干湿循环作用对粉质黏土力学性能的影响研究

粟伟

（怀化市公路管理局（怀化市公路路政管理支队），湖南怀化 418000）

干湿循环作用对粉质黏土力学性能的影响研究

粟伟

（怀化市公路管理局（怀化市公路路政管理支队），湖南怀化 418000）

高速公路路基长期受到降雨—蒸发的干湿循环作用，其填料强度会出现一定劣化，对路基性能造成较大影响。文中基于水土特征曲线，对高速公路路基土含水率迁移规律进行分析，得到了路基干湿循环作用机理；以湖南某在建高速公路路基工程为依托进行干湿循环作用下粉质黏土剪切试验，分析干湿循环作用对粉质黏土力学性能的影响。结果表明，高速公路路基干湿循环是以平衡含水率为中心上下波动的周期性循环过程；粉质黏土的粘聚力与内摩擦角随干湿循环次数的增加不断降低，呈现前期衰减快、后期衰减慢并最终趋于稳定的趋势；粉质黏土的粘聚力受干湿循环的影响比内摩擦角更大，干湿循环10次后，粉质黏土的粘聚力降低约66.5%，内摩擦角降低约38.2%。

公路；路基；干湿循环；粉质黏土；剪切试验；粘聚力；内摩擦角

高速公路路基由非饱和土填筑而成，存在基质吸力。填土中的基质吸力会在路基中产生毛细作用，地下水在毛细作用下不断浸润路基土，并逐渐向上迁移，导致路基含水率逐渐增加，在降雨条件下更加明显。而当地下水位下降时，路基含水率会降低，同时在蒸发的影响下含水率进一步降低。因此，可以说高速公路路基周而复始地处在干湿循环作用下。

路基含水率的变化，尤其是周而复始的干湿循环过程会改变路基的使用性能，路基的强度、刚度、稳定性及耐久性均会降低。王建华等通过干湿循环试验对水泥改良土在干湿循环条件下的抗剪强度变化规律进行了探讨；汪东林、张芳枝等对非饱和重塑黏土进行干湿循环条件下的相关试验，阐述了基于非饱和土理论的黏土干湿循环强度特性。然而由于非饱和土吸力难以量测，这些研究成果在工程实践中的应用受到限制。另外，翟聚云、林中湘、杨和平等均对路基水分迁移及干湿循环对其强度的影响进行了研究。该文以湖南某在建高速公路典型粉质黏土为研究对象，基于土水特征曲线对路基干湿循环机理进行研究，并通过增湿—蒸发的方式模拟路基干湿循环过程，制作不同干湿循环次数的试件，通过直剪试验开展干湿循环作用下粉质黏土力学性能研究，为路基稳定性分析提供指导。

1　路基土干湿循环作用机理

路基是经过开挖、重塑、碾压成型的土，且位于地下水位上方，大多属于非饱和土。路基施工时按最佳含水率碾压成型，此时含水率相对较低。在路基运营过程中，其湿度状态常年受到地下水位升降、降雨与蒸发、内部排水条件等因素的影响，路基湿度会逐渐发生变化，其含水率通常会由施工时的最佳含水率逐渐演变为运营期的平衡含水率状态。运营路基含水率的变化主要是由于非饱和土对水分的吸引，致使水分在路基内发生迁移。研究非饱和土对水分的吸引主要采用土水特征曲线。

土水特征曲线是研究非饱和土吸力变化、持水特性及水分迁移规律的重要理论。近年来，随着非饱和土力学理论的进步与发展，非饱和土的土水特征曲线研究进入一个新阶段，并根据不同需要提出了多种土水特征曲线预测模型。Fredlund等利用统计分析方法，基于对土体孔径分布曲线的研究，提出了适用于任何土体、全吸力范围内的土水特征曲线表达式：

式中：θ为体积含水率；θs为饱和体积含水率；ψ为基质吸力；a为进气值函数的土性参数；b为当基质吸力超过土的进气值时土中水流出率函数的土性参数；c为残余含水率函数的土性参数；ψr为残余含水率θr所对应的基质吸力。

对式（1）进行变换，得到土体含水率计算公式：

由式（2）可知：随着路基含水率的增加，路基土基质吸力逐渐降低，当路基土达到饱和时，残余基质吸力达到一个固定值，路基含水率趋于稳定，此时含水率即为路基土平衡含水率。大量研究表明，路基平衡含水率与路基填土的塑限基本吻合。

同时，路基含水率受外界因素的影响较大，当遇到降雨、地下水位升高时，路基含水率提高；反之，在旱季，由于地下水位下降，蒸发作用强烈，路基含水率降低。可见，在外界因素作用下，路基的干湿循环是路基土以塑限含水率为中心上下波动的周期性变化过程。

2　干湿循环作用下粉质黏土直剪试验

以湖南某在建高速公路为依托，进行干湿循环作用下典型粉质黏土直剪试验。粉质黏土的基本指标见表1。

表1　粉质黏土的基本指标

2.1干湿循环标准试件制备

（1）环刀试件制备。路基是在最佳含水率的条件下碾压成型，故试验所用试件也按最佳含水率制备。先按照最佳含水率配置试验用料，并闷料24h确保水分分布均匀；然后根据环刀的体积，按照96%压实度反算环刀试件所需土的重量；最后将粉质黏土按照分层击实的方法击实至环刀内，并闷料24h确保水分分布均匀。此时环刀试件的含水率为16.76%，压实度为96%。

（2）干湿循环过程模拟。路基干湿循环过程是以平衡含水率为中心，含水率在一定范围内上下波动的过程。因此，在室内采用如下方式模拟路基干湿循环过程：首先通过增湿的方法将试件含水率增加到23.5%，即达到粉质黏土的平衡含水率，并密封养护24h确保试件水分分布均匀；然后通过增湿使试件含水率达到31.5%，即粉质黏土一年中最大含水率，并密闭养护24h使水分均匀扩散，以此模拟湿润状态；将增湿后的试件烘干减湿，使其含水率降低至16.5%，即粉质黏土一年中最小含水率，并密封养护24h使水分分布均匀，以此模拟干燥状态。每经过一次增湿—脱湿的过程，就完成一次干湿循环，干湿循环次数最多为10次。干湿循环试件的制备见图2。

图1　干湿循环试件的制备

2.2干湿循环直剪试验

采用不排水快剪的方法进行直剪试验。试验时对试件施加的荷载分为四级，分别为100、200、300、400kPa。通过快剪试验测定试件的应力-应变曲线，得到不同荷载下粉质黏土的抗剪强度（见表2）。

表2　粉质黏土直剪试验结果

根据库仑定理，由抗剪强度与垂直压力的关系曲线得到粉质黏土的抗剪强度参数（见表3）。

表3　干湿循环作用下粉质黏土的强度参数

从表3来看，随着干湿循环次数的增多，粉质黏土的粘聚力和内摩擦角呈减小的趋势。为了更精确、直观地分析粘聚力和内摩擦角与干湿循环次数的衰减关系，对粘聚力和内摩擦角每次干湿循环条件下的衰减量和衰减幅度进行分析，结果见表4。

表4　粉质黏土强度参数分析结果

3　干湿循环直剪试验结果分析

根据表3、表4所示试验结果绘制干湿循环作用下粉质黏土粘聚力、内摩擦角衰减量及衰减幅度曲线（见图3～6）。

图2　粉质黏土粘聚力衰减量曲线

图3　粉质黏土内摩擦角衰减量曲线

图4　粉质黏土粘聚力衰减幅度曲线

图5　粉质黏土内摩擦角衰减幅度曲线

由图3～6可以看出：1）随着干湿循环次数的增加，粉质黏土粘聚力及内摩擦角均不断降低，呈现前期衰减快、后期衰减慢并最终趋于稳定的趋势。2）粉质黏土粘聚力受前4次干湿循环的影响较大，变化较快，经过前4次干湿循环后，粘聚力已基本趋于稳定；内摩擦角则受前3次干湿循环的影响较大，变化较快，经过前3次干湿循环后，内摩擦角已基本趋于稳定。3）干湿循环对粉质黏土粘聚力的影响比内摩擦角大。经过4次干湿循环，粉质黏土的粘聚力由42.36kPa衰减至18.13kPa，衰减幅度达57.2%；内摩擦角由23.54°衰减至15.12°，衰减幅度为35.8%。

4　结论

（1）高速公路路基填土为不饱和土，在基质吸力作用下，路基含水率逐渐升高；随路基含水率的升高，基质吸力逐渐降低，最终路基土含水率达到平衡含水率。路基平衡含水率与路基土塑限基本吻合。

（2）在降雨、蒸发等外界环境作用下，路基土含水率会以平衡含水率为中心上下周期浮动，据此可得到高速公路路基干湿循环的作用机理及过程。

（3）干湿循环作用下，粉质黏土粘聚力与内摩擦角均不断下降，并呈现前期衰减速度快、后期衰减速度慢的趋势。粘聚力经过4次干湿循环后基本趋于稳定，内摩擦角经过3次干湿循环后趋于稳定。

（4）干湿循环对粉质黏土粘聚力的影响比内摩擦角大，当粘聚力与内摩擦角稳定时，粘聚力衰减幅度为57.2%，内摩擦角衰减幅度为35.8%。

［1］ 王建华，高玉琴.干湿循环过程导致水泥改良土强度衰减机理研究［J］.中国铁道科学，2006，27（5）.

［2］ 汪东林，栾茂田，杨庆.非饱和重塑黏土干湿循环特性试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（9）.

［3］ 张芳枝，陈晓平.反复干湿循环对非饱和土的力学特性影响研究［J］.岩土工程学报，2010，32（1）.

［4］ 翟聚云，鲁洁.非饱和膨胀土水分迁移的试验研究［J］.土木建筑与环境工程，2010，32（2）.

［5］ 林中湘.非饱和土水汽迁移规律试验研究［J］.路基工程，2009（5）.

［6］ 杨和平，张锐，郑健龙.有荷条件下膨胀土的干湿循环胀缩变形及强度变化规律［J］.岩土工程学报，2006，28 （11）.

U416.1

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2016-04-16