 干濕循環(huán)作用下應力應變曲線Fig.3 Stress stain curves under drying-wetting cycles

2 干濕循環(huán)試驗結(jié)果分析

2.1 應力應變關系曲線

根據(jù)三軸試驗，測得不同壓實度下應力應變曲線如圖3所示。

圖5 干濕循環(huán)作用下峰值應力變化規(guī)律Fig.5 Change rules of peak stress under drying-wetting cycles

由圖3(a)，(e)，(i)可看出，未經(jīng)干濕循環(huán)時，不同壓實度土體在低圍壓(100～200 kPa)下，土體應力應變曲線呈現(xiàn)較強的軟化型；而在高圍壓(300～400 kPa)時，隨壓實度的增大，應力應變曲線由硬化型逐漸過渡到軟化型。這主要是因為：試樣制備過程中使用液壓千斤頂制樣，相當于給予土樣一定的先期固結(jié)壓力，且壓實度越大，土樣所經(jīng)受的先期固結(jié)壓力也越大。因此，當圍壓較低時，土體呈現(xiàn)超固結(jié)特性，剪切過程中發(fā)生剪脹，應力應變曲線呈現(xiàn)軟化型；而當圍壓較高時，隨壓實度的增大，土體由正常固結(jié)狀態(tài)過渡為超固結(jié)狀態(tài)，故此，應力應變曲線也由硬化性過渡為軟化型。

干濕循環(huán)后，土體應力應變曲線形式均為應變軟化型。這是因為：多次干燥減濕過程水分蒸發(fā)和補水增濕過程水流沖刷破壞了原有孔隙結(jié)構(gòu)，顆粒間隙增大，同時裂隙發(fā)育明顯，土體在剪切過程中因顆粒重排列發(fā)生剪脹，表現(xiàn)為不同程度的軟化。值得注意的是：干濕3次以后各個組別軟化程度逐漸增大，這與三軸土樣剪切結(jié)果保持一致，如圖4所示，土樣在干濕循環(huán)6次與9次過程中體積膨脹要明顯一些。所以綜上：認為干濕循環(huán)前后改變土體應力應變曲線形式，土體由應變硬化型逐漸變?yōu)閼冘浕停腋蓾裱h(huán)3次后，土體軟化程度逐漸增大。

2.2 峰值應力

取每組試樣達到強度標準時應力-應變曲線對應的偏應力考察強度指標。對應變軟化型試樣，取其峰值點的偏應力值，對硬化型試樣，取軸向應變達到15%時所對應的偏應力值。為便于描述，定義干濕循環(huán)1～3次為干濕循環(huán)前期，4～6次為中期，7～9次為末期。同時定義，當土樣實際含水率高于最優(yōu)含水率時為高飽和度(Sr)(對應于飽和度70%和85%)，低于最優(yōu)含水率時為低飽和度(對應于飽和度40%和55%)，圖5為不同干濕次數(shù)后峰值應力變化情況:

由圖5可知，未經(jīng)干濕循環(huán)時，峰值應力隨圍壓和的壓實度的增大呈現(xiàn)增大趨勢。干濕循環(huán)后，隨干濕次數(shù)的增加，峰值應力逐漸下降。同時，干濕循環(huán)前期和末期，峰值應力在高飽和度下衰減程度較大，而在干濕循環(huán)中期，峰值應力在低飽和度下衰減程度較大。如干濕循環(huán)前期，相同壓實度下各組別中衰減程度最大的為C90-S40, C92-S70, C95-S70，衰減率分別為28.11%, 25.21%, 17.59%；干濕循環(huán)中期，各組別中衰減程度最大的分別為C90-S55, C92-S40, C95-S40，衰減率分別為28.35%，30.65%,45.32%；干濕循環(huán)末期，各組別中衰減程度最大的分別為C90-S85, C92-S85, C95-S55，衰減率分別為25.63%, 26.95%, 36.59%。這主要是因為：在干濕循環(huán)前期和末期，不同土樣干燥減濕至風干含水率，土體飽和度越高則干濕幅度越大，同組別干濕循環(huán)過程中基質(zhì)吸力較大，使土體失水達到臨界狀態(tài)時產(chǎn)生裂隙，干濕幅度越大，產(chǎn)生裂隙越多，強度衰減程度越明顯。而在干濕循環(huán)中期，高飽和度土體內(nèi)部裂隙發(fā)育減緩，相同含水量狀態(tài)下基質(zhì)吸力下降，毛細作用疲化，使得高飽和土體較低飽和度土體峰值應力減小程度趨緩，相比之下，低飽和度土體應力衰減程度較大。

值得注意的是，隨著干濕次數(shù)的增加，相同壓實度相同圍壓條件下，曲線形式總是出現(xiàn)類似交點的趨勢。如C92-100kPa, C92-400kPa及C95-200kPa下各飽和度土體均在干濕循環(huán)6次左右峰值應力曲線達到相交。考慮到曲線應力應變曲線形式主要與圍壓、壓實度及固結(jié)方式相關，而應力應變曲線也可反映土體破壞程度,在干濕循環(huán)中、末期若忽略固結(jié)方式時，可認為交點的出現(xiàn)，其實質(zhì)是反映了土體在相同壓實度和圍壓條件下經(jīng)歷不同干濕循環(huán)作用后達到了相同的破壞程度。依據(jù)文獻[21]中伏斯列夫真強度理論，分析認為此時土體內(nèi)部處于等含水量狀態(tài)，而不同試樣交點均集中于中期結(jié)束6次，說明整個干濕循環(huán)過程中期6次左右，不同土樣不同強度包線下各個試樣破壞時的含水量是近似相同的。

2.3 抗剪強度指標

根據(jù)應力應變曲線，繪制摩爾應力圓及強度包線，得到每組試樣的抗剪強度指標——黏聚力с和內(nèi)摩擦角φ。

2.3.1 黏聚力變化規(guī)律

圖6為不同壓實度下黏聚力指標變化情況。從中可以看出，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，黏聚力均呈現(xiàn)顯著減小趨勢。為系統(tǒng)闡述黏聚力變化情況，定義總體劣化度為初始值減去某次循環(huán)后劣化值與初始值的比值，并將不同飽和度下黏聚力劣化情況示于圖7。

圖7 不同飽和度下黏聚力劣化度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化關系Fig.7 Relationship between deterioration degree of cohesion and number of drying-wetting cycles under different compactnesses at different saturations and the number of drying and wetting cycles

由圖7可知，總體上黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增大呈現(xiàn)明顯的衰減趨勢，且在干濕循環(huán)前期，高飽和度土體衰減幅度較大，而在中、末期，低飽和度土體衰減幅度較大。如干濕循環(huán)前期相同壓實度下各個組別衰減最大的是C90-S85, C92-S70, C95-S85，分別為42.16%, 31.08%, 41.66%；干濕循環(huán)中期同壓實度下各個組別衰減最大的是C90-S40, C92-S40, C95-S40，分別為28.31%, 36.76%, 30.55%；干濕循環(huán)末期同壓實度下各個組別衰減最大的是：C90-S70, C92-S40, C95-S40，分別為：18.52%, 20.37%, 24.55%。黏聚力衰減歸因于原始黏聚力與吸附強度劣化。干濕循環(huán)前期，高飽和度土體內(nèi)部天然膠結(jié)物質(zhì)受到?jīng)_刷，致使原始黏聚力降低，加之高飽和度土體減濕后基質(zhì)吸力較大，土體反復濕脹和干縮變形，孔隙數(shù)量增多，強度衰減較明顯；而在中期和末期，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體內(nèi)部裂隙不斷增多，基質(zhì)吸力與毛細作用疲化，吸附強度降低，故而強度下降。該過程中，飽和度越低，該特征表現(xiàn)得越明顯。因此干濕循環(huán)中、末期低飽和土體強度衰減較大。

此外，通過分析不同壓實度下黏聚力的平均衰減率，如表3所示。認為在干濕循環(huán)前期，提高壓實度可一定程度降低黏聚力劣化影響，但在干濕循環(huán)中、末期提高壓實度對降低黏聚力劣化作用甚微，甚至反而會加劇黏聚力劣化程度。這主要是因為：不同飽和度土體經(jīng)歷干濕循環(huán)幅度不同，基質(zhì)吸力的作用促使土體更加密實，強度增加；與此同時干濕循環(huán)過程中裂隙的發(fā)育，土體將發(fā)生不同程度軟化，強度降低。在干濕循環(huán)前期，由于基質(zhì)吸力的作用稍強于裂隙發(fā)育，導致整體對黏聚力劣化具有不同程度的抵抗能力。隨著干濕循環(huán)過程的推進，裂隙發(fā)育顯著，由于孔隙結(jié)構(gòu)的增多增大，基質(zhì)吸力分布不均勻，此時裂隙發(fā)育強度衰減遠大于基質(zhì)吸力作用。故提高壓實度對黏聚力劣化的抵抗能力越來越弱，工程實際中需考慮此特征。

表3 不同壓實度下黏聚力平均衰減率變化

通過對不同飽和度下黏聚力劣化度與干濕循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律的擬合分析，如表4所示。低飽和度下黏聚力劣化度與干濕循環(huán)次數(shù)間符合線性回歸，高飽和度下其變化關系符合二次曲線回歸，且具有較好的相關性。

2.3.2 內(nèi)摩擦角變化規(guī)律

不同壓實度下內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律如圖8所示。

由圖8可知：內(nèi)摩擦角在干濕循環(huán)作用下總體呈不斷劣化趨勢，但其劣化程度較黏聚力要小。其原因在于：補水增濕后水膜契入土體骨架間隙，由于水膜潤滑作用，使得土體顆粒間距變大，加之干濕循環(huán)過程裂隙發(fā)育導致土體孔隙增加，顆粒之間接觸面減小，機械咬合減弱，從而導致土體內(nèi)摩擦角整體減小。

表4 不同組別黏聚力劣化度隨干濕次數(shù)擬合公式

圖8 不同壓實度下內(nèi)摩擦角與干濕循環(huán)次數(shù)的變化關系Fig.8 Relationship between internal friction angle and number of drying-wetting cycles under different compactnesses

此外，由于補水增濕過程使得土體內(nèi)部，特別是在土樣中部含水率分布不均勻，這使得局部滑動摩擦角增大，從而內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)波動起伏現(xiàn)象,如C90-S85和C92-S85土樣在干濕循環(huán)3次時內(nèi)摩擦角出現(xiàn)小幅抬升。分析其原因是：低壓實度下孔隙較大，在高飽和度水分的沖刷下，經(jīng)歷3次干濕循環(huán)后孔隙骨架發(fā)生一定程度的坍落，導致顆粒間接觸面增多，剪切時接觸面上的摩擦阻力較大，故而摩擦角發(fā)生小幅抬升。后續(xù)摩擦角減小主要是因為裂隙發(fā)展對孔隙結(jié)構(gòu)的影響遠遠大于這種坍落作用，宏觀表現(xiàn)為顆粒間隙增大，咬合能力的減弱。

3 結(jié)論

通過對密實度、飽和度、干濕循環(huán)次數(shù)、圍壓4個影響因素的重塑土樣的三軸試驗與數(shù)據(jù)分析擬合，得到得到以下結(jié)論：

(1)干濕循環(huán)過程改變土體應力應變形式，土樣由應變硬化型逐漸變?yōu)閼冘浕停腋蓾裱h(huán)3次以后大幅改變軟化程度；

(2)干濕循環(huán)前期和末期，其峰值應力在高飽和度下衰減程度較大，而干濕循環(huán)中期則在低飽和度下衰減較大。不同壓實度、飽和度、圍壓下土體在干濕循環(huán)6次左右內(nèi)部含水量較接近，說明不同壓實度、飽和度、不同圍壓下土體在干濕循環(huán)過程中存在“歸一”性。

(3)干濕循環(huán)后黏聚力與內(nèi)摩擦角指標均發(fā)生劣化，且黏聚力劣化程度大于內(nèi)摩擦角；在干濕循環(huán)前期，高飽和度土體黏聚力衰減較快，而在干濕中期、末期，低飽和度土體衰減較快；干濕循環(huán)前期，提高壓實度可在一定程度降低黏聚力劣化程度，但干濕循環(huán)中期、末期提高壓實度對黏聚力劣化抵抗作用較弱；低飽和度下黏聚力劣化與干濕循環(huán)次數(shù)之間符合線性回歸，而高飽和度下其規(guī)律符合二次曲線回歸，相關性較好。