支梟雄， 李寶平， 張 玉,2，王哲成，王 鵬

(1.西安工業(yè)大學 建筑工程學院，西安 710021;2.西安理工大學 陜西省黃土力學與工程重點實驗室，西安 710048)

膨脹土在我國分布十分廣泛。近年來，膨脹土地區(qū)發(fā)生沉降破壞的情況越來越多，因此膨脹土地區(qū)安全合理的工程設計及施工已成為一個亟待解決的重要問題。土的抗剪強度是地基工程和邊坡工程設計過程中的主要指標之一。尤其在各季節(jié)不同氣候的干濕循環(huán)作用條件下,由于膨脹土顯著的脹縮和裂隙特性，使土體抗剪強度極易發(fā)生變化，進而對建筑物造成危害，這是目前我國膨脹土地區(qū)工程建設過程中的主要致災因素。因此研究干濕循環(huán)作用下陜南膨脹土的力學特性有重要的理論價值和實際意義。

國內(nèi)外學者[1-4]對膨脹土受干濕循環(huán)作用的影響做了大量的研究工作，并取得了豐富的研究成果。文獻[5]模擬大氣干濕循環(huán)條件，對擊實的膨脹土土樣通過直剪試驗測定其抗剪強度，結(jié)果表明氣候是膨脹土強度的一個重要影響因素,因此在進行膨脹土地區(qū)工程設計和研究時,必須考慮膨脹土抗剪強度受季節(jié)性干濕循環(huán)作用的影響。文獻[6]研究表明，模擬大氣干濕循環(huán)效應并開展常規(guī)三軸試驗對于合理分析并正確評價膨脹土土坡淺層坍滑的破壞特性是不可或缺的。文獻[7]對擊實的膨脹土試樣進行模擬不同干濕循環(huán)路徑條件下的試驗,研究表明膨脹土的抗剪強度在少于5次干濕循環(huán)次數(shù)條件下不能很好地反映抗剪強度的衰減;而超過5次干濕循環(huán)，則周期過長并且沒有有效的研究價值。研究發(fā)現(xiàn)約5次的干濕循環(huán)后,膨脹土的抗剪強度趨于穩(wěn)定狀態(tài),因此進行陜南膨脹土干濕循環(huán)研究時將5次干濕循環(huán)作為一個特征循環(huán)次數(shù)。文獻[8]主要探究干濕循環(huán)下裂隙發(fā)展與抗剪強度之間的關系，研究表明干密度和初始含水率對膨脹土的裂隙發(fā)展有一定程度的影響，干濕循環(huán)次數(shù)和干密度兩個因素對抗剪強度的大小都有不同程度的影響，未能定量探討干濕循環(huán)次數(shù)和干密度等參數(shù)對膨脹土抗剪強度的影響程度。文獻[9]研究表明當含水率增大時，弱膨脹土的抗剪強度有非常明顯的降低趨勢,并且含水率與黏聚力有類似指數(shù)函數(shù)的關系,與內(nèi)摩擦角有明顯的線性遞減關系,其主要研究膨脹土的抗剪強度隨潛勢的變化規(guī)律，未能定量地揭示初始含水率與膨脹土抗剪強度的關系。文獻[10]在模擬大氣干濕循環(huán)條件下對膨脹土土樣進行直剪和無側(cè)限抗壓強度試驗研究。研究結(jié)果表明膨脹土的抗剪強度隨著干濕次數(shù)的增加而衰減,究其原因主要是由于干濕循環(huán)效應破壞了土體本身的結(jié)構(gòu)，使得黏聚力隨循環(huán)次數(shù)的增多而減小。采用直剪試驗測定膨脹土強度，而直剪試驗不能準確地反映膨脹土應力-應變的關系，與之相比常規(guī)三軸試驗更加符合陜南地區(qū)弱膨脹土在工程建設中的實際受力情況。文獻[11]主要研究風化砂改良膨脹土在干濕循環(huán)條件下抗剪強度的變化情況。研究表明在第2次和第3次干濕循環(huán)過程中,土體抗剪強度減小的程度最大,之后的循環(huán)過程中衰減幅度逐漸減小直到最后達到穩(wěn)定狀態(tài),原狀膨脹土是否有類似的特征，值得學者進一步探討研究。文獻[12]研究表明原狀膨脹土和重塑膨脹土經(jīng)過模擬大氣干濕循環(huán)效應后的抗剪強度衰減主要表現(xiàn)在其黏聚力參數(shù)的大幅度減少，其試驗方案和控制條件仍未能更好的模擬實際膨脹土地區(qū)工程建設。

從上述研究可見，目前我國膨脹土研究多集中于西南區(qū)域，而針對陜南地區(qū)弱膨脹土的研究較少，由于陜南地區(qū)工程建設的急切需要，陜南膨脹土的力學特性研究成為一個亟待解決的課題。基于此，本文選用陜南地區(qū)膨脹土作為研究對象，通過模擬大氣干濕循環(huán)過程進行常規(guī)三軸試驗，分析膨脹土土樣的應力-應變關系和抗剪強度特性，從而揭示膨脹土危害機理，同時為陜南地區(qū)工程建設和后續(xù)研究提供一定的參考。

1 試驗設計

試驗所用膨脹土土樣取自陜西省漢中市勉縣，土體顏色呈紅褐色并夾雜灰白色黏土條帶，為弱膨脹土。陜南膨脹土試樣的基本物理特性參數(shù)見表1。

表1 陜南膨脹土試樣基本物理特性

通過人工增濕法配置不同含水率的陜南膨脹土土樣，待土樣中的水分完全擴散均勻后，采用開放系統(tǒng)的室內(nèi)模擬干濕循環(huán)試驗，模擬自然條件下風干和下雨增濕的實際環(huán)境。綜合參考陜南勉縣地區(qū)歷年的降雨量，將試樣加濕至30%，脫濕至10%作為試驗控制點。分別進行1次、3次、5次干濕循環(huán)，采用固結(jié)排水試驗，以便用較簡便的方法來研究陜南地區(qū)膨脹土的靜力學特性。

2 結(jié)果及分析

2.1 應力-應變影響因素分析

2.1.1 初始含水率對應力-應變的影響

根據(jù)常規(guī)三軸試驗所得數(shù)據(jù)，得到膨脹土在含水率為15%，18%，21%，24%與不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下的應力-應變規(guī)律。由于實際建設工程多受到淺層低應力影響，為了模擬實際工程情況，故以50 kPa固結(jié)圍壓條件下的應力-應變曲線作為研究對象。不同含水率下陜南膨脹土應力-應變關系如圖1所示。其中σ1-σ3為大小主應力差(σ1為大主應力，σ3為小主應力)，ε1為軸向應變。

圖1 不同含水率下膨脹土應力-應變圖

通過圖1的應力-應變曲線可知，隨著軸向應變的增加，σ1-σ3不斷增加，因此峰值應力不斷增加；初始含水率越大，膨脹土峰值強度越低。不同干濕循環(huán)條件下，初始含水率與峰值應力的關系如圖2所示。由圖2可以明顯看出，隨著含水率的增加，峰值應力基本呈線性關系降低；且未經(jīng)干濕循環(huán)的膨脹土與經(jīng)過干濕循環(huán)的膨脹土相比，未經(jīng)干濕循環(huán)的土樣峰值應力降低幅度遠大于經(jīng)過干濕循環(huán)的土樣。初始含水率與峰值應力擬合關系見表2。其中R2為擬合指數(shù)。

圖2 初始含水率與峰值應力圖

由表2可以看出，R2均大于0.99，說明函數(shù)擬合狀況良好。表明隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加,應力-應變曲線上最高點對應的應力值逐漸降低，說明峰值強度和干濕循環(huán)次數(shù)呈負相關，且第一次干濕循環(huán)對峰值強度的影響較大。

表2 初始含水率與峰值應力擬合函數(shù)關系表

2.1.2 干濕循環(huán)次數(shù)對應力-應變的影響

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)以峰值應力為縱坐標，軸向應變?yōu)闄M坐標，得到不同干濕循環(huán)次數(shù)下陜南膨脹土的應力-應變關系如圖3所示。干濕循環(huán)次數(shù)與峰值應力具體試驗數(shù)據(jù)見表3。

圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)下陜南膨脹土應力-應變圖

由圖3和表3可得第一次干濕循環(huán)對土體峰值強度的衰減作用相較后續(xù)干濕循環(huán)要明顯很多。陜南膨脹土應力-應變曲線在不同干濕循環(huán)次數(shù)和初始含水率條件下都會表現(xiàn)出土的應變硬化性質(zhì)。初始含水率為15%時應力-應變曲線增長幅度比24%時要大,說明在較高含水率下,多次干濕循環(huán)對峰值強度的衰減較大，這是由于較高含水率下自由水含量較多,土顆粒間膠結(jié)物質(zhì)溶解破壞能力增強。

表3 峰值應力表

2.2 抗剪強度影響因素分析

剪切破壞是膨脹土強度破壞的一個重要特性,當土體部分剪應力達到極限抗剪強度時,就會出現(xiàn)剪切破壞,膨脹土抗剪力的最大值就是抗剪強度值,抗剪強度特性分析主要針對黏聚力和內(nèi)摩擦角。通過常規(guī)三軸試驗所得數(shù)據(jù),得到相應的莫爾應力圓和強度包線,進一步得到線性函數(shù)方程。通過分析初始含水率和干濕循環(huán)次數(shù)兩個因素對陜南膨脹土抗剪強度的影響，對膨脹土強度特性進行研究，在18%含水率條件下，分別進行1，3，5次干濕循環(huán)周期，得到不同干濕循環(huán)次數(shù)下的摩爾應力圓和強度包線如圖4所示。其中τ為剪應力，σ為正應力。

根據(jù)圖4得到擬合強度包線，其中擬合方程τ=kσ+b中的系數(shù)k為內(nèi)摩擦角的正切值，反算可得出內(nèi)摩擦角，方程的b值為黏聚力，抗剪強度擬合參數(shù)值見表4。

圖4 陜南膨脹土莫爾應力圓及其強度包線

表4 不同干濕循環(huán)次數(shù)下抗剪強度參數(shù)值

2.2.1 干濕循環(huán)次數(shù)對黏聚力及內(nèi)摩擦角的影響

對干濕循環(huán)條件下陜南膨脹土的抗剪強度參數(shù)進行研究，得到陜南膨脹土干濕循環(huán)次數(shù)和黏聚力、內(nèi)摩擦角的關系如圖5～6所示。

通過圖5～6可發(fā)現(xiàn)，當干濕循環(huán)次數(shù)不斷增加時,膨脹土試樣的抗剪強度參數(shù)逐漸降低,干濕循環(huán)條件下膨脹土抗剪強度的降低主要是黏聚力降低幅度較大，內(nèi)摩擦角僅降低了很小的幅度，這是因為干濕循環(huán)破壞了土的原有結(jié)構(gòu)，使得黏聚力減小，且減小幅度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多而減小。

圖5 陜南膨脹土黏聚力與干濕循環(huán)次數(shù)關系

圖6 陜南膨脹土內(nèi)摩擦角與干濕循環(huán)次數(shù)關系

2.2.2 初始含水率對黏聚力及內(nèi)摩擦角的影響

陜南膨脹土試樣在干濕循環(huán)條件下黏聚力、內(nèi)摩擦角與初始含水率之間的關系分別如圖7～8所示。黏聚力與初始含水率擬合數(shù)據(jù)見表5。

由圖7～8可以看出初始含水率和黏聚力之間呈線性變化關系。初始含水率越大，黏聚力和內(nèi)摩擦角受到的影響越大。如果初始含水率大于24%且繼續(xù)增加，兩者關系會逐漸從線性關系向類似指數(shù)關系發(fā)展，這進一步說明了高含水率對陜南弱膨脹土地基的損傷性。由表5可知，擬合指數(shù)R2均大于0.99，說明函數(shù)擬合狀況良好。不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下,當初始含水率增加時，陜南膨脹土黏聚力和內(nèi)摩擦角指標均減小，且呈線性關系。

圖7 陜南膨脹土黏聚力與初始含水率的關系

圖8 陜南膨脹土內(nèi)摩擦角與初始含水率的關系

表5 黏聚力和含水率擬合函數(shù)表

3 結(jié) 論

1) 膨脹土強度的峰值應力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增大而減小,且第一次干濕循環(huán)后峰值強度的降低幅度要明顯大于后續(xù)干濕循環(huán)。

2) 干濕循環(huán)次數(shù)依次增加時,膨脹土抗剪強度衰減。多次干濕循環(huán)作用下，膨脹土力學性能下降，主要是因為黏聚力大幅降低所造成的抗剪強度衰減。第一次干濕循環(huán)對膨脹土抗剪強度的影響遠大于后續(xù)干濕循環(huán)。

3) 膨脹土的抗剪強度隨初始含水率的增大而降低且大致呈線性相關。