周春梅，朱 銳，何 青，孫 東

（武漢工程大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070）

0 引言

三峽水庫完工后，庫區(qū)水位周期性變化，庫岸的邊坡體將經(jīng)歷失水—飽水的長期循環(huán)過程，這種周期性的過程將引起岸坡巖土體的組成成分、物理結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)等變化[1-4]，使穩(wěn)定的庫岸邊坡向不穩(wěn)定方向發(fā)展。

目前，不少學(xué)者對干濕循環(huán)作用下土的特性進(jìn)行研究。干濕循環(huán)導(dǎo)致土體強度和變形模量明顯降低，且在第一次干濕循環(huán)后衰減最大。呂海波等[5]通過試驗得出膨脹土抗剪強度隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而衰減，最終趨于穩(wěn)定，強度穩(wěn)定值與穩(wěn)定時所需循環(huán)次數(shù)隨含水率變化幅度的增加而減小。鄧華峰等[6]通過干濕循環(huán)過程中強度劣化參數(shù)劣化幅度非常明顯，其中，前4次干濕循環(huán)作用導(dǎo)致的抗剪強度參數(shù)劣化幅度占總劣化度的75%左右，4 次干濕循環(huán)作用之后，劣化趨勢逐漸趨于平緩。原狀膨脹土的抗剪強度在同一級荷載下隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多而衰減[7-9]。彭小平等[10]通過干濕循環(huán)試驗，得知隨著干濕次數(shù)的增加，紅黏土的強度降低顯著且變形指標(biāo)增大。程富陽[11]在不固結(jié)不排水的紅黏土三軸試驗與彭小平[10]得到一致結(jié)論，提出了干濕循環(huán)次數(shù)的影響要大于干濕循環(huán)幅 度 的 影 響。Al-Homoud[12]、MIAO L 等[13]、Nowamooz 等[14]研究了干濕循環(huán)對膨脹土的變形特性的影響，膨脹土的變形在第一次干濕循環(huán)時最為明顯，且在經(jīng)歷3～5 次循環(huán)后達(dá)到平衡狀態(tài)。Aldaood[15]等研究發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)導(dǎo)致人工改良土的強度衰減。曹玲等[16]通過三軸試驗探討了三峽庫區(qū)滑帶土經(jīng)過多次干濕循環(huán)后飽和試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角下降情況。江強強[17]在直接試驗中得到一樣的規(guī)律，從微觀結(jié)構(gòu)上解釋了干濕循環(huán)對滑帶土體弱化的機理。王鐵行等[18]通過試驗研究了干濕循環(huán)作用下壓實黃土動強度性質(zhì)，結(jié)果表明壓實黃土的動強度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加先減小再逐漸增大。陳紀(jì)昌[19]針對庫區(qū)水位反復(fù)調(diào)節(jié)產(chǎn)生的干濕循環(huán)效應(yīng)以某紅層庫岸邊坡工程為依托，開展室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬研究干濕循環(huán)對邊坡穩(wěn)定性影響，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多邊坡穩(wěn)定性逐漸降低。

大部分研究認(rèn)為土體在3～5 次干濕循環(huán)作用下其強度趨向于穩(wěn)定，但受土的類型，土的結(jié)構(gòu)、以及干濕循環(huán)路徑和干濕循環(huán)的幅度等影響，這一結(jié)論具有一定的局限性，且對干濕循環(huán)次數(shù)和不同干濕循環(huán)幅度條件下土的強度性質(zhì)變化趨勢的研究甚少。大部分學(xué)者僅提供了干濕循環(huán)會對土體強度的弱化，本文以重慶萬州區(qū)塘角一號為基礎(chǔ)，探究不同循環(huán)幅度下影響土體強度的規(guī)律。

1 試驗概況

1.1 滑體土基本物理力學(xué)性質(zhì)

塘角一號滑坡地處重慶市萬州區(qū)陳家壩塘角村長江右岸的斜坡地帶，取土深度為1m，用取土器裝土然后密封保存。

在野外取得的塘角一號滑坡的滑體土的原狀土主要成分是黃褐色的粉質(zhì)黏土夾雜著砂巖和泥巖的碎塊、角礫，土體為可塑-硬塑狀，由于實驗中使用的土壤樣品是重塑土壤，因此將土壤中包含的一些雜質(zhì)濾出，自然干燥，然后將土壤干燥，壓碎，最后用2 毫米篩子過篩，基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗準(zhǔn)備

土樣制備：試驗采用重塑土，將碾碎的土過2mm 的篩子，烘箱中直到土完全變干，每個試樣初始狀態(tài)下的含水率都取最優(yōu)含水率，為15.27%。

儀器設(shè)備和制樣：本次試驗采用的三軸儀為TSZ-1A 應(yīng)變控制式全自動三軸儀，采用不固結(jié)不排水（UU） 試驗，剪切速率為0.6mm/min，圍壓設(shè)置50、100、200、300kPa，圖1 是本次試驗所采用的三軸儀圖片?？刂聘擅芏戎茦?，將土分三層均勻放入制樣桶中進(jìn)行分層實制成三軸樣。每擊實完一層，進(jìn)行拉毛，接觸更加緊密。試樣的高度為80mm，直徑為39.1mm。

圖1 TSZ 全自動應(yīng)變控制式三軸儀Fig.1 TSZ automatic strain controlled triaxial apparatus

1.3 試驗方案

將干濕循環(huán)的次數(shù)分別設(shè)置為0 次、1 次、2 次、3 次、5 次和7 次干濕循環(huán)；由于粉質(zhì)粘土滲透性差，通過飽和缸抽氣飽和達(dá)到最大含水率為22%，故設(shè)置干濕循環(huán)含水率上限為22%，通過改變干濕循環(huán)含水率下限值來控制干濕循環(huán)幅度。所選取的干濕循環(huán)的幅度為含水率7～22%、10～22%、13～22%。干濕循環(huán)方案如表2 所示，循環(huán)過程如圖2、圖3 所示。

圖2 干濕循環(huán)示意圖Fig.2 Schematic diagram of dry-wet cycle

圖3 干濕循環(huán)過程圖Fig.3 Dry-wet cycle process diagram

表2 干濕循環(huán)方案

2 試驗結(jié)果

為了研究不一樣的干濕循環(huán)幅度對土壤抗剪強度的影響，本文設(shè)置了三種不同的干濕循環(huán)幅度，不同的干濕循環(huán)幅度的含水率上下限分別為7～22%、10～22%、13～22%。

2.1 干濕循環(huán)幅度對應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

為了使試驗結(jié)果更加有說服力，分別取經(jīng)過1 次干濕循環(huán)之后和經(jīng)過7 次干濕循環(huán)之后所得的主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的曲線圖進(jìn)行對比分析，將同一個周圍壓力下的不同干濕循環(huán)幅度下的曲線放在一起分析，所得的曲線圖如圖4-5 所示。

圖4 1 次干濕循環(huán)循環(huán)幅度與應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖Fig.4 Relationship between cyclic amplitude and stress-strain of one dry-wet cycle

圖5 7 次干濕循環(huán)循環(huán)幅度與應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖Fig.5 Relationship between cyclic amplitude and stress-strain of 7 dry-wet cycles

對圖4-5 的曲線進(jìn)行分析，可知：（1）試樣在經(jīng)過1 次干濕循環(huán)后，干濕循環(huán)的幅度越大，試樣的主應(yīng)力差的值就越小，在不同圍壓等級下循環(huán)幅度7～22%主應(yīng)力差值始終保持最?。唬?）經(jīng)過7 次干濕循環(huán)后，干濕循環(huán)的不同幅度對在低圍壓與在高圍壓下的應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響更加明顯，由圖可知，在試樣圍壓為100kPa 與200kPa 時，不同干濕循環(huán)幅度下應(yīng)力應(yīng)變曲線會比較接近，圍壓為300kPa 時干濕循環(huán)對應(yīng)力應(yīng)變曲線影響顯著；（3）在相同圍壓下，干濕循環(huán)的幅度越大，主應(yīng)力差值越??；（4）隨著圍壓不斷增大，各循環(huán)幅度下的主應(yīng)力差值也漸漸增加。

2.2 干濕循環(huán)幅度對抗剪強度參數(shù)的影響

不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下與不同干濕循環(huán)幅度條件下的數(shù)據(jù)全部整理于表3 中。四種圍壓下干濕循環(huán)幅度對主應(yīng)力差峰值的影響情況如圖6 所示。

根據(jù)圖6 不同圍壓條件下，循環(huán)幅度、循環(huán)次數(shù)與主應(yīng)力差峰值關(guān)系的曲線關(guān)系圖分析可知：（1）干濕循環(huán)的進(jìn)行幅度越大，主應(yīng)力差值減小的幅度也越大；（2）根據(jù)對比4 個圖發(fā)現(xiàn)，在干濕循環(huán)幅度為7～22%、10～22%的條件下，主應(yīng)力差值在經(jīng)過2 次循環(huán)后趨于穩(wěn)定，變化幅度較小，在干濕循環(huán)幅度為13～22%的條件下，經(jīng)歷3 次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定；（3）主應(yīng)力差的峰值都是在經(jīng)過一次干濕循環(huán)后降低的值最大，隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加主應(yīng)力差的峰值逐漸降低。

圖6 不同圍壓條件下循環(huán)幅度、次數(shù)與主應(yīng)力差峰值關(guān)系Fig.6 The relationship between the peak value of principal stress difference，the amplitude and number of cycles under different confining pressures

表3 中在不同干濕循環(huán)幅度下對應(yīng)的粘聚力與內(nèi)摩擦角的數(shù)值經(jīng)整理后繪制成關(guān)系曲線圖，其變化規(guī)律如圖7 所示。

表3 不同干濕循環(huán)幅度下各圍壓試驗結(jié)果

干濕循環(huán)對粘聚力影響（圖7a）：（1）干濕循環(huán)幅度在7～22%、10～22%的條件下，經(jīng)過1次干濕循環(huán)后，粘聚力的減小值最大；干濕循環(huán)幅度的含水率在13～22%的條件下，經(jīng)過2次脫濕與吸濕之后，粘聚力的值降低的幅度才是最大的；（2）不論在何種干濕循環(huán)幅度下，5次循環(huán)完成后干濕循環(huán)對粘聚力的影響都基本達(dá)到了穩(wěn)定值。

干濕循環(huán)對內(nèi)摩擦角影響（圖7b）：（1）從經(jīng)過2 次循環(huán)和3 次循環(huán)的結(jié)果可以看出，內(nèi)摩擦角隨著干濕循環(huán)幅度的增加是逐漸減小的；（2）經(jīng)過1 次干濕循環(huán)后，三種不同的干濕循環(huán)幅度條件下內(nèi)摩擦角的值比較接近，經(jīng)過5次干濕循環(huán)后，內(nèi)摩擦角的值在三種不同的循環(huán)幅度下已經(jīng)接近一致，內(nèi)摩擦角受干濕循環(huán)幅度的影響已經(jīng)非常小了。

圖7 干濕循環(huán)幅度對抗剪強度影響圖Fig.7 Effect of dry-wet cycle amplitude on shear strength

在對干濕循環(huán)的不同幅度研究中，隨著干濕循環(huán)幅度增加，試樣在干燥的過程中，失去的水分越多，那么試樣在吸水的過程中，吸收的水分就越多，水分更多的滲入孔隙，對土顆粒造成的沖擊越大，土顆粒中的黏粒礦物更多的溶解在水中，孔隙越容易形成。所以，干濕循環(huán)的幅度越大，粘聚力與內(nèi)摩擦角的降低速度也越快。

上述已經(jīng)對干濕循環(huán)條件下抗剪強度參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行了很詳細(xì)的分析，在同一種循環(huán)幅度的條件下，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，粘聚力與內(nèi)摩擦角都幾乎是呈指數(shù)下降的趨勢，將圖7 中粘聚力、內(nèi)摩擦角在同一個干濕循環(huán)的幅度下對應(yīng)不同干濕循環(huán)次數(shù)下的抗剪強度參數(shù)進(jìn)行關(guān)系式的擬合，其擬合關(guān)系式為：

式中，a，b代表指數(shù)函數(shù)系數(shù)，S是干濕循環(huán)次數(shù)。所擬合的關(guān)系式整理如表4 所示。

表4 不同干濕循環(huán)幅度下的c（S）、φ（S）公式

由表中的關(guān)系式可以得到：粘聚力、內(nèi)摩擦角與干濕循環(huán)次數(shù)之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，粘聚力與內(nèi)摩擦角的值都呈指數(shù)下降。由相關(guān)系數(shù)相關(guān)性劃分：當(dāng)R的絕對值在低于0.4 的時候，為低度線性相關(guān)；當(dāng)R 的絕對值在0.4～0.7 之間的時候，為顯著性相關(guān)；當(dāng)R 的絕對值在0.7～1 之間的時候，為高度線性相關(guān)。由于表中所示均為R2，且均大于0.7，將其開方所得的相關(guān)系數(shù)也會大于0.7，所以干濕循環(huán)的次數(shù)與粘聚力和內(nèi)摩擦角為高度相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)論

（1）干濕循環(huán)次數(shù)對滑體土強度的影響：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加粘聚力和內(nèi)摩擦角不斷降低，總的來說1 次循環(huán)完成后幅度降低最快，在第3 次完成后降低值幅度減小，第7 次循環(huán)后逐漸趨向于穩(wěn)定。

（2）干濕循環(huán)幅度對滑體土強度的影響：在相同循環(huán)次數(shù)的前提下，干濕循環(huán)幅度越大抗剪強度降低的幅度越大。在經(jīng)過7 次循環(huán)達(dá)到穩(wěn)定之后，循環(huán)幅度對粘聚力影響較大，循環(huán)幅度越大土體粘聚力越小，在達(dá)到第5 次循環(huán)之后循環(huán)幅度對內(nèi)摩擦角影響較小，不同循環(huán)幅度間摩擦角的值很接近。