滇南断陷盆地膨胀土路基抗剪强度水敏性特征试验

李 涛

(中铁十七局集团第二工程有限公司，陕西 西安 710043)

岩土体水敏性是指土体遇水后产生的特性改变，是工程地质、岩土工程、石油勘探等领域的重要研究课题[1]。膨胀土属于典型的水敏性土之一，通常被定义为颗粒高分散、主要成分为黏土矿物、受环境湿热变化影响大的高塑性黏土[2]。其具有“遇水膨胀、失水收缩”的胀缩性特征，由此容易导致路面开裂、隆起或沉陷的情况，降低工程质量[3]。膨胀土受湿度状态变化影响非常大，强烈的水土相互作用会影响膨胀土边坡的稳定性。

1 研究背景

弥勒至蒙自铁路位于云南省东南部，北起云桂铁路弥勒站，向南途经弥勒市、开远市，止于红河州州府蒙自市，与玉溪至蒙自至河口铁路、沿边铁路(文山至蒙自至普洱)相衔接。本线将成为滇中城市群与滇东南地区的城市群间城际客流运输的重要交通运输线，也是我国西南地区出境至越南及东盟国家的泛亚铁路东通道的组成部分，地理位置十分重要。

弥勒至蒙自铁路某段地表为黏土(松软土)厚度1.5～6 m；下部为第三系的中强膨胀土，厚度>50 m，地下水埋深1～2 m。该段开挖深度较深，设计按两级边坡防护考虑。一、二级边坡坡率均为1∶2。路基边坡膨胀土大量发育，土体工程地质条件差，工程开挖及降雨扰动会对土的性质及结构性等产生影响，导致诱发边坡遛坍的风险。

因强降雨导致该段路基边坡的后半段左侧一、二级边坡表层约2 m厚土体出现局部溜塌。上、下层相错0～130 cm(顺斜坡面)。坡顶出现裂缝，缝宽0～18 cm。该段一二级边坡未施做防护工程。

为明确强降雨影响下的膨胀土路基边坡遛塌成因，研究该区域土的水敏性效应与变动特征，采用考虑不同含水量及干湿循环条件下的路基土土体强度变化规律，研究其抗剪强度的水敏性，从而为后续施工、工后控制路堑边坡稳定性提供依据，并为相似工程提供参考。

2 试验土样与试验方法

2.1 试验土样

土样取自新建弥勒至蒙自铁路某段膨胀土路基边坡，选取两处取土地点，土1#取自溜塌段，土2#取自未溜塌段，取土深度2～4 m。土1#为棕黄-红褐色，硬塑，裂隙发育，局部见灰白色填充物；土2#为灰白-棕黄色，硬塑，裂隙较发育。其相关试验数据结果见表1。

表1 膨胀土的基本物理性质

2.2 不同含水量条件下强度试验方法

试验采用扰动土样，将现场取回的膨胀土烘干，并将其碾碎过2 mm筛，根据路基土的天然密度，计算出在不同含水量下配制每个试样所需的干土和水量(拟配置16%、22%、28%、34%共4组不同含水量的试样)。将制备好的重塑土试样进行直剪试验，试验按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)的方法及步骤进行：采用应变控制式直剪仪，将不同含水量条件下的每组试样分别在100、200、300、400 kPa四种垂直压力下进行直剪试验。

2.3 干湿循环条件下强度试验方法

干湿循环试验每种土样采用4组重塑样。在试样上、下面各用一张滤纸和一块透水石覆盖，以防止土样吸水膨胀后引起土粒散落；将留取试样置于一大器皿中，底部留置定量的水，水面与下透水石顶平高；用喷雾设备在透水石上连续喷水实现加湿过程，每天每6 h喷洒1次，每次到试样不再吸水为止，这样使试样吸水2 d完成一次饱水的过程。2 d后将饱水的试样称重并放入烘干箱中，设定其温度为40 ℃(模拟自然条件下的最高气温)，留置24 h后再称重，如此即完成1次干湿循环过程。各组重塑样品分别实施0、2、4及6次干湿循环。干湿循环过程含水量变化如图1所示。

图1 干湿循环过程含水量变化图

将完成拟定干湿循环次数的试样充分饱水达到初始含水量(28%)，逐个进行直剪试验测定其抗剪强度，施加的竖直压力分别为100、200、300、400 kPa共4级。

3 试验结果与分析

3.1 膨胀土含水率对抗剪强度性能的影响

膨胀土作为一种特殊的非饱和黏性土，具有黏粒含量高及干缩湿胀的特点，因此干湿循环变化会改变土颗粒之间的粘结作用，影响其抗剪特性。通过直剪试验得到2种土样在不同含水量下抗剪强度数据，见表2。

表2 不同含水量下的抗剪性能变化

分析数据可知，该地段路基土的强度随含水量的变化十分敏感，含水量的增加导致膨胀土的黏聚力和内摩擦角显著降低。土的含水量从16%增大到34%，土1#黏聚力由96.4 kPa降低到27.2 kPa，内摩擦角由24.6°降低到1.5°，黏聚力衰减71.8%，内摩擦角降低93.9%；土2#黏聚力由98.8 kPa降低到25.7 kPa，内摩擦角由23.2°降低到7.3°，黏聚力衰减74.0%，内摩擦角降低68.5%。由此可见该地段路基土的强度随含水量的变化十分敏感，含水量的增加导致膨胀土的黏聚力和内摩擦角显著降低。

图2、图3给出了两种土样在不同含水量下的黏聚力和内摩擦角的变化曲线，可以看出两种土样的黏聚力衰减趋势相同，但是土1#(溜塌段)的内摩擦角的衰减幅度更大。土的内摩擦角体现了土的摩擦特性，内摩擦角大幅衰减表示溜塌段土体的颗料表面摩擦力、颗粒间的嵌入和连锁作用产生的咬合力被大大降低。在强降雨的作用下，边坡土体的含水量急剧增加，黏聚力和内摩擦角大幅下降，边坡土体抗剪强度降低，尤其是坡体表层更易受雨水影响从而导致坡体的溜塌。

图2 黏聚力与含水量变化图

图3 摩擦角度与含水量变化图

3.2 干湿循环对膨胀土抗剪性能的影响

干湿循环会使土体的力学性质发生不可逆转的变化，对岩土体的微细观结构造成一定的损伤，引起强度的劣化。表3给出了干湿循环条件下两种土样的抗剪强度性能变化。图4、图5给出了黏聚力和内摩擦角的变化曲线。

表3 干湿循环下的抗剪性能变化

图4 干湿循环过程黏聚力的变化

图5 干湿循环过程内摩擦角的变化

由干湿循环条件下两种土样的抗剪强度性能变化情况以及黏聚力和内摩擦角的变化曲线可知：土样在6次干湿循环条件后，土1#黏聚力由43.4 kPa降低到30.8 kPa，内摩擦角由5.2°降低到3.3°，黏聚力衰减29.7%；土2#黏聚力由40.8 kPa降低到31.6 kPa，内摩擦角由10.5°降低到7.9°，黏聚力衰减22.5%。由此可见，在干湿循环条件下，两种土样的黏聚力的衰减程度都比较明显，黏聚力随着土的干湿循环次数的增多总的趋势是下降的；而内摩擦角总体上虽有下降但是变化的幅度很小。

两种试验土样经过6次干湿循环后，其抗剪强度分别如图6和图7所示，从图中可以看出，原膨胀土经干湿循环后抗剪强度明显下降，在前四次干湿循环中强度衰减较为明显，然后强度基本处于稳定状态，主要原因是在反复干湿循环过程中，裂隙会慢慢发育， 土样则渐渐松弛； 而且干湿循环影响了土的粒间联结，加剧了土颗粒排列结构的松散性，加大了孔隙空间。因此，随着干湿循环次数增大，试样的抗剪强度慢慢降低。可以认为该段边坡的膨胀土体经过四次干湿循环后，强度衰减已基本完成。

图6 干湿循环条件下土样1#抗剪强度变化

图7 干湿循环条件下土样2#抗剪强度变化

由此可见，在干湿循环条件下，两种土样的黏聚力的衰减程度都比较明显，黏聚力随着土的干湿循环次数的增多总的趋势是下降的；内摩擦角总体上虽有下降但变化的幅度很小。

4 结 语

(1)该段路基边坡膨胀土的抗剪强度与含水量密切相关。含水量升高，膨胀土的抗剪强度显著降低，同时溜塌段土的内摩擦角衰减幅度更大。土样含水量从16%增大至34%，黏聚力降低71.8%～74%，内摩擦角降低68.5%～93.9%。

(2)黏聚力随着土的干湿循环次数的增加，下降趋势明显，而内摩擦角总体上虽有下降但是变化的幅度较小。土样进行6次干湿循环后，黏聚力下降22.5%增大至29.7%，内摩擦角降低10.5%～36.5%。

(3)水敏性试验结果揭示了在降雨条件下，路基边坡膨胀土的含水量升高导致抗剪强度明显下降，多次降雨(干湿循环)加剧了土体强度的衰减，最终致使坡体溜塌破坏。

(4)根据非饱和土的抗剪强度理论，浅表层土体因降雨导致吸力区范围减小，从而导致抗剪强度因为基质吸力的丧失而降低。浅表层土体的孔隙水压力升高，使有效应力下降，进而导致土体的抗剪强度下降。