含高液限粘土残积土干湿循环条件下强度参数衰变试验研究

郭 昕， 李镖飞， 庞永红

(1.长沙理工大学， 湖南 长沙 410076； 2.湖南理大交通科技发展有限公司， 湖南 长沙 410016)

含高液限粘土残积土干湿循环条件下强度参数衰变试验研究

郭 昕1， 李镖飞1， 庞永红2

(1.长沙理工大学， 湖南 长沙 410076； 2.湖南理大交通科技发展有限公司， 湖南 长沙 410016)

强风化边坡表面厚度较大的残积土土体的强度参数在受降水、温度变化等因素作用下的衰变规律对边坡的稳定性计算有明显影响。通过制备大量的剪切试件并在室内模拟干湿循环环境，探究了所取的含高液限黏土的残积土试件的强度衰变规律及其与干湿循环次数的关系，并得到了衰变后稳定值，所得结果为后续相关研究提供了数值参考和计算依据。

残积土； 高液限； 干湿循环； 强度衰减； 剪切试验

0 引言

高液限黏土含量较大的路堑边坡体在经历长期的风吹日晒构成的干湿循环环境影响下，其土体强度参数会发生显著的变化，其稳定性计算及变形判断会有一定的变化甚至产生偏差。开展相关的试验研究可以准确地探究土体强度参数的衰变规律、衰变后的稳定数值，为稳定性分析、相关构造物的设计分析等提供准确的数值参考；同时，基于干湿循环模拟试验的研究也为其他类似工程的研究提供了参考。

1 干湿循环下土体强度参数衰变试验设计

为探究含高液限粘土残积土在干湿循环条件下的土体强度参数(粘聚力c和内摩擦角φ)的衰变情况，对海南省万宁市石梅湾旅游公路现场所取典型土样制备大量的剪切试验试件并在室内变化试件含水率来模拟干湿循环状态的方法实现该目的。

1.1 含水率变化区间确定

现场取土样后进行土工基本参数测定试验，所得各项参数如表1所示。

由试验数据可知，将饱和含水率和最低含水率数值取整，干湿循环的含水率范围确定为25%～45%，试验设计中即以此作为含水率的变化区间。

表1 典型高液限粘土基本参数

1.2 试件制备

1) 标准干湿循环试样的制备应以测得的天然含水量为初始含水量，将制作好的试样放在敞口容器中自然风干进行脱水，经过6～7 d的脱水后，放入水中浸泡至饱和状态6～7 d，然后再自然风干至初始状态。

2) 将土样烘干至可碾碎，待碾碎后过2 mm土工标准筛，装入干燥容器备用。

3) 将所取土样平铺于不吸水的盘内，用喷雾设备喷洒通过计算得到的不同含水率下的所应加水量，并充分拌和；然后装入容器内密封，浸润24 h备用。

4) 将密封静置24 h的土样装入环刀中，装样前需均匀搅拌；环刀两面修下的土样测定其含水率。

1.3 干湿循环过程模拟

将制备好的环刀试样洒水增湿至45%，密封养护24 h使得试样内外水分均匀分布，以此模拟干湿循环过程中的湿润状态；将增湿后的试样烘干减湿使得试样含水率降低至25 %，以此模拟干湿循环过程的干燥状态，通过一次这样的增湿-脱湿来模拟软粘土试样的一次干湿循环过程。通过重复不同次数的增湿-脱湿过程可模拟不同次数的干湿循环。

1.4 试验开展过程

1) 共制备4组试件，分别为普通试组、试组1、试组2、试组3，通过平行试验对比分析。普通组为测定不同含水率下的土体抗剪强度，目的是探究抗剪强度参数值随含水率变化的规律，为干湿循环组提供参考；试组1～3为平行组试验，模拟干湿循环条件进行土体的抗剪强度测定，目的是探究抗剪强度参数随干湿循环次数的衰变规律。

2) 根据工程实际和相关试验规程，对剪切试验中的试样分别施加50、100、150、200 kPa这4级荷载，同时将剪切速度控制在0.8 mm/min以内。

2 试验结果分析

2.1 普通组试验

普通组试样含水率分别为25%、29%、33%、37%、41%、45%，不同含水率及荷载下对应直剪试验抗剪强度如表2所示。

表2 不同含水率下软粘土直剪试验数据

表3 不同含水率下软粘土强度参数表

将表2数据进行拟合可得如表3所示的不同含水率下抗剪强度参数，绘制不同含水率下的抗剪强度包线图(如图1所示)及强度参数随含水率变化的衰减曲线图(如图2所示)。

由表3及图1、图2分析可知：在不同含水率下的各组试样抗剪强度随着土体含水率的增加而降低，c、φ值也都随含水率的增大而减小；含水率增加至饱和含水率后粘聚力c衰减至初始值的18.67%、内摩擦角φ衰减至初始值的32.20%，粘聚力受含水率变化影响更大。

图1 不同含水率下抗剪强度包线

图2 粘聚力与内摩擦角随含水率变化的衰减曲线

2.2 平行组试验

根据前文所述，设置的3组平行组开展不同荷载下进行抗剪强度试验，通过测定连续多次干湿循环后的剪切强度来进行强度衰减规律分析；根据文献所述，至少设置5次以上干湿循环试验，本文共设置了7次，各项试验结果如表4～表6所示。

上述3组平行试件试验所得到2个强度参数的衰减系数汇总可得表7。

表4 软粘土试组1强度参数分析表

表5 软粘土试组2强度参数分析表

表6 软粘土试组3干湿循环试验结果汇总表

表7 软粘土3组试件得到的衰减系数汇总表

由表7数据可知： 在干湿循环条件下相同土质的试件受干湿循环影响的衰减幅度基本一致，3组试件衰减幅度极为接近；所得数据根据试验数据处理方法，将衰减系数取平均值，可得软粘土的粘聚力与内摩擦角在干湿循环效应下的稳定值分别为： 25.35 kPa、18.57°。

为了更精确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比重分析，可得图3、图4。

图3 粘聚力与内摩擦角随着干湿循环次数的变化规律图

图4 粘聚力与内摩擦角衰减幅度变化曲线

由图3、图4可知: 当进行的干湿循环次数增加时，粘聚力和内摩擦角逐渐减小且前4次干湿循环过程对强度参数的衰减影响较大，而后衰减幅度逐渐变小，并逐步趋于定值。图4显示，前2次干湿循环作用对强度衰减的影响幅度尤其大。

假定粘聚力c和内摩擦角φ随着循环次数n的变化其变化是连续的，则依据表4中的数据绘出软粘土强度参数累计衰减比重倒数的自然对数与干湿循环次数的关系曲线(如图5、图6所示)，基于此曲线进行反S型拟合，得到粘聚力和内摩擦角在干湿循环作用下的衰减软化公式，结果如式(1)、式(2)所示。

图5 粘聚力 — 干湿循环次数的衰减拟合曲线

图6 内摩擦角 — 干湿循环次数的衰减拟合

R2=0.952,c0=55.23

(1)

R2=0.919,φ0=26.75

(2)

式中：cn为经过第n次干湿循环后的粘聚力；c0为初始粘聚力；φn为经过第n次干湿循环后的内摩擦角；φ0为初始内摩擦角；R为相关系数。

为得到干湿循环作用次数对土体抗剪强度参数с、φ衰减的影响程度，将上述两式写成函数形式，得到：

(3)

(4)

根据式(3)、式(4)绘制得到如图7所示干湿循环次数与函数f(n)的关系曲线。

图7 函数f(n)与干湿循环次数的关系曲线

由图7可知： 干湿循环条件下该软粘土的抗剪强度参数粘聚力с与内摩擦角φ衰减规律曲线一致，干湿循环次数对抗剪强度参数的软化影响具体表现为：粘聚力с>内摩擦角φ，即经过多次干湿循环作用，粘聚力衰减程度相比内摩擦角更大。

3 结论

通过对工点所取土体进行剪切试验，并室内模拟了其干湿循环条件下的变化规律，可得以下结论：

1) 在不同含水率下的各组试样抗剪强度随着土体含水率的增加而降低、粘聚力c和内摩擦角φ也都随含水率的增大而减小；含水率增加至饱和含水率后粘聚力c衰减至初始值的18.67%、内摩擦角φ衰减至初始值的32.20%，粘聚力受含水率变化影响更大。

2) 本次试验中所用软粘土的粘聚力与内摩角在干湿循环效应下的稳定值分别为：25.35 kPa、18.56°。

3) 随干湿循环次数的增加，粘聚力和内摩擦角逐渐减小且前4次干湿循环过程对强度参数的衰减影响较大，而后衰减幅度逐渐变小，并逐步趋于定值，前2次干湿循环作用对强度衰减的影响幅度尤其大。

4) 可得粘聚力c和内摩擦角φ随着循环次数n的关系式分别为：

且干湿循环次数对抗剪强度参数的软化影响具体表现为：粘聚力с>内摩擦角φ，即经过多次干湿循环作用，粘聚力衰减程度相比内摩擦角更大。

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2017-05-09

郭 昕(1988-)，男，研究方向： 路基工程。

1008-844X(2017)02-0051-05

U 412.22+1

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