刘 翔 ，陈国兴 ，孙 田

（1. 南京工业大学 岩土工程研究所，南京 210009；2. 南京工业大学 江苏省土木工程防震技术研究中心，南京 210009）

1 引 言

土体的湿化变形是指土体被水浸湿使颗粒软化，发生相互滑移、破碎和重新排列，从而改变了土体原有的结构，造成强度损失和产生变形[1－2]。水库的初次蓄水、库水位的上下波动、地下水的上升和雨水的入渗或蒸发等都会引起土体的湿化变形[3－4]。20世纪70年代之前，各国学者均是采用一维固结仪进行湿化变形试验研究，试验可以测得大主应力方向的湿化变形。用一维固结仪研究湿化问题虽然简单易行，但其只能测得垂直方向的应力-应变关系，很难正确反映复杂应力状态下的湿化变形特性，因此，局限性很大。20世纪70年代初期，Nobari等[5－6]开始采用三轴“双线法”研究湿化变形问题，即分别进行干态和饱和态下的试验，得到相应的应力-应变关系曲线，然后将相同应力状态下的干态的变形减去饱和态的变形，以得到的差值作为该应力状态下的湿化变形量。三轴“双线法”较一维固结仪法有了改进，能够测得复杂应力状态下的湿化变形特性，但此法改变了水与荷载对土体的作用次序，这样的应力状态与变形条件均不符合实际。20世纪70年代末期，我国学者提出了三轴“单线法”来研究湿化问题，即在干态下沿某一加载路径加载使土体处于某一应力状态，然后再保持该应力状态不变的情况下进行反压湿化，在此过程中产生的变形就是在该应力状态下的湿化变形量。这种方法较之前的两种方法有了很大的改进，能够更加真实地模拟土体浸水湿化变形的实际过程[7]。随后该方法在国内外被普遍应用于堆石料、粗粒土的湿化变形试验研究，得到了土在复杂应力条件下湿化过程中的应力-应变关系和附加湿化变形量[8－10]。据实际工程报道，细粒料甚至粉土、黏土在浸水过程中其体积没有发生膨胀而是产生收缩变形，且该变形量有时很大，这一现象不容小视。因此，本文选用三轴“单线法”开展花岗岩全风化土湿化变形特性的试验研究，揭示了土体在浸水过程中产生的变形与湿化后强度的衰减规律，对理论及工程应用都具有重要实际意义。

2 室内试验过程

2.1 试验材料与制备

试验材料选自某高速公路路基，是经风化作用形成且风化较完全的花岗岩土。颜色呈棕黄色，颗粒大小不一，级配良好，具有砂粒和黏土的性质。试验的基本物理指标见表1，级配曲线如图1所示。

表1 土样物理指标Table 1 Physical properties of sample

图1 风化土颗粒级配分布曲线Fig.1 Grain-size distribution curve of weathered soil

试验采用重塑土，试样的主要制备过程如下：

（1）称取一定数量的风化土，放在烘箱里烘干至含水率w接近于0，取出后进行碾压使其分散。按照试验要求的含水率 19.6%计算配置试样所加的水量。

（2）将对应称得的水均匀地洒在土样上并进行搅拌，放入密封塑料袋里静置24 h，使土样吸水更加均匀。取出土样反复测其含水率，直到含水率达到试验要求。

（3）按照试样的干密度1.68 g/cm3称取所需已配好土的质量。

（4）采用分层制样。试样共分4层装置；每层质量为总质量的 1/4，充分搅拌后倒入制样器，锤击，使土变得相对密实；每装完一层先用直尺测量高度，用锤击实来保证每层高度为总高度的 1/4，将每层表面进行刨毛，直到最后一层，以保证土样为一个整体。

2.2 试验方案与方法

试验考虑了不同初始有效围压及湿化应力水平（即沿某一路径加载后土样在湿化前所处的应力水平）对风化土湿化变形量的影响，按围压σ3=200、400、800 kPa分3组进行试验，试验工况设计见表2。

表2 试验工况Table 2 Test conditions

试验采用 GDS非饱和三轴仪，试样直径为39.1 mm，高为80 mm。各围压均包括5个试样，1个干样、4个湿样（见表2）。试验步骤为先均压固结，再按相应湿化应力水平进行偏压固结至固结完成。采取反压湿化饱和，试验浸水压力为100 kPa。对于浸水湿化结束点的判断问题，目前尚无一个确定的标准。本试验利用反压控制器从试样底部注水湿化，当上部排水口出现稳定渗出，同时湿化变形曲线在同点反复，则认为浸水湿化结束。湿化后进行剪切试验，以0.03 mm/min的剪切速率加载，直至试样破坏或至试样轴向应变的15%，加载过程如图2所示。

3 试验成果分析

图3～5是初始有效围压σ3=200、400、800 kPa时的试验成果曲线。

3.1 固结阶段

固结阶段分为均压固结阶段（图3(a)、4(a)、5(a)的初始水平段）与偏压固结阶段（图3(a)、4(a)、5(a)的初始上升段）。试验采取两次固结使土体达到既定的湿化应力水平以更好地模拟土体实际受力情况。均压固结阶段的轴向应变大于偏压固结阶段的轴向应变，这是由于均压固结时有大量的气体排出造成的。从均压固结阶段可以看出，应力-应变曲线基本重合，这也从侧面反映了试验制样的均一性与可靠性。

图3 σ 3 =200 kPa 的(σ 1 -σ 3)-ε a、ε v -ε a曲线Fig.3 Curves of (σ 1 -σ 3)-ε a, ε v -ε a (σ 3 =200 kPa)

图4 σ 3 =400 kPa 的(σ 1 -σ 3)-ε a、ε v -ε a曲线Fig.4 Curves of (σ 1 -σ 3)-ε a, ε v -ε a (σ 3 =400 kPa)

图5 σ 3 =800 kPa 的(σ 1 -σ 3)-ε a、ε v -ε a曲线Fig.5 Curves of (σ 1 -σ 3)-ε a, ε v -ε a (σ 3 =800 kPa)

3.2 湿化阶段

湿化阶段的应力-应变曲线近似于水平线，而湿化阶段体变却近似线性增加。已达到固结稳定标准的所有试样均产生了轴向应变Δεa和体变Δεv，详见表3。在相同初始有效围压下，轴向应变Δεa随着湿化应力水平的增加而增加，体变Δεv随着湿化应力水平的增加而减小。在较高的湿化应力水平下，加之水的作用，土颗粒软化效果明显，使得土颗粒排列更加紧凑，因此，所产生的体变较小。在湿化试验中并没有类似等向压缩试验中出现的试样的轴向应变与体变之比Δεa/Δεv=0.33的情况，这反映了试样经过湿化变形后产生了各向异性。

表3 不同初始有效围压下试样湿化时的Δε a与Δε vTable 3 Relationships of and due to slaking under different initial effective confining pressures

表3 不同初始有效围压下试样湿化时的Δε a与Δε vTable 3 Relationships of and due to slaking under different initial effective confining pressures

围压 湿化应 轴向应变 体积变形 Δε/Δε/kPa力水平 Δε Δε a v a v 0.025 00 0.712 1.811 0.39 2000.250 00 1.103 1.348 0.82 0.500 00 1.532 1.271 1.21 0.750 00 2.201 1.087 2.02 0.012 50 1.212 2.424 0.5 4000.250 00 1.814 2.284 0.79 0.500 00 2.214 1.986 1.11 0.750 00 2.621 1.504 1.74 0.006 25 2.579 2.714 0.95 0.250 00 2.941 2.331 1.27 8000.500 00 3.678 2.229 1.65 0.750 00 4.125 0.874 4.72

3.3 湿化后剪切阶段

由图3(a)、4(a)、5(a)可以看出，土体在湿化后剪切阶段的应力-应变曲线先近似线性快速上升，继而转为非线性缓慢上升。在湿化过程中土体的变形属于塑性变形，土体湿化后应力状态尚未改变，但其在塑性范围内的屈服面经湿化作用已向外扩大并产生新的历史最大屈服面，故在该屈服面内加载就相当于在弹性区加载，剪切时土体先弹性变形到新的屈服面再发生塑性变形。

当初始有效围压相同时，各湿化应力水平下的试样经浸水湿化剪切后强度相近，但与干样相比，湿样的强度明显低于干样的强度。这是因为土体的宏观整体抗剪强度是由微观颗粒的无侧限抗压强度决定的。土体湿化后软化系数有所降低，但经过完全湿化后，其软化系数为一定值，故土体的抗剪强度不随湿化应力水平而变。

根据三向应力状态下摩尔-库仑准则可推算出干样与湿样的抗剪强度参数，见表4。

表4 干样与湿样的抗剪强度指标Table 4 Shearing strength indices of dry and wetting samples

从表4可以看出，风化土经湿化后c值由38kPa降为 22.8kPa，降幅达 40%，而φ值由 23.4°降为22.05°，下降1.35°，降幅值5.8%，这说明湿化对其c值影响大，对φ值影响不大。风化土在抵抗剪切时所表现出的“凝聚力”并不同于黏土颗粒之间黏结力，而是颗粒间互相错动时表现出的“咬合力”。从干态土浸水湿化后土颗粒软化发生滑移，使得土颗粒排列更加紧凑，所以其c值下降明显；而内摩擦角主要反映了颗粒的粗糙程度、颗粒间的摩擦特性等，对于湿化前后的花岗岩风化土，母岩属性没有变化，所以其φ值变化也不大。

由图3(b)、4(b)、5(b)可以看出，在初始有效围压较低情况下，试样在轴向应变达 10% 左右时体积变形由剪缩变为剪胀，而在初始有效围压较高的情况下则没发生类似现象。土体经湿化后呈亚稳结构，剪切时轴向表现为压缩，径向表现为膨胀。在初始有效围压较低时，一方面基质吸力降低快，另一方面浸水径向膨胀会大于围压的约束，故表现为剪胀。

4 结 论

（1）湿化阶段的应力-应变曲线近似于水平线，而湿化阶段体变却近似线性增加。在湿化过程中试样均产生了轴向应变Δεa和体变Δεv，在相同初始有效围压不同湿化应力水平下，轴向应变Δεa随着湿化应力水平的增加而增加，体变Δεv随着湿化应力水平的增加而减小。

（2）土体在湿化后剪切阶段的应力-应变曲线先近似线性快速上升，继而转为非线性缓慢上升至逐渐平稳。

（3）土体经湿化后湿样的强度明显低于干样的强度，其c值减少明显，φ值变化不大。

（4）在初始有效围压较低情况下，试样在轴向应变达10%左右时体积变形由剪缩变为剪胀，而在初始有效围压较高的情况下则没发生类似的现象。

综上所述，土体湿化现象使路基产生了变形及强度衰减，给实际工程带来极为不利的影响，这一点应引起工程界的重视。

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