干濕循環下吸附結合水對高液限土抗剪強度的影響

王月春，雅成宏，雷軍偉，楊仁平

(湖北省路橋集團有限公司，湖北 武漢 430056)

高液限土邊坡的抗剪強度存在衰減，在工后易出現失穩，而土的抗剪強度受干濕循環影響大。高液限土最明顯的特性是吸附能力強，吸附結合水含量高。王中文研究發現在路基鋪筑和工作期間，紅黏土的抗剪強度并不是一成不變而是動態變化的，高含水率和低含水率的抗剪強度相差巨大，隨含水率增加，粘聚力呈一階指數衰減，內摩擦角呈現分段函數特征?？琢顐サ日J為在干濕循環過程中，膨脹土飽和度反復變化，其抗剪強度亦不斷變化；干濕循環不僅影響土體的飽和度，還會導致土體內部結構發生顯著改變。對于非飽和土，凌華、馬少坤、李廣信等提出采用含水率代替基質吸力來反映其對土體抗剪強度的影響。黃震等認為上覆荷載對抑制抗剪強度衰減有一定作用，循環幅度、增濕幅度、初始含水率都對干濕循環下抗剪強度有一定影響。李碩等研究發現結合水對微觀孔隙和黏土的固結蠕變起主導作用。庫里契茨基 А. И.、Min F.、張玉等認為除強結合水外，一部分弱結合水在一定溫度范圍內具有近似固體的性質。從已有研究成果來看，吸附結合水對土體的力學特性影響甚大，在干濕循環影響下，土的抗剪強度存在一定衰減且衰減過程中水的含量是一個重要影響因素。研究吸附結合水在干濕循環條件下對土的抗剪強度變化的作用機理，并采用相關指標來表示土的吸附能力大小和對抗剪強度衰減特性的影響至關重要。該文基于現有研究成果，以湖北安猇一級公路高液限土為研究對象，采用容量瓶法測試干濕循環條件下高液限土吸附結合水含量，通過試驗揭示干濕循環下高液限土吸附結合水能力的變化規律，研究吸附結合水含量對干濕循環下高液限土抗剪強度衰減特性的影響機理。

1 試驗設計

1.1 試驗土樣及其基本物理性質

湖北地區潮濕多雨且高液限土分布廣泛。安猇(安福寺—猇亭)一級公路建設期間高液限土邊坡發生多次垮塌。K5+400處高液限土基本物理性質測試結果(見表1)表明：土樣具有典型的高液限土特征(也屬于弱膨脹土)，天然含水率較高，細粒含量大，液、塑限高，塑性指數大。根據JTG E40-2007《公路土工試驗規程》，該土樣為含黏粒高液限黏土。

表1 試驗土樣基本物理性質測試結果

利用掃描電鏡觀察土樣的微結構特征，結果(見圖1)顯示：土樣中可見大量疊片狀蒙脫石顆粒(土樣黏粒中蒙脫石含量在50%以上)，疊片之間存在微孔隙，為吸附大量結合水提供了有利條件。親水性黏土礦物含量和微結構的不同是造成高液限土、砂土界限含水率顯著差異的原因。

圖1 試驗土樣電鏡掃描照片

1.2 試驗方法

1.2.1 吸附結合水測量方法

目前主要采用熱重分析法、等溫吸附法和容量瓶法測定土中結合水。其中：熱重分析儀價格昂貴，且只能測試1 g左右的試樣；等溫吸附試驗中，高液限土顆粒易堆積或成團，水分子只能吸附在土團表面，難以測定全部吸附結合水；采用容量瓶法，土顆粒在水中完全分散，充分吸附結合水，且測試簡便，便于工程應用與推廣。因此，采用容量瓶法測定試驗土樣的吸附結合水。

干濕循環方法：取12個試樣盒放置試驗土樣(每個盒子放30 g土)并分成6組。加水至質量含水率26.3%，用保鮮膜包裹悶料24 h，再將其放入105 ℃烘箱中8 h。此為一次完整的干濕循環。將每個土樣的6組試樣依次進行6次干濕循環。

容量瓶試驗方法：為與常規土工試驗中含水率測試時烘干控制溫度保持一致，便于工程應用，容量瓶法試驗中，先將土樣在105 ℃下烘干，將烘干后的土樣在干燥器中冷卻后放入容積為255 mL、分度值為0.05 mL的干燥容量瓶中。將定量質量的25 ℃蒸餾水緩緩注入瓶中，振蕩搖勻，使土顆粒分散與水充分接觸，再將容量瓶放入25 ℃恒溫水浴箱中。同時放入僅有蒸餾水的容量瓶，用于蒸發校正。每隔24 h記錄一次容量瓶中液面讀數，直至液面高度不再發生變化。

容量瓶試驗誤差控制方法：1) 試驗在25 ℃恒溫水浴箱中進行，為避免試驗誤差，用25 ℃蒸餾水對容量瓶重新進行標定(常規容量瓶是在20 ℃下進行標定)；2) 計算25 ℃下255 mL蒸餾水的質量，用精度為千分位的電子秤稱量好加入容量瓶中,消除室溫變化導致的誤差；3) 在讀數前振蕩容量瓶，直至不再有微小氣泡冒出，即在冒出的氣泡消散不影響讀數時再進行讀數(在吸附結合水形成過程中會不斷有微小氣泡冒出，干擾讀數)。

1.2.2 抗剪強度測試方法

土樣制備：采用與容量瓶試驗相同的土樣，其基本性質見表1。用環刀(h=20 mm、φ=61.8 mm)切削土樣24個(ρ=1.31 g/cm3)，并將其分為6組，每組各4個土樣。

試驗方法與步驟：1) 將6組環刀試樣分別編號為1#、2#、3#、4#、5#和6#。將制備好的環刀試樣悶料24 h(為使土樣含水率變化盡可能小，用保鮮膜包裹)，再在飽和箱中飽和24 h(抽真空1 h，且飽和過程中保持體積不變)。此為一次完整的干濕循環。2) 將6組環刀試樣依次進行6次干濕循環。3) 將干濕循環后的環刀試樣放入真空飽和缸中進行抽氣飽和24 h(抽真空1 h)，飽和結束后浸泡15 d(使吸附結合水充分吸附)。4) 對6組試樣進行100、200、300、400 kPa 4級荷載直剪，速率為0.02 mm/min，每隔5 min記錄一次測力環上百分表的讀數，取最大值或6 mm時剪切強度為試樣的最大抗剪強度。

2 測試結果及分析

2.1 干濕循環下吸附結果分析

第1次干濕循環下吸附結合水的形成過程見圖2。從圖2可看出吸附結合水的形成過程大致分為3個階段：第一個階段為加水后至第3 d，這個過程中吸附結合水形成速度最快，完成吸附總量的49%左右，時間較短，曲線斜率較大；第二個階段為第3～11 d，這個過程中土樣吸附弱結合水的速度較快，時間較長，大致完成吸附總量的40%；第三個階段為第11～15 d，這個過程中吸附速度較穩定，曲線也趨于平緩。吸附結合水形成速率總體呈現先快后慢的趨勢，說明隨著時間的推移，土樣吸附結合水的速度逐漸降低。

圖2 第一次干濕循環下土樣吸附的結合水

不同干濕循環次數下土樣吸附結合水情況見圖3。從圖3可看出：隨著干濕循環次數的增多，土樣吸附結合水的能力及吸附結合水的含量降低。第1次干濕循環的衰減幅度最大，為4.54%；第2、3次衰減幅度略微降低，分別為2.46%和0.95%；第3次之后，土樣吸附結合水含量變化不大，趨于平穩。

圖3 干濕循環下土樣吸附的結合水含量

2.2 干濕循環下抗剪強度分析

粘聚力表征土顆粒之間的膠合力，主要取決于土顆粒表面的分子引力。內摩擦角是土顆料的表面摩擦力，表征顆粒間的嵌入和聯鎖作用產生的咬合力。采用摩爾-庫倫準則對干濕循環過程中不同法向應力下土樣的直剪試驗結果進行擬合分析，得到干濕循環下土樣的粘聚力和內摩擦角(見表2)。從表2可看出：干濕循環對高液限土粘聚力和內摩擦角都有明顯影響。粘聚力呈現非線性衰減，大致分為2個階段，第一階段為0～3次循環，粘聚力衰減較快，衰減幅度為1.48 kPa；第二階段為4～6次干濕循環，衰減幅度為0.89 kPa，在第3、4次干濕循環之間存在跳躍式衰減。經歷6次干濕循環后，粘聚力為6.5～2.85 kPa。內摩擦角總體變化不大，1～2次干濕循環時存在衰減，后期隨著干濕循環次數的增加基本保持不變。

表2 干濕循環下土樣的抗剪強度

圖4為土樣抗剪強度隨干濕循環次數增加而發生的變化。從圖4可看出：在100和300 kPa法向應力條件下，0～3次干濕循環過程中土樣的抗剪強度存在衰減，4～6次干濕循環過程中抗剪強度基本保持不變。

圖4 抗剪強度隨干濕循環次數增加的變化

為便于試驗結果對比分析，定義干濕循環過程中抗剪強度降低程度為劣化度，按式(1)、式(2)計算,計算結果見表3。從表3可看出：1) 干濕循環作用下，土樣的抗剪強度劣化效應具有明顯的非均勻性，前3次干濕循環導致的抗剪強度劣化幅度大，階段劣化度占總劣化度的84%左右；之后的劣化度基本不變，土樣的抗剪強度劣化趨勢趨于平緩。2) 低法向應力和高法向應力條件下，抗剪強度的劣化幅度存在差異。以前3次干濕循環為例，低法向應力下總劣化度比高法向應力下劣化度大4.4%；高法向應力下階段劣化度均勻，降低幅度也較小。說明在干濕循環作用下，低法向應力的抗剪強度更易衰減，受干濕循環作用更明顯，而高法向應力能抑制高液限土抗剪強度的衰減。

Si=(T0-Ti)/Ti×100%

(1)

ΔSi=Si-Si-1

(2)

式中：Si為總劣化度；ΔSi為單次干濕循環作用下抗剪強度劣化度。

表3 土樣的抗剪強度劣化度

3 干濕循環下結合水對抗剪強度的影響

土中結合水主要由黏土顆粒雙電層效應形成。強結合水外層是吸附結合水，雖屬于弱結合水，但其密度大于1.0 g/cm3，不傳遞靜水壓力，具有一定的粘滯性和抗剪強度，不能自行由一個土顆粒移到另一個顆粒上；其余弱結合水受范德華分子力影響，密度降為1.0 g/cm3，可變形和遷移。

安猇公路K5+400處高液限土主要含蒙脫石類礦物，吸附結合水的形成主要是因為黏土類礦物表面有大量正、負電荷，這些電荷與水分子形成氫鍵和范德華力，使水分子包裹在土粒表面形成一層水分子膜。在高液限土增濕—脫濕過程中吸附結合水不斷形成—失去，增濕過程中，自由水中的氫氧團會破壞吸附結合水表層不穩定的范德華力和氫鍵，使黏土表面的正、負電荷趨于平衡，降低土粒的電勢能，導致吸附結合水含量減少。對于飽和土，失去的那部分弱結合水由自由水代替，自由水不具有固相性，對抗剪強度沒有貢獻。同時因為電荷均衡，吸附結合水變成自由水，土粒之間的吸引力變差，導致粘聚力變弱。因為水膜變薄，自由水增多，土粒之間的滑移變得容易，導致內摩擦角降低。

當土處于塑限，即半固態與可塑態之間的狀態時，結合水包括全部吸附結合水和其他弱結合水，吸附結合水含量略低于塑限。隨著含水率的增加，弱結合水逐漸增多，土的塑性增強，直至增至液限時，土中水既包括全部吸附結合水，還包括所有弱結合水和少量自由水。因此，吸附結合水含量與塑限的相關性最大，與液限的相關性次之。此外，由于不同高液限土中黏粒的礦物成分不同，不同黏土礦物吸附結合水的能力差異大，相對于與界限含水率指標的相關性，吸附結合水與黏粒含量的相關性較小。高液限土的最大特征是吸附結合水的能力較強，根據李文平等的研究成果，吸附結合水含量Ws和土的塑限Wp存在以下關系：Ws=0.885Wp。因此，可用塑限來表示土樣吸附結合水能力的大小。土的吸附能力越強，受干濕循環的影響越大，從塑限可直觀地判斷土樣的抗剪強度在干濕循環下受結合水衰減的影響程度。

4 抗剪強度衰減對邊坡穩定性的影響

以安猇公路K5+400—482邊坡為例，對干濕循環影響下邊坡穩定性進行分析。該邊坡地處鄂西山地向江漢平原過渡段，地貌屬剝蝕堆積類型，以構造剝蝕丘陵為主。該邊坡在2018年7月開挖，坡高8.55 m，高6 m處設置寬度為2 m平臺，初始坡率一級坡為1∶1.5，二級坡為1∶2。4個月后發生淺層滑坡。利用GeoStudio軟件對邊坡進行穩定性分析，結果見表4。

表4 干濕循環后第一次邊坡穩定性變化

由表4可知：未經歷干濕循環時，土樣的抗剪強度能保持邊坡穩定。經歷干濕循環后，邊坡的穩定性逐漸變差，第6次干濕循環后發生失穩。在這個過程中，粘聚力下降最明顯，對抗剪強度的影響也最大，內摩擦角的作用不明顯。由此判斷，粘聚力降低是邊坡發生淺層滑塌的主要原因，而土樣吸附結合水能力的降低是導致粘聚力下降的主要原因。

5 結論

(1) 高液限土含有大量黏土礦物和微孔隙，導致其吸附結合水含量很高。吸附結合水含量和土的塑限相關性很強，約為0.885倍。

(2) 安猇一級公路的高液限土從干燥到完全吸附結合水的過程需15 d,吸附過程分為3個階段，其中第一階段吸附速度最快，吸附結合水含量最大。

(3) 干濕循環作用對高液限土的吸附能力影響很大。經歷干濕循環后，高液限土吸附結合水的能力逐漸下降，循環6次后下降幅度基本保持穩定。

(4) 根據塑限和高液限土吸附結合水的相關關系，可用塑限表示土樣吸附結合水的能力，也可初步判斷土樣抗剪強度受干濕循環影響的程度。但有待進一步驗證。

(5) 隨著干濕循環的進行，高液限土吸附結合水的能力降低，土的粘聚力下降明顯，內摩擦角變化不大，邊坡的穩定性下降，發生淺層滑塌。