濕干凍融循環下伊犁渠道膨脹土抗剪特性衰減研究

王森濤，姜海波，趙海蛟，喻天龍

（1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832003；2.伊犁河水利水電投資開發集團有限公司，新疆 伊犁 835000；3.新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司，新疆 石河子 832003）

0 引言

北疆伊犁河北岸干渠處于天山腹地，受溫帶大陸性氣候的影響，冬寒夏炎，渠道采用季節性供水的方式。膨脹土［1］多呈夾層狀分布于該干渠沿線的山前丘陵區，跨越4 個渠段，長度近1 km。由于膨脹土富含黏土礦物，浸水膨脹，失水縮裂，在運行周期中易受到干濕和凍融循環的影響，使淺層膨脹土發生表面開裂，強度衰減等不可逆損傷，隨著渠坡滲流通道豎直向下發育，土體逐層崩解剝落［2］，進而誘發膨脹土渠道邊坡失穩。

針對渠道膨脹土破壞失穩的特點，一些學者［3-5］基于南水北調工程，結合非飽和滲流理論和裂隙誘導各向異性等角度，闡述了降雨對渠道膨脹土的破壞作用。為研究復雜環境下的渠道膨脹土抗剪特性的演化特征，黃震等［6，7］通過江淮地區的膨脹土干濕循環直剪試驗，揭示了膨脹土抗剪強度與循環次數和循環幅度呈負相關變化。朱銳等［8］通過常規直剪試驗，得出干濕循環條件下的膨脹土抗剪強度與表面裂隙率之間存在線性關系，延長排水時間能提高渠坡穩定性。ZENG等［9，10］探討了凍融循環條件下膨脹土的變形特征，發現高含水率的膨脹土呈凍脹融縮的特點，低含水率土樣變形特征與高含水率相反。張琦等［11，12］通過試驗得出，含水率和凍融循環周期的增加會加劇膨脹土抗剪強度衰減，首次循環的劣化效果最為顯著。張浩［13］提出新的裂隙指標，從宏-細-微3 個角度分析了膨脹土抗剪強度劣化的物理機制。

上述研究在分析渠道膨脹土的劣化問題上發揮了重要作用，但是研究對象主要集中在南方地區，對我國西北寒旱區膨脹土的抗剪強度特性研究較少，且試驗邊界多局限于單一干濕或凍融的循環模式以及常規應力條件，對淺層膨脹土易受擾動的特點關注不足，對兩種循環模式疊加效果和抗剪強度指標的衰減機理尚不明確，因此寒旱區渠道膨脹土抗剪強度特性隨濕干凍融循環的變化規律亟待進一步深入研究。

本文考慮渠道膨脹土所處的應力狀態與氣候環境，設計了不同干密度的膨脹土在單一干濕循環和濕干凍融循環條件下的低應力直接剪切試驗，研究了不同條件下渠道膨脹土抗剪強度、黏聚力、內摩擦角的變化特征，揭示了循環模式與干密度對渠道膨脹土抗剪特性衰減規律的影響，為研究寒旱區渠道膨脹土抗剪特性提供思路，為建立膨脹土渠坡穩定性分析模型奠定基礎。

1 試樣制備和試驗方案

1.1 土樣基本性質

試驗土料取自北疆伊犁地區渠系工程現場的黃色土樣，取土深度為1～2 m，進行基礎土工試驗，得出各項參數如表1所示。根據《膨脹土地區建筑技術規范》中膨脹潛勢分類規定，試樣自由膨脹率為52%，為典型弱膨脹土。

表1 土樣基本物理參數Tab.1 Basic physical parameters of soil samples

1.2 試樣制備

由于渠道經過多年的運行與修復，含雜質較多，故使用重塑土開展試驗。土料經過碾碎和烘干處理后，過2 mm 標準的篩網，設土樣初始含水為21.0%（最優含水率），將配制好的土樣作悶料24 h處理，當土樣含水率與目標含水相差小于1%時，土樣含水率制配完備。考慮到分層擊實的試樣可能在濕干凍融循環作用下發生分層斷裂，所以稱采用靜壓法一次成型。將稱量好的土樣裝入制樣模具，制備為高20 mm、直徑61.8 mm 的重塑土餅試樣，試樣質量誤差應小于0.1 g/cm3，膨脹土試樣如圖1所示。

圖1 膨脹土試樣Fig.1 Expansive soil sample

土樣設置兩種干密度，S1 為1.68 g/cm3，S2 為1.60 g/cm3，壓實度為分別為100%和95%。對應渠基土在理想條件和實際運行過程中的壓實程度。共計88個試樣，每種干密度土樣分別配制11 組，每組4 個平行試樣，1 組進行無循環作用的對照試驗，其余10 組分別進行干濕循環作用與濕干凍融循環作用下的低應力直剪試驗。

1.3 試驗方案

伊犁河北岸干渠采用季節性供水的方式，每年春季開始通水，秋季停水，加之沿線夏季最高地表溫度超過40 ℃，冬季地表溫度低至-30 ℃，惡劣的氣候對渠道膨脹土形成了明顯的濕干凍融循環作用。考慮到渠道所處環境的復雜性，本研究對循環過程進行簡化，設置循環次數為5 次，試驗設計方案如表2所示。

表2 試驗設計方案Tab.2 Experimental design scheme

（1）干濕循環。渠道通水期間，由于淺層膨脹土在滲流作用下近于飽和狀態，將此過程模擬為試樣增濕的過程，試驗采用浸水飽和48 h 的處理方法。停水后，渠道進入失水干燥狀態，將渠道膨脹土自然干燥過程模擬為試樣在恒溫環境中脫濕的過程，試驗采用溫度設置為40 ℃的烘干試驗箱做脫濕處理。試樣干燥幅度為飽和含水率ws降至天然含水率w，干燥過程采用稱重法監測。試樣連續經歷以上2 種狀態的變化即為完成1次干濕循環。

（2）濕干凍融循環。當沿線溫度降至0 ℃以下時，渠道開始凍結，將渠道膨脹土自然凍結過程模擬為試樣在恒低溫環境下凍結過程，試驗使用南京安奈試驗設備公司生產的凍融試驗機，溫度設定-20 ℃，凍結12 h。當氣溫由負溫升至0 ℃以上后，渠身土體逐漸融化至凍結前狀態，將此過程模擬為試樣在恒溫環境中融化過程，設置凍融試驗機的溫度為20 ℃，時間為12 h。凍融過程中采用3 層保鮮膜包裹試樣并用橡皮圈固定，以減少試樣水分損失。試樣連續經歷上述“濕—干—凍—融”4種處理后視為完成1次濕干凍融循環。

（3）直剪試驗。常規直剪實驗在100、200、300、400 kPa 的應力范圍內進行，但膨脹土渠道邊坡失穩多為淺層破壞，常規應力下得到的抗剪強度偏高，會對穩定性分析造成偏差。本研究對完成循環計劃的試樣進行飽和處理，使用應變控制式直剪儀在12.5、25.0、37.5、50.0 kPa 的低應力范圍內以0.08 mm/min的速率進行快剪試驗。S1WDFT 指干密度為1.68 g/cm3的試樣進行濕干凍融循環直剪試驗，S2WD 指干密度為1.60 g/cm3的試樣進行干濕循環直剪試驗，以此類推，膨脹土試樣歷經濕干凍融循環試驗流程如圖2所示。

圖2 渠道膨脹土濕干凍融循環試驗流程Fig.2 Wet-dry freeze-thaw cycle test flow of channel expansive soil

2 試驗結果及分析

2.1 抗剪強度

圖3 為在4 種循環條件下渠道膨脹土試樣的抗剪強度值隨循環次數變化曲線，對比圖3（a）和（b）、（c）和（d）試驗結果，可見，相同干密度試樣的抗剪強度在2 種循環模式下的初始值相同，在隨后循環過程中，干濕循環后的強度值均大于濕干凍融循環作用下的強度值。在2 種循環模式下，試樣的抗剪強度均隨循環周期的增加呈一定的衰減趨勢，總體上曲線斜率于初次循環時最大，隨后逐漸降低，在3 次循環后逐漸趨于穩定，這說明在5 次循環試驗中，抗剪強度值的衰減主要集中在前3 次，衰減最嚴重出現在第1次循環后。

圖3 不同法向應力下試樣抗剪強度隨循環次數的變化Fig.3 The variation of shear strength of samples under different normal stresses with the number of cycles

為便于分析2 種循環模式對試樣強度衰減的影響，以法向應力為12.5 kPa為例，如圖4所示，隨著循環周期的增加，2種循環模式下的抗剪強度衰減率逐漸增大，相同干密度試樣經歷濕干凍融循環作用后的抗剪強度的衰減程度均大于濕干循環作用后的試樣，這說明濕干凍融循環的劣化作用較濕干循環更加明顯。在S1WDFT、S1WD、S2WDFT、S2WD 四種條件下，試樣抗剪強度經歷初次循環后的衰減率分別為17.1%、12.5%、28.3%、18.9%，占對應條件下總衰減率的40%～63%，其中濕干凍融循環作用后試樣的抗剪強度衰減幅度較干濕循環作用增加37%～50%，在其他法向應力下也有類似現象。

對比（a）和（c）、（b）和（d）試驗結果，可見干密度對渠道膨脹土的抗剪強度有著顯著的影響，在相同的循環模式下，試樣的抗剪強度值與干密度呈正相關變化，這是因為試樣干密度越大，土顆粒越緊實，越不易被剪切破壞。

圖5 為第5 次循環后2 種干密度試樣的抗剪強度衰減率。在S1WDFT、S2WDFT、S1WD、S2WD 四種試驗條件下歷經5 次循環，法向應力為12.5 kPa 的試樣，抗剪強度衰減率分別39.4%、45.0%、31.2%、38.2%，當試樣干密度由S1 降低為為S2時，試樣抗剪強度衰減程度相對增加13%～24%。隨著法向應力增加，對應抗剪強度衰減幅度逐漸下降。在50.0 kPa 法向應力下，試樣5次循環后衰減率分別為31.0%、32.0%、24.5%、26.4%，此時干密度降低為S2 時的衰減率較S1 增加不足8%。這說明在相同法向應力和循環模式下的，干密度與抗剪強度的衰減幅度呈負相關變化，法向應力越小，試樣抗剪強度的衰減程度越明顯，干密度的降低對抗剪強度的劣化效果越明顯，印證了膨脹土渠道邊坡容易發生淺層失穩的問題，在測定膨脹土強度特性時低應力條件不容忽略。

圖5 第5次循環后2種干密度試樣抗剪強度衰減率Fig.5 Decay rate of shear strength of two dry density samples after the fifth cycle

2.2 抗剪強度指標

基于摩爾-庫倫強度理論和所測抗剪強度值，求出抗剪強度指標（黏聚力和內摩擦角），結果如圖6所示。在干濕或濕干凍融循環過程中，抗剪強度指標并非簡單的單向變化，而是兼具增大和減小的兩種趨勢。在土體擠壓或脫濕狀態下，“擠縮效應”明顯，表現為土體吸力增大使土顆粒被拉緊，孔隙閉合，土骨架強度和土顆粒發生位移的阻力也隨之增大，造成土體的黏聚力和摩擦角增加；土體持續歷經干濕或凍融循環作用后，“裂隙效應”顯著，表現為土顆粒反復拉扯，土體的完整性和結構性因土體內部裂隙的發育而被破壞［14］，同時削弱了土顆粒間的嚙合能力，造成試樣的黏聚力和內摩擦角降低。以上兩種效應在循環過程中對試樣的影響程度不同，并且同一效應對黏聚力和內摩擦角的影響程度也不盡相同，這就解釋了在一些學者的研究中出現內摩擦角會隨著循環周期“波動”增減這一現象。

2.2.1 循環模式對抗剪強度指標的影響

圖6為抗剪強度指標隨循環次數的變化曲線，可以看出，總體上試樣的黏聚力和內摩擦角與循環次數呈負相關變化，相較于內摩擦角的變化，黏聚力衰減規律更明顯。對比S1WDFT 和S1WD、S2WDFT 和S2WD 試驗結果可知，控制試樣干密度，采取濕干凍融循環模式下的抗剪強度指標會進一步減小。

圖7為同一干密度在不同循環模式下抗剪強度指標衰減率隨循環次數的變化曲線，試樣經歷5 次干濕循環作用后黏聚力衰減率為34.1%～43.6%，經歷5 次濕干凍融循環作用后黏聚力衰減率為44.0%～52.7%，衰減幅度相對擴大了近20%，可見濕干凍融循環對黏聚力的劣化作用更顯著。與黏聚力類似，濕干凍融循環會增大內摩擦角衰減幅度，但由于其衰減程度有限（數值變化不超過3°），所以循環作用對內摩擦角的劣化作用低于黏聚力。

圖7 不同循環模式下抗剪強度指標衰減率隨循環次數的變化Fig.7 Variation of the shear strength index decay rate with the number of cycles under different cycle modes

試樣在循環過程中的“裂隙效應”作用大于“擠縮效應”，試樣反復在失水收縮與吸水膨脹的狀態間轉換，使土體的整體性逐漸破壞，由于基質吸力等因素試樣開始產生裂縫，原有的聯結被弱化，削弱了法向接觸與摩擦，在此導致試樣的黏聚力和內摩擦角伴隨循環進行而降低，隨后在凍融作用下［15］，水的相變使試樣反復縮脹，土粒間聯結繼續被破壞，使顆粒間隙變大結構稀松，裂隙繼續拓展發育，使黏聚力在濕干凍融循環作用下衰減加劇，宏觀表現為濕干凍融循環中的凍融過程促進了渠道膨脹土強度的降低。

2.2.2 干密度對抗剪強度指標的影響

干密度對試樣的抗剪強度指標同樣有顯著的影響，在相同的循環模式下，渠道膨脹土試樣的黏聚力和內摩擦角與干密度總體上呈正相關變化，但衰減效果卻相反。圖8 為不同干密度下抗剪強度指標衰減率隨循環次數變化曲線，當試樣干密度由S1 降低為為S2 時，經歷5 次循環作用后黏聚力的衰減率由34.1%～44.0%變化為43.5%～52.7%，衰減幅度相對增大20%～28%，而內摩擦角的衰減率由9.8%～12.5%變化為5.2%～8.1%，衰減幅度相對減小35%～46%，表明試樣在干濕循環和濕干凍融循環條件下，黏聚力的衰減程度均隨著干密度的減小而增大，內摩擦角的衰減程度卻相反，即試樣壓實程度的下降減緩了內摩擦角的衰減，促進了黏聚力的衰減。

圖8 不同干密度下抗剪強度指標衰減率隨循環次數變化Fig.8 The decay rate of shear strength index varies with the number of cycles under different dry densities

在環刀的限制下，試樣徑向尺寸的脹縮程度隨干密度的降低而增強，“裂隙效應”顯著，試樣的開裂程度逐漸增強，土顆粒間聯結作用減弱，從而加劇黏聚力的衰減。另外試樣在循環過程中會剝落出小顆粒，這些細粒容易滑入臨近的裂縫中，使試樣內長裂隙逐漸被“裝填”為短裂隙［16］，而低干密度時試樣裂隙數目更多，更容易發生裂隙從長向短的轉化，這個過程一定程度上降低了土粒的滑動摩擦，同時削弱了土粒間的咬合摩擦，從而抑制了顆粒間摩擦特性，造成了在一定的干密度范圍內試樣內摩擦角的衰減程度與干密度呈現正相關變化的現象。以往對內摩擦角變化的分析較少，本試驗結論與朱洵［17］的研究成果類似，但筆者認為土體內部破裂生成細粒并非僅在凍融過程下發生，單一的干濕作用也會使試樣裂隙附近的土顆粒團出現破碎分解，裂隙被裝填后一定程度上抑制土樣摩擦特性。換而言之在兩種循環模式下，干密度越大，內摩擦角衰減越多。

2.2.3 危險工況下抗剪強度指標擬合

同時考慮渠道運行中凍融過程和干密度降低的情況，5 次循環結束后，試樣的黏聚力由26.5 kPa 降至9.3 kPa，內摩擦角22.2°降至18.2°，衰減率分別為65%和18%。可見：低應力下考慮干密度衰減的試樣，濕干凍融循環作用對渠道膨脹土的劣化作用十分顯著，也更貼合實際工程。為了更準確地預測循環作用對伊犁渠道膨脹土抗剪強度指標的影響，為后期建立膨脹土渠坡穩定性分析模型提供合理參數，取S1WDFT 和S2WDFT 條件下試樣的黏聚力和內摩擦角隨循環次數的變化情況進行指數函數擬合，分別表征渠道膨脹土抗剪強度指標在建造初和運行中的危險工況。擬合式中相關系數R2均大于0.95，具體擬合函數見下式：

式中：n指循環次數；c指黏聚力，kPa；φ指內摩擦角，（°）；e 指自然常數。

3 結論

針對北疆伊犁河北岸干渠內膨脹土渠道邊坡在運行過程中密實程度降低且易失穩的特點，對2 種干密度的渠道膨脹土試樣進行了干濕和濕干凍融2 種循環作用的模擬，并于低應力狀態下進行直剪試驗，得到以下結論。

（1）直剪試驗中法向應力越小，試樣抗剪強度的衰減程度越大，干密度降低對強度的劣化效果越明顯，印證了膨脹土渠道邊坡容易發生淺層失穩的問題，在測定膨脹土抗剪強度特性時低應力條件不容忽略。

（2）濕干凍融循環作用加劇了試樣抗剪特性的衰減。試樣抗剪強度在初次濕干凍融循環作用后的衰減率占總衰減程度的40%以上，循環3 次后衰減速率減緩，5 次循環結束后濕干凍融循環作用下黏聚力的衰減程度較干濕循環作用增大20%，分析寒旱地區渠道膨脹土的抗剪特性應同時考慮干濕和凍融的劣化作用。

（3）低干密度狀態對試樣抗剪特性的劣化更顯著。干密度越大的試樣，初始抗剪強度指標越大，隨著循環過程中干密度降低，試樣黏聚力衰減幅度增大，內摩擦角衰減程度降低，分析抗剪強度指標增減機理時應同時考慮“擠縮”和“裂隙”兩種效應。

（4）根據試驗數據和工程背景，將S1WDFT和S2WDFT設為渠道膨脹土建造初和運行中的危險工況，擬合出其抗剪強度指標隨循環次數變化的函數關系式，為后期建立膨脹土渠坡穩定性分析模型奠定基礎，為實際工程提供參照。