王月春，雅成宏，雷軍偉，楊仁平

(湖北省路橋集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430056)

高液限土邊坡的抗剪強(qiáng)度存在衰減，在工后易出現(xiàn)失穩(wěn)，而土的抗剪強(qiáng)度受干濕循環(huán)影響大。高液限土最明顯的特性是吸附能力強(qiáng)，吸附結(jié)合水含量高。王中文研究發(fā)現(xiàn)在路基鋪筑和工作期間，紅黏土的抗剪強(qiáng)度并不是一成不變而是動(dòng)態(tài)變化的，高含水率和低含水率的抗剪強(qiáng)度相差巨大，隨含水率增加，粘聚力呈一階指數(shù)衰減，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)分段函數(shù)特征?？琢顐サ日J(rèn)為在干濕循環(huán)過程中，膨脹土飽和度反復(fù)變化，其抗剪強(qiáng)度亦不斷變化；干濕循環(huán)不僅影響土體的飽和度，還會(huì)導(dǎo)致土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變。對(duì)于非飽和土，凌華、馬少坤、李廣信等提出采用含水率代替基質(zhì)吸力來反映其對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響。黃震等認(rèn)為上覆荷載對(duì)抑制抗剪強(qiáng)度衰減有一定作用，循環(huán)幅度、增濕幅度、初始含水率都對(duì)干濕循環(huán)下抗剪強(qiáng)度有一定影響。李碩等研究發(fā)現(xiàn)結(jié)合水對(duì)微觀孔隙和黏土的固結(jié)蠕變起主導(dǎo)作用。庫(kù)里契茨基 А. И.、Min F.、張玉等認(rèn)為除強(qiáng)結(jié)合水外，一部分弱結(jié)合水在一定溫度范圍內(nèi)具有近似固體的性質(zhì)。從已有研究成果來看，吸附結(jié)合水對(duì)土體的力學(xué)特性影響甚大，在干濕循環(huán)影響下，土的抗剪強(qiáng)度存在一定衰減且衰減過程中水的含量是一個(gè)重要影響因素。研究吸附結(jié)合水在干濕循環(huán)條件下對(duì)土的抗剪強(qiáng)度變化的作用機(jī)理，并采用相關(guān)指標(biāo)來表示土的吸附能力大小和對(duì)抗剪強(qiáng)度衰減特性的影響至關(guān)重要。該文基于現(xiàn)有研究成果，以湖北安猇一級(jí)公路高液限土為研究對(duì)象，采用容量瓶法測(cè)試干濕循環(huán)條件下高液限土吸附結(jié)合水含量，通過試驗(yàn)揭示干濕循環(huán)下高液限土吸附結(jié)合水能力的變化規(guī)律，研究吸附結(jié)合水含量對(duì)干濕循環(huán)下高液限土抗剪強(qiáng)度衰減特性的影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)土樣及其基本物理性質(zhì)

湖北地區(qū)潮濕多雨且高液限土分布廣泛。安猇(安福寺—猇亭)一級(jí)公路建設(shè)期間高液限土邊坡發(fā)生多次垮塌。K5+400處高液限土基本物理性質(zhì)測(cè)試結(jié)果(見表1)表明：土樣具有典型的高液限土特征(也屬于弱膨脹土)，天然含水率較高，細(xì)粒含量大，液、塑限高，塑性指數(shù)大。根據(jù)JTG E40-2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》，該土樣為含黏粒高液限黏土。

表1 試驗(yàn)土樣基本物理性質(zhì)測(cè)試結(jié)果

利用掃描電鏡觀察土樣的微結(jié)構(gòu)特征，結(jié)果(見圖1)顯示：土樣中可見大量疊片狀蒙脫石顆粒(土樣黏粒中蒙脫石含量在50%以上)，疊片之間存在微孔隙，為吸附大量結(jié)合水提供了有利條件。親水性黏土礦物含量和微結(jié)構(gòu)的不同是造成高液限土、砂土界限含水率顯著差異的原因。

圖1 試驗(yàn)土樣電鏡掃描照片

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 吸附結(jié)合水測(cè)量方法

目前主要采用熱重分析法、等溫吸附法和容量瓶法測(cè)定土中結(jié)合水。其中：熱重分析儀價(jià)格昂貴，且只能測(cè)試1 g左右的試樣；等溫吸附試驗(yàn)中，高液限土顆粒易堆積或成團(tuán)，水分子只能吸附在土團(tuán)表面，難以測(cè)定全部吸附結(jié)合水；采用容量瓶法，土顆粒在水中完全分散，充分吸附結(jié)合水，且測(cè)試簡(jiǎn)便，便于工程應(yīng)用與推廣。因此，采用容量瓶法測(cè)定試驗(yàn)土樣的吸附結(jié)合水。

干濕循環(huán)方法：取12個(gè)試樣盒放置試驗(yàn)土樣(每個(gè)盒子放30 g土)并分成6組。加水至質(zhì)量含水率26.3%，用保鮮膜包裹悶料24 h，再將其放入105 ℃烘箱中8 h。此為一次完整的干濕循環(huán)。將每個(gè)土樣的6組試樣依次進(jìn)行6次干濕循環(huán)。

容量瓶試驗(yàn)方法：為與常規(guī)土工試驗(yàn)中含水率測(cè)試時(shí)烘干控制溫度保持一致，便于工程應(yīng)用，容量瓶法試驗(yàn)中，先將土樣在105 ℃下烘干，將烘干后的土樣在干燥器中冷卻后放入容積為255 mL、分度值為0.05 mL的干燥容量瓶中。將定量質(zhì)量的25 ℃蒸餾水緩緩注入瓶中，振蕩搖勻，使土顆粒分散與水充分接觸，再將容量瓶放入25 ℃恒溫水浴箱中。同時(shí)放入僅有蒸餾水的容量瓶，用于蒸發(fā)校正。每隔24 h記錄一次容量瓶中液面讀數(shù)，直至液面高度不再發(fā)生變化。

容量瓶試驗(yàn)誤差控制方法：1) 試驗(yàn)在25 ℃恒溫水浴箱中進(jìn)行，為避免試驗(yàn)誤差，用25 ℃蒸餾水對(duì)容量瓶重新進(jìn)行標(biāo)定(常規(guī)容量瓶是在20 ℃下進(jìn)行標(biāo)定)；2) 計(jì)算25 ℃下255 mL蒸餾水的質(zhì)量，用精度為千分位的電子秤稱量好加入容量瓶中,消除室溫變化導(dǎo)致的誤差；3) 在讀數(shù)前振蕩容量瓶，直至不再有微小氣泡冒出，即在冒出的氣泡消散不影響讀數(shù)時(shí)再進(jìn)行讀數(shù)(在吸附結(jié)合水形成過程中會(huì)不斷有微小氣泡冒出，干擾讀數(shù))。

1.2.2 抗剪強(qiáng)度測(cè)試方法

土樣制備：采用與容量瓶試驗(yàn)相同的土樣，其基本性質(zhì)見表1。用環(huán)刀(h=20 mm、φ=61.8 mm)切削土樣24個(gè)(ρ=1.31 g/cm3)，并將其分為6組，每組各4個(gè)土樣。

試驗(yàn)方法與步驟：1) 將6組環(huán)刀試樣分別編號(hào)為1#、2#、3#、4#、5#和6#。將制備好的環(huán)刀試樣悶料24 h(為使土樣含水率變化盡可能小，用保鮮膜包裹)，再在飽和箱中飽和24 h(抽真空1 h，且飽和過程中保持體積不變)。此為一次完整的干濕循環(huán)。2) 將6組環(huán)刀試樣依次進(jìn)行6次干濕循環(huán)。3) 將干濕循環(huán)后的環(huán)刀試樣放入真空飽和缸中進(jìn)行抽氣飽和24 h(抽真空1 h)，飽和結(jié)束后浸泡15 d(使吸附結(jié)合水充分吸附)。4) 對(duì)6組試樣進(jìn)行100、200、300、400 kPa 4級(jí)荷載直剪，速率為0.02 mm/min，每隔5 min記錄一次測(cè)力環(huán)上百分表的讀數(shù)，取最大值或6 mm時(shí)剪切強(qiáng)度為試樣的最大抗剪強(qiáng)度。

2 測(cè)試結(jié)果及分析

2.1 干濕循環(huán)下吸附結(jié)果分析

第1次干濕循環(huán)下吸附結(jié)合水的形成過程見圖2。從圖2可看出吸附結(jié)合水的形成過程大致分為3個(gè)階段：第一個(gè)階段為加水后至第3 d，這個(gè)過程中吸附結(jié)合水形成速度最快，完成吸附總量的49%左右，時(shí)間較短，曲線斜率較大；第二個(gè)階段為第3～11 d，這個(gè)過程中土樣吸附弱結(jié)合水的速度較快，時(shí)間較長(zhǎng)，大致完成吸附總量的40%；第三個(gè)階段為第11～15 d，這個(gè)過程中吸附速度較穩(wěn)定，曲線也趨于平緩。吸附結(jié)合水形成速率總體呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，說明隨著時(shí)間的推移，土樣吸附結(jié)合水的速度逐漸降低。

圖2 第一次干濕循環(huán)下土樣吸附的結(jié)合水

不同干濕循環(huán)次數(shù)下土樣吸附結(jié)合水情況見圖3。從圖3可看出：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多，土樣吸附結(jié)合水的能力及吸附結(jié)合水的含量降低。第1次干濕循環(huán)的衰減幅度最大，為4.54%；第2、3次衰減幅度略微降低，分別為2.46%和0.95%；第3次之后，土樣吸附結(jié)合水含量變化不大，趨于平穩(wěn)。

圖3 干濕循環(huán)下土樣吸附的結(jié)合水含量

2.2 干濕循環(huán)下抗剪強(qiáng)度分析

粘聚力表征土顆粒之間的膠合力，主要取決于土顆粒表面的分子引力。內(nèi)摩擦角是土顆料的表面摩擦力，表征顆粒間的嵌入和聯(lián)鎖作用產(chǎn)生的咬合力。采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則對(duì)干濕循環(huán)過程中不同法向應(yīng)力下土樣的直剪試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合分析，得到干濕循環(huán)下土樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角(見表2)。從表2可看出：干濕循環(huán)對(duì)高液限土粘聚力和內(nèi)摩擦角都有明顯影響。粘聚力呈現(xiàn)非線性衰減，大致分為2個(gè)階段，第一階段為0～3次循環(huán)，粘聚力衰減較快，衰減幅度為1.48 kPa；第二階段為4～6次干濕循環(huán)，衰減幅度為0.89 kPa，在第3、4次干濕循環(huán)之間存在跳躍式衰減。經(jīng)歷6次干濕循環(huán)后，粘聚力為6.5～2.85 kPa。內(nèi)摩擦角總體變化不大，1～2次干濕循環(huán)時(shí)存在衰減，后期隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加基本保持不變。

表2 干濕循環(huán)下土樣的抗剪強(qiáng)度

圖4為土樣抗剪強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而發(fā)生的變化。從圖4可看出：在100和300 kPa法向應(yīng)力條件下，0～3次干濕循環(huán)過程中土樣的抗剪強(qiáng)度存在衰減，4～6次干濕循環(huán)過程中抗剪強(qiáng)度基本保持不變。

圖4 抗剪強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加的變化

為便于試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，定義干濕循環(huán)過程中抗剪強(qiáng)度降低程度為劣化度，按式(1)、式(2)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表3。從表3可看出：1) 干濕循環(huán)作用下，土樣的抗剪強(qiáng)度劣化效應(yīng)具有明顯的非均勻性，前3次干濕循環(huán)導(dǎo)致的抗剪強(qiáng)度劣化幅度大，階段劣化度占總劣化度的84%左右；之后的劣化度基本不變，土樣的抗剪強(qiáng)度劣化趨勢(shì)趨于平緩。2) 低法向應(yīng)力和高法向應(yīng)力條件下，抗剪強(qiáng)度的劣化幅度存在差異。以前3次干濕循環(huán)為例，低法向應(yīng)力下總劣化度比高法向應(yīng)力下劣化度大4.4%；高法向應(yīng)力下階段劣化度均勻，降低幅度也較小。說明在干濕循環(huán)作用下，低法向應(yīng)力的抗剪強(qiáng)度更易衰減，受干濕循環(huán)作用更明顯，而高法向應(yīng)力能抑制高液限土抗剪強(qiáng)度的衰減。

Si=(T0-Ti)/Ti×100%

(1)

ΔSi=Si-Si-1

(2)

式中：Si為總劣化度；ΔSi為單次干濕循環(huán)作用下抗剪強(qiáng)度劣化度。

表3 土樣的抗剪強(qiáng)度劣化度

3 干濕循環(huán)下結(jié)合水對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

土中結(jié)合水主要由黏土顆粒雙電層效應(yīng)形成。強(qiáng)結(jié)合水外層是吸附結(jié)合水，雖屬于弱結(jié)合水，但其密度大于1.0 g/cm3，不傳遞靜水壓力，具有一定的粘滯性和抗剪強(qiáng)度，不能自行由一個(gè)土顆粒移到另一個(gè)顆粒上；其余弱結(jié)合水受范德華分子力影響，密度降為1.0 g/cm3，可變形和遷移。

安猇公路K5+400處高液限土主要含蒙脫石類礦物，吸附結(jié)合水的形成主要是因?yàn)轲ね令惖V物表面有大量正、負(fù)電荷，這些電荷與水分子形成氫鍵和范德華力，使水分子包裹在土粒表面形成一層水分子膜。在高液限土增濕—脫濕過程中吸附結(jié)合水不斷形成—失去，增濕過程中，自由水中的氫氧團(tuán)會(huì)破壞吸附結(jié)合水表層不穩(wěn)定的范德華力和氫鍵，使黏土表面的正、負(fù)電荷趨于平衡，降低土粒的電勢(shì)能，導(dǎo)致吸附結(jié)合水含量減少。對(duì)于飽和土，失去的那部分弱結(jié)合水由自由水代替，自由水不具有固相性，對(duì)抗剪強(qiáng)度沒有貢獻(xiàn)。同時(shí)因?yàn)殡姾删?，吸附結(jié)合水變成自由水，土粒之間的吸引力變差，導(dǎo)致粘聚力變?nèi)酢Ｒ驗(yàn)樗ぷ儽?，自由水增多，土粒之間的滑移變得容易，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角降低。

當(dāng)土處于塑限，即半固態(tài)與可塑態(tài)之間的狀態(tài)時(shí)，結(jié)合水包括全部吸附結(jié)合水和其他弱結(jié)合水，吸附結(jié)合水含量略低于塑限。隨著含水率的增加，弱結(jié)合水逐漸增多，土的塑性增強(qiáng)，直至增至液限時(shí)，土中水既包括全部吸附結(jié)合水，還包括所有弱結(jié)合水和少量自由水。因此，吸附結(jié)合水含量與塑限的相關(guān)性最大，與液限的相關(guān)性次之。此外，由于不同高液限土中黏粒的礦物成分不同，不同黏土礦物吸附結(jié)合水的能力差異大，相對(duì)于與界限含水率指標(biāo)的相關(guān)性，吸附結(jié)合水與黏粒含量的相關(guān)性較小。高液限土的最大特征是吸附結(jié)合水的能力較強(qiáng)，根據(jù)李文平等的研究成果，吸附結(jié)合水含量Ws和土的塑限Wp存在以下關(guān)系：Ws=0.885Wp。因此，可用塑限來表示土樣吸附結(jié)合水能力的大小。土的吸附能力越強(qiáng)，受干濕循環(huán)的影響越大，從塑限可直觀地判斷土樣的抗剪強(qiáng)度在干濕循環(huán)下受結(jié)合水衰減的影響程度。

4 抗剪強(qiáng)度衰減對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

以安猇公路K5+400—482邊坡為例，對(duì)干濕循環(huán)影響下邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。該邊坡地處鄂西山地向江漢平原過渡段，地貌屬剝蝕堆積類型，以構(gòu)造剝蝕丘陵為主。該邊坡在2018年7月開挖，坡高8.55 m，高6 m處設(shè)置寬度為2 m平臺(tái)，初始坡率一級(jí)坡為1∶1.5，二級(jí)坡為1∶2。4個(gè)月后發(fā)生淺層滑坡。利用GeoStudio軟件對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，結(jié)果見表4。

表4 干濕循環(huán)后第一次邊坡穩(wěn)定性變化

由表4可知：未經(jīng)歷干濕循環(huán)時(shí)，土樣的抗剪強(qiáng)度能保持邊坡穩(wěn)定。經(jīng)歷干濕循環(huán)后，邊坡的穩(wěn)定性逐漸變差，第6次干濕循環(huán)后發(fā)生失穩(wěn)。在這個(gè)過程中，粘聚力下降最明顯，對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響也最大，內(nèi)摩擦角的作用不明顯。由此判斷，粘聚力降低是邊坡發(fā)生淺層滑塌的主要原因，而土樣吸附結(jié)合水能力的降低是導(dǎo)致粘聚力下降的主要原因。

5 結(jié)論

(1) 高液限土含有大量黏土礦物和微孔隙，導(dǎo)致其吸附結(jié)合水含量很高。吸附結(jié)合水含量和土的塑限相關(guān)性很強(qiáng)，約為0.885倍。

(2) 安猇一級(jí)公路的高液限土從干燥到完全吸附結(jié)合水的過程需15 d,吸附過程分為3個(gè)階段，其中第一階段吸附速度最快，吸附結(jié)合水含量最大。

(3) 干濕循環(huán)作用對(duì)高液限土的吸附能力影響很大。經(jīng)歷干濕循環(huán)后，高液限土吸附結(jié)合水的能力逐漸下降，循環(huán)6次后下降幅度基本保持穩(wěn)定。

(4) 根據(jù)塑限和高液限土吸附結(jié)合水的相關(guān)關(guān)系，可用塑限表示土樣吸附結(jié)合水的能力，也可初步判斷土樣抗剪強(qiáng)度受干濕循環(huán)影響的程度。但有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

(5) 隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，高液限土吸附結(jié)合水的能力降低，土的粘聚力下降明顯，內(nèi)摩擦角變化不大，邊坡的穩(wěn)定性下降，發(fā)生淺層滑塌。