干湿循环和含水率对土体抗剪强度影响的试验研究.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言近年来，部分学者针对干湿循环作用下岩土体的力学性质影响开展了大量的研究。熊爽等1基于强度折减原理，采用 Green-Ampt 模型建立了数值分析模型，系统研究了降雨干湿循环作用下的渣土边坡稳定性。研究表明，渣土的黏聚力及内摩擦角随降雨干湿循环次数的增多而降低，两者的关系满足指数函数。曾胜等2基于理论分析，建立了红砂岩顺层岩质边坡分析模型，研究了降雨渗流及干湿循环作用下红砂岩顺层边坡稳定性。研究结果表明，干湿循环作用下，结构面黏聚力随干湿循环次数的增多呈幂指数形式衰减，而内摩擦角随干湿循环次数的增多呈二次函数衰减。陈纪昌3针对库区红层泥岩边坡消落带水位升降导致的干湿循环效应，综合采用室内模型试验和数值模拟研究了干湿循环及地震耦合作用下红层泥岩边坡稳定性。结果表明，干湿循环会导致土体内部结构逐渐弱化，损伤积累，抗剪强度减小。周健等4基于室内模型试验研究了干湿循环效应对膨胀土边坡稳定性影响。结果表明，随干湿循环次数的增多，土体的抗剪强度指标降低，其中内聚力的降低幅度比内摩擦角的降低幅度更大。刘锦程等5综述了干湿循环对非饱和土特性影响。系统地总结了干湿循环对非饱和土的水土特征曲线、强度、变形及渗透的影响效应。徐雪峰6基于Geo-Studio对某红砂岩库岸边坡干湿循环作用下稳定性进行分析。结果表明，红砂岩吸水率和质量损失率逐渐随干湿循环次数的增大而增大，但内摩擦角和黏聚力均随循环次数的增多逐渐减小，干湿循环会降低边坡的稳定性。张鹏超7开展了室内不同含水率花岗岩残积土的抗剪试验，分析了干湿循环对花岗岩残积土抗剪强度的影响。结果表明，黏聚力随干湿循环次数增多呈指数降低，而内摩擦角基本不变。刘桂霞8基于数值模拟开展了红砂岩土路堤边坡稳定性与岩土体干湿循序的相互关系研究。结果表明，当干湿循环次数小于2次时，边坡稳定性下降较多。此外，随着土体干密度的增大，边坡稳定性随之增大。综合分析，土体含水率增大会对路堤边坡的稳定产生非常大的负面影响。本文基于室内土工试验，首先研究了含水率及干湿循环综合作用下对土体抗剪强度的影响，并在此基础上采用Geo-Studio软件计算了土坡的稳定性系数。研究结果可为相关工程提供借鉴。1 试验方案为系统研究不同含水量下干湿循环对岩土体力学参数的影响程度，开展室内直剪试验，获得不同含水率下干湿循环对土体抗剪强度参数的影响。试验用土为典型的第四纪黏土，根据室内物理力学试验得到的土体基本物理力学指标见表1所示。结果表明，试验用土的液限为38.2%，塑性指数为26.8%，根据室内筛分试验结果，0.52 mm的颗粒占总量的25.1%，0.0750.5 mm的颗粒占总量的42.7%，小于0.075 mm的颗粒占总量的25.1%。选取不同的含水率土体共5组。试验测得土样密度为1.67 g/cm3，直剪试验施加的正应力分别为100、20、300、400 kPa。表1 物理力学参数土体性质重塑黏土液限/%38.2塑性指数/%26.81颗粒级配/%0.52.0 mm25.10.0750.5 mm42.70.075 mm32.2收稿日期：2023-03-09作者简介：张桂芹（1980），女，高级工程师，从事交通工程设计工作。干湿循环和含水率对土体抗剪强度影响的试验研究张桂芹（山东智行咨询勘察设计院，山东 德州 253000）摘要：为研究土体含水率和干湿循环对土体强度参数的影响，开展了室内直剪试验，计算边坡含水量和干湿循环次数对边坡的稳定性影响。结果表明：土体内聚力随含水率的增大而先增大后减小，内摩擦角随含水率的增大而减小，两者为线性关系，边坡的稳定性系数随含水率的增大而减小。当含水量较低时，稳定系数随含水率的增大基本不变。当含水量较高时，稳定性系数随含水率增大迅速减小，边坡的稳定性系数随干湿循环次数的增大而减小。关键词：高填方边坡；含水量；稳定性；干湿循环；土工试验中图分类号：U417文献标识码：B67总663期2023年第33期（11月 下）干湿循环试验土体的初始含水率为25%。分别循环不同的次数，干湿工况见图1所示。为研究干湿循环后土体的力学材料参数的变化情况，本文在干湿循环完成后开展直剪试验，其中直接剪切试验采用的正应力取值为100、200、300、400 kPa。图1 干湿循环次数工况2 结果与分析2.1 含水率对抗剪强度的影响图 2 得到了含水率对土体内聚力的影响。结果表明，内聚力随含水率的增大而先增大后减小。当含水量为 14%时，对应的土体内聚力为 43.8 kPa，当土体的含水量为17%时，对应的土体内聚力为50 kPa，且在含水率为17%时，为内聚力的临界值，土体的内聚力此时达到最大，最大值为 50 kPa。导致此现象的主要原因是含水率较低时，土颗粒的黏结力随含水率的增大而增强，当含水率增大到一定程度时，颗粒表面的水膜增厚，因此黏聚力随含水率的增大而减小。当土体含水量为 14%，对应的内聚力为 44 kPa，当含水量增大至26%时，内聚力减小至36 kPa。减小幅度为 18%。此外，当土体的含水量进一步增大至 20%时，土体的内聚力降低至 47.5%，当土体的含水量进一步增大至 23%时，土体的内聚力降低至 44 kPa，当土体含水量增大至 26%时，土体的内聚力减小至36 kPa。图3为土体内摩擦角与含水率的关系。结果表明，内摩擦角随含水率的增大而减小，且二者呈较强的线性关系。当土体含水量为14%，对应的摩擦角为21，当土体含水量为16%，对应的摩擦角为18，当土体含水量为 20%，对应的摩擦角为 16，当土体含水量为23%，对应的摩擦角为12.5，当含水量增大至26%时，内摩擦角减小至 12 kPa。土体的含水量由 14%增大至26%时，土体的内摩擦角减小幅度为43%。导致此现象的主要原因是，土体含水量的增大可以对土颗粒产生润滑作用，使得土颗粒的摩擦角减小，表现出土的摩擦角随含水率增大而减小的趋势。图2 含水率对内聚力的影响图3 含水率对内摩擦角的影响2.2 干湿循环对抗剪强度的影响图4得到了干湿循环次数对土体内聚力的影响。结果表明，内聚力随干湿循环次数的增大而先增大后趋于稳定。在没有进行干湿循环时，土体的内聚力为40kPa，当土体经过1次干湿循环时，土体的内聚力减小至30 kPa，当土体经过2次干湿循环时，土体的内聚力减小至23 kPa，当土体经过3次干湿循环时，土体的内聚力减小至17 kPa，而经过4次干湿循环时，土体的内聚力减小至18 kPa。此外，图5为干湿循环对内摩擦角的影响，可以发现，干湿循环对内摩擦角的影响程度远小于对内聚力的影响程度。在没有进行干湿循环时，土体的内摩擦角为 10，当干湿循环为 1 次时，土体的内摩擦角为11，当干湿循环为 2次时，土体的内摩擦角为19.2，当干湿循环为3次时，土体的内摩擦角为9.4，当干湿循环为4次时，土体的内摩擦角为9.2。该结果反映出在干湿循环前后，试样的内摩擦角基本保持不变。由此可见，干湿循环对土体的抗剪强度的影响主要表现在对土体内聚力的降低方面。图4 干湿循环对内聚力的影响图5 干湿循环对内摩擦角的影响即有研究表明，干湿循环会影响土体基质吸力，进一步导致土体内部出现不可恢复的塑性损伤。在干湿循环一定次数后，循环次数对土体抗剪强度参数的影响不再明显，即当干湿循环次数增大到一定程度时，继续增循环次数，对土体的抗剪强度参数影响减弱，对于本文而言，4次循环以后，土的强度参数基本保持不变，因此在本文的稳定性计算中，土体的抗剪强度参数取第5次干湿循环下的参数作为依据。3 边坡稳定性计算选取典型的图纸边坡作为稳定性计算实例。边坡68交通世界TRANSPOWORLD高度为 26m，坡比为 12，不考虑地下水及孔隙水压力。分别采用不同的理论对边坡稳定性进行计算。计算采用的方法为瑞典条分法、毕肖普法和简布法。判断边坡稳定性的公式为式（1）：FS=TxTk（1）式（1）中，Fs为边坡的稳定性系数，当 Fs不小于 1，时边坡处于稳定状态，当Fs小于1时边坡处于不稳定状态；Tx为下滑力；Tk为抗滑力。图 6 得到了含水量对边坡稳定性的影响。结果表明，在相同的土体含水量工况下，三种不同稳定性计算方法得到的结果基本相同，稳定性结果均表现出，边坡的稳定性系数随含水率的增大而减小。当含水量较低时，稳定系数随含水率的增大基本不变，原因在于土的内摩擦角减小而内聚力增大导致的。当含水量较高时，稳定性系数随含水率增大迅速减小。以简布法为例，当含水量由14%增大至26%时，稳定性系数由1.44降低至0.95，稳定性系数降低比率为30%以上。以毕晓普法为例，当含水量有14%增大至26%时，稳定性系数由 1.5 降低至 0.97，稳定性系数降低比率为30%以上，以瑞典条分法为例，当含水量由14%增大至26%时，稳定性系数由1.54降低至1.1，稳定性系数降低比率为30%以上。三种边坡的稳定性计算结果均表明，含水量对边坡的稳定性影响较大，对于实际工程而言，当土体含水量较大或遇到强降雨工况时，应注意边坡的截排水问题，以防边坡发生失稳破坏稳定。图7得到了干湿循环次数对边坡稳定性的影响。结果表明，三种不同的稳定性计算方法得到的结果基本相同，边坡的稳定性系数随干湿循环次数的增大而减小。初始状态下，稳定性系数大于1，证明边坡处于稳定状态。以简布法为例，当循环次数为1次增大至4次时，边坡失稳的稳定性系数由1.52降低至1.04。以毕晓普法为例，当循环次数为1次增大至4次时，边坡失稳的稳定性系数由1.53降低至1.06。以瑞典条分法为例，当循环次数为1次增大至4次时，边坡失稳的稳定性系数由 1.61降低至 1.12。总体来看，随干湿循环次数增多，边坡处于不稳定状态。当循环次数达到 4次以上时，稳定系数小于1，表明边坡失稳。图6 含水量对边坡稳定性的影响图7 干湿循环次数对边坡稳定性的影响4 结论1）内聚力随含水率的增大而先增大后减小。含水率为17%是内聚力由大减小的临界值。原因在于含水率较低时，土颗粒的黏结力随含水率的增大而增强，当含水率增大到一定程度时，颗粒表面的水膜增厚，因此黏聚力随含水率的增大而减小。2）内摩擦角随含水率的增大而减小，且二者呈较强的线性关系。当含水量由14%增大至26%时，土体的内摩擦角由20降低至12，降低幅度高度40%。3）边坡的稳定性系数随含水率的增大而减小。当含水量较低时，稳定系数随含水率的增大基本不变。当含水量较高时，稳定性系数随含水率增大迅速减小。含水量由 14%增大至 26%时，稳定性系数降低 35%以上。4）边坡的稳定性系数随干湿循环次数的增大而减小。初始状态下，稳定性系数大于1，证明边坡处于稳定状态。当循环次数达到4次以上时，稳定系数小于1，表明边坡失稳。参考文献：1 熊爽，曾江波，姚文敏，等.降雨干湿循环作用下的渣土边坡稳定性J.地质科技情报，2018，37（5）：240-246.2 曾胜，李振存，韦慧，等.降雨渗流及干湿循环作用下红砂岩顺层边坡稳定性分析J.岩土力学，2013，34（6）：1536-1540.3 陈纪昌.干湿循环及地震耦合作用下的库区红层泥岩边坡稳定性分析J.水电能源科学，2021，39（4）：133-136，203.4 周健，徐洪钟，胡文杰.干湿循环效应对膨胀土边坡稳定性影响研究J.岩土工程学报，2013，35（S2）：152-156.5 刘锦程，张艳美，张笑峰.干湿循环对非饱和土特性影响研究现状与展望J.水利与建筑工程学报，2017，15（5）：69-75.6 徐雪峰.干湿循环对山区水库库岸边坡稳定性影响J.水利技术监督，2017，25（3）：63-64，134.7 张鹏超.干湿循环作用下花岗岩残积土性能劣化及边坡稳定性分析J.工程勘察，2020，48（9）：19-23.8 刘桂霞.干湿循环作用下红砂岩土路堤边坡稳定性数值分析J.福建交通科技，2021（3）：28-31.69