張慶海, 武立華， 劉春雷， 李 想

(綏化學院農業(yè)與水利工程學院，黑龍江 綏化 152000)

0 引 言

江河海岸的岸坡土體與一般的土有所不同，土體會隨著江河水位的升降變化而發(fā)生干濕交替的過程，正是因為江河水位的升降使得岸坡土體處于反復的干濕循環(huán)中，導致其強度呈明顯的下降趨勢和變動性，最終造成岸坡的變形和破壞。對于干濕循環(huán)國內已經(jīng)有很多學者對此進行了研究。宋洋等人通過對原狀黃土進行固結試驗與理論分析的方法進行分析。黃土的割線模量隨干濕循環(huán)次數(shù)的增多而減小，1-3次時變化幅度較大，3-5次之后幅度變化不大，且趨于穩(wěn)定[1]。曹玲等人通過三軸試驗對經(jīng)過多次干濕循環(huán)后三峽庫滑坡帶土飽和試樣的凝聚力和內摩擦角的下降情況進行了研究[2]。郝延周等人通過對壓實黃土進行不同路徑的干濕循環(huán)與三軸剪切試驗，得出干濕循環(huán)對壓實黃土的三軸剪切特性影響顯著[3]。通過對松花江哈爾濱段—阿勒錦島岸坡的原狀土與經(jīng)過反復干濕循環(huán)后的土體進行對比試驗分析，研究干濕循環(huán)過程對岸坡土體強度特性的影響效應。

1 試驗方案

1.1 試樣制備和干濕循環(huán)樣的制備

1.1.1 壓縮與直剪試樣的制備

壓縮試樣與直剪試樣均采用φ=61.8mm,h=20mm的環(huán)刀從現(xiàn)場取土。取回后測量土樣含水量，稱量每個環(huán)刀土樣的總重；通過試驗表明，土體在經(jīng)過三次干濕循環(huán)后土中的孔隙結構及顆粒排列就趨于穩(wěn)定，對于壓縮試驗，試驗設計最多進行3次干濕循環(huán)。所以選取密度相近(密度差值≤0.03g/cm3)的4個試樣為壓縮試樣，為保障試樣的順利進行，額外增加4組備用樣，所以壓縮試驗共需備8個環(huán)刀試樣。對于直剪試驗，土樣同壓縮試驗土樣，共需32個試樣。共計40個環(huán)刀試樣。

1.1.2 三軸試樣的制備

試驗采用重塑土樣進行三軸壓縮試驗，并采用擊實的方法制備。試樣直徑為39.1mm，高度為80mm。按原狀土的含水率和密度(w=23.3%，ρ=2.05g/cm3)配制土樣。根據(jù)要求的密度，稱取所需土的質量，然后將土分為均等的5份，分層裝入飽和容器內，每層土料的質量、分層擊實宇每層的錘擊數(shù)目相等。當每層錘擊完成后，將土層表面刨毛，再加下一層的土料，如此反復，直至最后一層。從試樣中選取與原狀土密度最接近的土樣作為試樣，并選取其中密度相近(密度插值≤0.05g/cm3)的三個圓柱樣為一組三軸試樣，試驗設計最多進行3次干濕循環(huán)，故加上原狀土共需備4組試樣，為保障試驗的順利進行，另備4組備用樣，所以共備8組試樣，總共24個圓柱試樣。

1.1.3 干濕循環(huán)樣的制備

試樣進行干濕循環(huán)，將試樣在溫度50°的烘箱中烘干至恒重，期間每隔一段時間就稱重，達到恒重時，將試樣浸水飽和72h，直到水不再滲入為止，此即為一個干濕循環(huán)過程。將完成干濕循環(huán)的試樣放在室外自然狀態(tài)下風干至初始質量，風干過程不間斷的記錄試樣的質量，尤其試樣質量塊接近原始質量時，記錄的間隔要盡量短。之后將風干后的試樣放入保濕缸中保濕72h，取出稱重，以確保試樣在干濕循環(huán)前后的含水率一致。

1.2 對比試樣設計

1.2.1 固結試驗

將原狀土樣和經(jīng)過不同干濕循環(huán)次數(shù)的每組試樣放置于有側限條件的壓縮容器內，對每組試樣分四級50kPa，100 kPa，200 kPa，300 kPa加壓，每級加壓時間為24h[4]。在計算機操縱軟件上讀取實時數(shù)據(jù)，研究干濕循環(huán)對岸坡土體壓縮特性的影響。

1.2.2 直接剪切試驗

采用四聯(lián)電動直剪儀，將已經(jīng)完成干濕循環(huán)并養(yǎng)護好的每組4個試樣分別在100kPa,200kPa，300kPa，400kPa的垂直壓力下進行快剪試驗，剪切速率控制在0.8mm/min[5]。讀取試驗數(shù)據(jù)，剪切應力的最大值即為該級壓力下的剪切強度。

1.2.3 三軸壓縮試驗

將已經(jīng)完成干濕循環(huán)并且養(yǎng)護好的每組3個試樣，分別在100kPa，200kPa，300kPa的圍壓下進行不固結不排水剪切試驗(UU)。緩慢施加軸向壓力剪切至破壞，剪切速率控制為0.2mm/min，試驗終止的條件為最大軸向應變15%。

2 試驗成果分析

2.1 反復干濕循環(huán)對壓縮特性的影響

2.1.1 壓縮試驗結果數(shù)據(jù)

對原狀土和干濕循環(huán)后的試樣進行壓縮試驗，試驗結果如表1所示。

表1 干濕循環(huán)岸坡土的壓縮系數(shù)指標

2.1.2 試驗數(shù)據(jù)分析

土體的壓縮系數(shù)在干濕循環(huán)作用下的變化規(guī)律及擬合曲線，如圖1所示。根據(jù)表1可知，未經(jīng)歷干濕循環(huán)土樣的壓縮系數(shù)最小，而當經(jīng)歷了三次干濕循環(huán)后的土樣的壓縮系數(shù)最高。另外還可以得出相同的孔隙比下，干濕循環(huán)樣對應的豎向壓力比原狀土的小很多，這可能是由于土體在干燥-吸濕的過程中，試樣中的最小孔隙有所增大造成。文獻[6]表明，土體在脫濕的過程中，土體內水量的排出是由結構中最小的孔隙起控制作用的。由此可以分析，土體在經(jīng)過反復的干濕循環(huán)后，內部微觀結構發(fā)生了一些變化，土體中最小的孔隙有所增大，這種變化可能是由于有機鹽溶質的流失或干濕循環(huán)導致土的結構排列發(fā)生變化導致。

圖1 壓縮系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律

從圖1曲線中可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體的壓縮系數(shù)是逐漸增大的，且變化的幅度較大。這可以理解為土樣在經(jīng)過反復的干燥和濕化的過程中，微觀結構發(fā)生變化，土樣中的最小孔隙比有所增大，可能在局部出現(xiàn)微小裂隙通道，使得土樣中的水分更容易被排出，所以壓縮系數(shù)也逐漸的增大。

2.2 反復干濕循環(huán)對抗剪強度影響的直剪試樣研究

2.2.1 直剪試驗數(shù)據(jù)

對原狀土和干濕循環(huán)后的試樣進行直剪試驗，試驗結果如表2所示。

表2 直剪試驗數(shù)據(jù)

2.2.2 試驗數(shù)據(jù)分析

由試驗所得數(shù)據(jù)得出岸坡土在不同干濕循環(huán)次數(shù)下抗剪強度與垂直壓力的變化規(guī)律，如圖2所示。

圖2 不同干濕循環(huán)次數(shù)下岸坡土抗剪強度與垂直壓力的關系

從圖2可以看出在相同的豎向荷載下，原狀土的抗剪強度要比干濕循環(huán)后的土的高，尤其是在經(jīng)過了第一次的干濕循環(huán)后，土體強度的降低幅度尤為明顯，而之后的干濕循環(huán)， ,相同豎向應力下的抗剪強度變化不大。

從表2可以看出，抗剪強度參數(shù)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，其數(shù)值是逐漸減小的，尤其是凝聚力，在第一次的干濕循環(huán)過程中，下降幅度最大，而隨著循環(huán)次數(shù)的增加下降幅度則是越來越小，這與文獻[6]中的研究成果具有一致性，即土體在經(jīng)過3次干濕循環(huán)后，土中孔隙的結構就趨于穩(wěn)定。

對于內摩擦角，在第一次的干濕循環(huán)過程中，下降幅度很大，而后的變化雖然稍有起伏，但是總體變化趨勢不明顯。對于土體抗剪強度參數(shù)的這種變化來說，可能是由于土體在反復干濕循環(huán)的過程中，經(jīng)歷了多次的含水率變化路徑，土體內部的顆粒組成成分、排列方式及微觀結構發(fā)生了變化，鹽溶質的流失、細小裂隙通道的連通等削弱了土顆粒間的聯(lián)結力，并且土體內的最小孔隙比有所增大，使岸坡土體產(chǎn)生了一定的強度降低效應，凝聚力和內摩擦角的的降低實際上是土的微觀結構發(fā)生變化的宏觀上的反映，這一想法還有待通過土體的微觀結構分析試驗來證實。

2.3 反復干濕循環(huán)對抗剪強度參數(shù)影響的三軸壓縮試驗研究

2.3.1 不固結不排水三剪切試驗數(shù)據(jù)

對原狀土試樣和干濕循環(huán)后的試樣進行不固結不排水剪切試驗，試驗結果如表3所示。

表3 三軸壓縮試驗數(shù)據(jù)

2.3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

由試驗結果得出不同干濕循環(huán)次數(shù)下偏應力與軸向應變的關系曲線，如圖3至圖5所示。

圖3 干濕循環(huán)1次偏應力與軸向應變關系曲線

圖4 干濕循環(huán)2次偏應力與軸向應變關系曲線

圖5 干濕循環(huán)3次偏應力與軸向應變關系曲線

可以看出，在第一次干濕循環(huán)后，土的抗剪強度下降幅度較為明顯，第二、第三次干濕循環(huán)抗剪強度變化幅度不大。并且可以從圖中看出土體產(chǎn)生相同應變的應力減小了，土樣破壞時的強度也有所降低，試樣的剪切破壞形式一般表現(xiàn)為鼓脹破壞。但與直剪試驗的數(shù)據(jù)相比較，在第一次干濕循環(huán)時，三軸剪切試驗的抗剪強度降低的幅度要比直剪試驗的小，這可能是由于三軸試驗的受力孔隙壓力及試樣的體積變化，使試樣在最為薄弱的位置發(fā)生剪切破壞，而不像直剪試驗那樣，固定好了剪切破壞位置的原因。從表3可以看出土體的內摩擦角隨干濕循環(huán)的次數(shù)變化稍有起伏，但是總體來看變動不大，并且摩擦角的數(shù)值均較小，這可能是由于所取土體為細粒粉土，顆粒級配不良，顆粒之間的滑動摩擦與鑲嵌而產(chǎn)生的咬合摩擦較小的原因。同時還可以看出土體凝聚力隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈逐漸下降的趨勢；在第一次干濕循環(huán)時的下降幅度較大，在第三次后從曲線看出下降趨勢變得平緩，也就是說趨于穩(wěn)定，這與直剪試驗得出的結論是相吻合的。凝聚力是由土顆粒相互連結而成的，主要與土的強度有關。土體在經(jīng)過干濕循環(huán)凝聚力下降了，可能是因為土體在反復干濕的過程中，土體內原生隱微裂隙的擴張、加深，部分短小裂隙的連通，以及水進入土體產(chǎn)生的靜水壓力與動水壓力等，使土體的骨架結構遭受到了不同程度的破壞，在剪切的過程中發(fā)展成為滑裂面，使得土的強度參數(shù)逐漸減小。

3 結 論

通過對阿勒錦島岸坡土的物理力學性質進行研究，進行常規(guī)的固結試驗、直剪試驗和三軸壓縮試驗來研究干濕循環(huán)下岸坡土的變形和強度變化。得出以下結論：

(1)從取土位置來看，阿勒錦島此處土體的壓縮性能較低，這可能與修建環(huán)島公路時此處可能被壓實過有關；另通過干濕循環(huán)試驗表明，土體的壓縮性能受干濕循環(huán)效應的影響較大，經(jīng)過反復的干濕循環(huán)后，土體的壓縮系數(shù)大幅度增大，即壓縮性增高，這可能會導致在洪水期消退時，此處的土體很有可能會因為在水中的浸泡飽和，而粘聚力急劇下降，土中孔隙擴大，然后土粒之間分散開來，隨著水流而流失。

(2)通過試驗對岸坡原狀土和經(jīng)過干濕循環(huán)后的土體進行強度特性對比研究，得出結論：岸坡土的強度較低，易受外部荷載的作用而發(fā)生滑動破壞；干濕循環(huán)會降低岸坡土的總體強度。土體經(jīng)歷干濕循環(huán)后，在外力作用下，產(chǎn)生相同應變所需的應力減小，土樣破壞形式一般表現(xiàn)為剪脹破壞；抗剪強度參數(shù)凝聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而降低，但是在經(jīng)過2-3次循環(huán)后，趨向于穩(wěn)定；但干濕循環(huán)對內摩擦角的影響不大，φ值基本處于穩(wěn)定。

阿勒錦島岸坡土的性質較差，從阿勒錦島的長期開發(fā)利用來看，需要對阿勒錦島的岸坡進行一些必要的加固防護措施，以防止岸坡在水位的升降及水流的淘刷下遭到破壞。