粟偉

（懷化市公路管理局（懷化市公路路政管理支隊），湖南懷化 418000）

干濕循環(huán)作用對粉質(zhì)黏土力學性能的影響研究

粟偉

（懷化市公路管理局（懷化市公路路政管理支隊），湖南懷化 418000）

高速公路路基長期受到降雨—蒸發(fā)的干濕循環(huán)作用，其填料強度會出現(xiàn)一定劣化，對路基性能造成較大影響。文中基于水土特征曲線，對高速公路路基土含水率遷移規(guī)律進行分析，得到了路基干濕循環(huán)作用機理；以湖南某在建高速公路路基工程為依托進行干濕循環(huán)作用下粉質(zhì)黏土剪切試驗，分析干濕循環(huán)作用對粉質(zhì)黏土力學性能的影響。結(jié)果表明，高速公路路基干濕循環(huán)是以平衡含水率為中心上下波動的周期性循環(huán)過程；粉質(zhì)黏土的粘聚力與內(nèi)摩擦角隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加不斷降低，呈現(xiàn)前期衰減快、后期衰減慢并最終趨于穩(wěn)定的趨勢；粉質(zhì)黏土的粘聚力受干濕循環(huán)的影響比內(nèi)摩擦角更大，干濕循環(huán)10次后，粉質(zhì)黏土的粘聚力降低約66.5%，內(nèi)摩擦角降低約38.2%。

公路；路基；干濕循環(huán)；粉質(zhì)黏土；剪切試驗；粘聚力；內(nèi)摩擦角

高速公路路基由非飽和土填筑而成，存在基質(zhì)吸力。填土中的基質(zhì)吸力會在路基中產(chǎn)生毛細作用，地下水在毛細作用下不斷浸潤路基土，并逐漸向上遷移，導致路基含水率逐漸增加，在降雨條件下更加明顯。而當?shù)叵滤幌陆禃r，路基含水率會降低，同時在蒸發(fā)的影響下含水率進一步降低。因此，可以說高速公路路基周而復始地處在干濕循環(huán)作用下。

路基含水率的變化，尤其是周而復始的干濕循環(huán)過程會改變路基的使用性能，路基的強度、剛度、穩(wěn)定性及耐久性均會降低。王建華等通過干濕循環(huán)試驗對水泥改良土在干濕循環(huán)條件下的抗剪強度變化規(guī)律進行了探討；汪東林、張芳枝等對非飽和重塑黏土進行干濕循環(huán)條件下的相關試驗，闡述了基于非飽和土理論的黏土干濕循環(huán)強度特性。然而由于非飽和土吸力難以量測，這些研究成果在工程實踐中的應用受到限制。另外，翟聚云、林中湘、楊和平等均對路基水分遷移及干濕循環(huán)對其強度的影響進行了研究。該文以湖南某在建高速公路典型粉質(zhì)黏土為研究對象，基于土水特征曲線對路基干濕循環(huán)機理進行研究，并通過增濕—蒸發(fā)的方式模擬路基干濕循環(huán)過程，制作不同干濕循環(huán)次數(shù)的試件，通過直剪試驗開展干濕循環(huán)作用下粉質(zhì)黏土力學性能研究，為路基穩(wěn)定性分析提供指導。

1　路基土干濕循環(huán)作用機理

路基是經(jīng)過開挖、重塑、碾壓成型的土，且位于地下水位上方，大多屬于非飽和土。路基施工時按最佳含水率碾壓成型，此時含水率相對較低。在路基運營過程中，其濕度狀態(tài)常年受到地下水位升降、降雨與蒸發(fā)、內(nèi)部排水條件等因素的影響，路基濕度會逐漸發(fā)生變化，其含水率通常會由施工時的最佳含水率逐漸演變?yōu)檫\營期的平衡含水率狀態(tài)。運營路基含水率的變化主要是由于非飽和土對水分的吸引，致使水分在路基內(nèi)發(fā)生遷移。研究非飽和土對水分的吸引主要采用土水特征曲線。

土水特征曲線是研究非飽和土吸力變化、持水特性及水分遷移規(guī)律的重要理論。近年來，隨著非飽和土力學理論的進步與發(fā)展，非飽和土的土水特征曲線研究進入一個新階段，并根據(jù)不同需要提出了多種土水特征曲線預測模型。Fredlund等利用統(tǒng)計分析方法，基于對土體孔徑分布曲線的研究，提出了適用于任何土體、全吸力范圍內(nèi)的土水特征曲線表達式：

式中：θ為體積含水率；θs為飽和體積含水率；ψ為基質(zhì)吸力；a為進氣值函數(shù)的土性參數(shù)；b為當基質(zhì)吸力超過土的進氣值時土中水流出率函數(shù)的土性參數(shù)；c為殘余含水率函數(shù)的土性參數(shù)；ψr為殘余含水率θr所對應的基質(zhì)吸力。

對式（1）進行變換，得到土體含水率計算公式：

由式（2）可知：隨著路基含水率的增加，路基土基質(zhì)吸力逐漸降低，當路基土達到飽和時，殘余基質(zhì)吸力達到一個固定值，路基含水率趨于穩(wěn)定，此時含水率即為路基土平衡含水率。大量研究表明，路基平衡含水率與路基填土的塑限基本吻合。

同時，路基含水率受外界因素的影響較大，當遇到降雨、地下水位升高時，路基含水率提高；反之，在旱季，由于地下水位下降，蒸發(fā)作用強烈，路基含水率降低?？梢?，在外界因素作用下，路基的干濕循環(huán)是路基土以塑限含水率為中心上下波動的周期性變化過程。

2　干濕循環(huán)作用下粉質(zhì)黏土直剪試驗

以湖南某在建高速公路為依托，進行干濕循環(huán)作用下典型粉質(zhì)黏土直剪試驗。粉質(zhì)黏土的基本指標見表1。

表1　粉質(zhì)黏土的基本指標

2.1干濕循環(huán)標準試件制備

（1）環(huán)刀試件制備。路基是在最佳含水率的條件下碾壓成型，故試驗所用試件也按最佳含水率制備。先按照最佳含水率配置試驗用料，并悶料24h確保水分分布均勻；然后根據(jù)環(huán)刀的體積，按照96%壓實度反算環(huán)刀試件所需土的重量；最后將粉質(zhì)黏土按照分層擊實的方法擊實至環(huán)刀內(nèi)，并悶料24h確保水分分布均勻。此時環(huán)刀試件的含水率為16.76%，壓實度為96%。

（2）干濕循環(huán)過程模擬。路基干濕循環(huán)過程是以平衡含水率為中心，含水率在一定范圍內(nèi)上下波動的過程。因此，在室內(nèi)采用如下方式模擬路基干濕循環(huán)過程：首先通過增濕的方法將試件含水率增加到23.5%，即達到粉質(zhì)黏土的平衡含水率，并密封養(yǎng)護24h確保試件水分分布均勻；然后通過增濕使試件含水率達到31.5%，即粉質(zhì)黏土一年中最大含水率，并密閉養(yǎng)護24h使水分均勻擴散，以此模擬濕潤狀態(tài)；將增濕后的試件烘干減濕，使其含水率降低至16.5%，即粉質(zhì)黏土一年中最小含水率，并密封養(yǎng)護24h使水分分布均勻，以此模擬干燥狀態(tài)。每經(jīng)過一次增濕—脫濕的過程，就完成一次干濕循環(huán)，干濕循環(huán)次數(shù)最多為10次。干濕循環(huán)試件的制備見圖2。

圖1　干濕循環(huán)試件的制備

2.2干濕循環(huán)直剪試驗

采用不排水快剪的方法進行直剪試驗。試驗時對試件施加的荷載分為四級，分別為100、200、300、400kPa。通過快剪試驗測定試件的應力-應變曲線，得到不同荷載下粉質(zhì)黏土的抗剪強度（見表2）。

表2　粉質(zhì)黏土直剪試驗結(jié)果

根據(jù)庫侖定理，由抗剪強度與垂直壓力的關系曲線得到粉質(zhì)黏土的抗剪強度參數(shù)（見表3）。

表3　干濕循環(huán)作用下粉質(zhì)黏土的強度參數(shù)

從表3來看，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，粉質(zhì)黏土的粘聚力和內(nèi)摩擦角呈減小的趨勢。為了更精確、直觀地分析粘聚力和內(nèi)摩擦角與干濕循環(huán)次數(shù)的衰減關系，對粘聚力和內(nèi)摩擦角每次干濕循環(huán)條件下的衰減量和衰減幅度進行分析，結(jié)果見表4。

表4　粉質(zhì)黏土強度參數(shù)分析結(jié)果

3　干濕循環(huán)直剪試驗結(jié)果分析

根據(jù)表3、表4所示試驗結(jié)果繪制干濕循環(huán)作用下粉質(zhì)黏土粘聚力、內(nèi)摩擦角衰減量及衰減幅度曲線（見圖3～6）。

圖2　粉質(zhì)黏土粘聚力衰減量曲線

圖3　粉質(zhì)黏土內(nèi)摩擦角衰減量曲線

圖4　粉質(zhì)黏土粘聚力衰減幅度曲線

圖5　粉質(zhì)黏土內(nèi)摩擦角衰減幅度曲線

由圖3～6可以看出：1）隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，粉質(zhì)黏土粘聚力及內(nèi)摩擦角均不斷降低，呈現(xiàn)前期衰減快、后期衰減慢并最終趨于穩(wěn)定的趨勢。2）粉質(zhì)黏土粘聚力受前4次干濕循環(huán)的影響較大，變化較快，經(jīng)過前4次干濕循環(huán)后，粘聚力已基本趨于穩(wěn)定；內(nèi)摩擦角則受前3次干濕循環(huán)的影響較大，變化較快，經(jīng)過前3次干濕循環(huán)后，內(nèi)摩擦角已基本趨于穩(wěn)定。3）干濕循環(huán)對粉質(zhì)黏土粘聚力的影響比內(nèi)摩擦角大。經(jīng)過4次干濕循環(huán)，粉質(zhì)黏土的粘聚力由42.36kPa衰減至18.13kPa，衰減幅度達57.2%；內(nèi)摩擦角由23.54°衰減至15.12°，衰減幅度為35.8%。

4　結(jié)論

（1）高速公路路基填土為不飽和土，在基質(zhì)吸力作用下，路基含水率逐漸升高；隨路基含水率的升高，基質(zhì)吸力逐漸降低，最終路基土含水率達到平衡含水率。路基平衡含水率與路基土塑限基本吻合。

（2）在降雨、蒸發(fā)等外界環(huán)境作用下，路基土含水率會以平衡含水率為中心上下周期浮動，據(jù)此可得到高速公路路基干濕循環(huán)的作用機理及過程。

（3）干濕循環(huán)作用下，粉質(zhì)黏土粘聚力與內(nèi)摩擦角均不斷下降，并呈現(xiàn)前期衰減速度快、后期衰減速度慢的趨勢。粘聚力經(jīng)過4次干濕循環(huán)后基本趨于穩(wěn)定，內(nèi)摩擦角經(jīng)過3次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定。

（4）干濕循環(huán)對粉質(zhì)黏土粘聚力的影響比內(nèi)摩擦角大，當粘聚力與內(nèi)摩擦角穩(wěn)定時，粘聚力衰減幅度為57.2%，內(nèi)摩擦角衰減幅度為35.8%。

［1］ 王建華，高玉琴.干濕循環(huán)過程導致水泥改良土強度衰減機理研究［J］.中國鐵道科學，2006，27（5）.

［2］ 汪東林，欒茂田，楊慶.非飽和重塑黏土干濕循環(huán)特性試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2007，26（9）.

［3］ 張芳枝，陳曉平.反復干濕循環(huán)對非飽和土的力學特性影響研究［J］.巖土工程學報，2010，32（1）.

［4］ 翟聚云，魯潔.非飽和膨脹土水分遷移的試驗研究［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2010，32（2）.

［5］ 林中湘.非飽和土水汽遷移規(guī)律試驗研究［J］.路基工程，2009（5）.

［6］ 楊和平，張銳，鄭健龍.有荷條件下膨脹土的干濕循環(huán)脹縮變形及強度變化規(guī)律［J］.巖土工程學報，2006，28 （11）.

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2016-04-16