干湿循环对非饱和土承载特性影响的试验研究

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摘要：干湿循环效应是非饱和土理论研究的重点之一，由干湿循环引起的土体承载性能下降问题研究也在不断深入，本文通过自行设计干湿循环试验方法，研究了非饱和土在干湿循环效应下的承载性能变化，发现同一含水率所对应的基质吸力随干湿循环次数的增加而不断下降，极限承载力随基质吸力的减小而线性减小。

关键词：干湿循环；非饱和土；承载力

前言

气候的变化控制着地球表面水量平衡，降雨入渗造成土表面含水率升高，蒸发蒸腾又从土体中提取水分，如此反复循环，这就引发了一系列岩土工程问题，如地面发生季节性的胀缩变形，土体抗剪强度减小，地基承载下降等等，特别对水分较为敏感的粉土，其效果更为明显。考虑干湿循环效应一直以来是农学，土壤学和气象学的范畴，但随着土木行业的发展以及非饱和土理论研究的不断深入，干湿循环效应成为了非饱和土理论研究的重点之一。

地基的承载力指地基土单位面积上所能承受荷载的能力，由于粉土塑性指数低、粘性小，具有松散、透水、粘聚力低的特点，工程性质较差，承载力普遍不高，且遇水易湿化变形，风干后易凝结成块状，受碾压作用下变成颗粒非常微小的粉末状，如作为路基填土，势必对其承载特性要有一个较深入的研究。

1非饱和土承载力的确定

对饱和土而言，目前已经形成了较为完整的承载力理论，如魏锡克承载力理论，普朗特尔承载力理论，太沙基承载力理论等。而对于非饱和土地基承载力的研究并不多见，弗雷德隆德认为：其实非饱和土也可以像其他塑性平衡问题一样，看作是饱和土力学的延伸。非饱和土的粘聚力可以认为由两项组成的：一项是有效粘聚力，另一项是基质吸力引起的粘聚力。所以传统的承载力理论也可以用于非饱和土中。

Terzaghi承载力理论认为，对于有一定埋深的基础，地基承载力由三项组成。第一项考虑土重和被动契体的作用，第二项与粘聚力有关，第三项是考虑基础底面以上超荷的作用，所以，地基的总极限承载力也就等于上述三项之和：

式中： 为土的密度（kg/m3）， 为基础宽度（m）， 为比例尺承载力系数， 为土的总粘聚力（ ）， 为粘聚力承载力系数， 为基础的有效埋深（m）， 为超荷承载力系数，其中 、 和 是无量纲系数，它们是内摩擦角的函数，可以通过太沙基承载力系数表查出。

弗雷德隆德等在非饱和土承载力理论说明时对太沙基承载力理论做了适当的改进，他认为具有基质吸力的土，其抗剪强度参数有三项：（1）有效粘聚力 ； （2）有效内摩擦角 ；（3）与基质吸力相关的摩擦角 。这些参数是建立在破坏面为平面的假设基础上的。如三个参数中有两个可以合并，则抗剪强度公式可写成同饱和土一样的形式，这样，常规承载力设计中需要的抗剪强度参数为总粘聚力 和有效内摩擦角 。且有

从式（3）分析可知：当基础的土体饱和时，即基质吸力 为0时，总极限承载力 最小，其承载力主要由有效粘聚力提供；随着基质吸力的增大，基质吸力对极限承载力的贡献率开始增加，可以预测在土体高吸力阶段，基础的极限承载力主要是由基质吸力提供的。

所以，弗雷德隆德的地基极限承载力公式就只需确定两个关键实验参数即可，即有效粘聚力 和基质吸力相关的摩擦角 就可以确定非饱和土地基的极限承载力。

2非饱和土抗剪强度指标的获取

本文所用土样为粉土，土样取自河南郑州某高速项目试验段，其主要实验物理指标如表1所示：

上表给出了粉土的 值和 值，所以只需确定 值即可。通常可采用能测吸力的三轴试验和直剪试验来求得 值。但这种试验方法所需的仪器非常昂贵、且需花费大量的时间，这在很大程度上影响了非饱和土抗剪强度理论在工程实践中的应用。Vanapalli S.K等人采用一种利用非饱和土含水量与基质吸力关系曲线的方法来获取 指标的方法。他们以Fredlund和Xing推求出的土―水特征曲线为基础，通过一些假设简化得到以下关系式：

式中： 为天然体积含水量； 为饱和体积含水量； 为残余体积含水量，可由土水特征曲线求得。

可见，只要测得某种非饱和土的土―水特征曲线，即可通过常规土工试验求得 。然而，地基在经历了数次干湿循环后，有效粘聚力 和有效内摩擦角 基本上可以认为是不变的，而基质吸力相关的摩擦角 则有可能会发生改变，龚壁卫曾经通过实验的手段探讨了干湿循环对基质吸力的影响并认为：在干湿循环中，土水特征曲线呈现出“滞回圈”现象，即相同的含水率可以对应不同的吸力，同一个吸力可以对应不同的含水率。但由于 变化较小，加上实验设备的原因无法得到干湿循环后的土水特征曲线，所以本文假定 在每次干湿循环中都是保持不变的。

由原粉状土的常规实验可得： =0.37656，由郑州粉土的土水特征曲线可查得： =0.414326， =0.20679。将参数代入式（4）中可得：

3干湿循环实验方法和过程

3.1试样制备

式样制备方法参照《公路土工试验规程》（JTGE40-2007），首先将粉土料配成含水量为16.03%的湿土，焖料24h使土中含水量均匀，最终测得土样的实际含水量为16.01%。采用分层击实法，分三层将配置好的粉土压实于小型击实筒中以达到所需压实度，然后脱模，用塑料保鲜膜将土柱的底面和周边密封包裹，仅留顶面作为蒸发表面。如图1（a）所示。

每次干湿循环结束后，将土柱削成1个小环刀样（直径4cm，高8cm），本次试验设计最多进行5次干湿循环。本实验所用的土料其物理性质见表1。

3.2干湿循环过程

将每个土柱都称重，然后置于白炽灯下照射，如图1（b）所示，使水分通过表面缓慢蒸发2～4天左右，根据土柱的蒸发速率隔一定时间再称重，当每个土柱含水量挥发掉50%左右的时候收回实验室中，然后根据每个土柱所损失的质量，用注射针头缓慢地注入等量的水分，使其恢复到蒸发前的重量，最后放入密闭的容器中静置48小时，使注入的水分均匀渗入，即完成一次干湿循环。依次类推，可分别完成五次循环。每次循环过后即可将土柱削成小环刀样。

3.3吸力量测

每次干湿循环次数的试样置于李斌自行开发的室内基质吸力量测装置中，测得其基质吸力的大小。其结果见表2所示。可以看出：吸力在经过若干个干湿循环过后会逐渐减小，即同样的含水率所对应的吸力变小。

4算例分析

一条形基础，宽度为1.5m，埋深为1.0m，基础底面为粉土，土体密度为1950 ，有效粘聚力为8.49 ，有效内摩擦角为25.2°，与基质吸力相关摩擦角28.09°，吸力变化见表2。

根据粉土的有效内摩擦角值可从Terzaghi承载力系数值与 值的关系表中查得承载力系数 =5.39， =14.83， =6.40。

将以上数据代入式（3）中，可以得到极限承载力关于吸力的函数：

由式（5）可知：吸力与极限承载力存在线性的变化关系，当基质吸力等于0时，地基土的极限承载力是329.53 ，而当基质吸力等于50 时，地基土的极限承载力增大到724.53 ，承载能力增大到了原来的一倍多。所以，当吸力继续增大时，它对承载力的贡献还会更大。将表2中的吸力值代入到式（5）中，可以得到干湿循环次数与极限承载力变化的关系曲线，如图2所示。

由图2分析可知：极限承载力随干湿循环的次数增加而呈波动起伏式变化，但有逐渐减小的趋势。如在第0次循环地基土的极限承载力（即：初始状态）为778.25 ，在经历过四个干湿循环之后，地基土的极限承载力减小到了538.88 ，承载力衰减了30%多，可以预测：随着干湿循环次数的不断增加，地基土的极限承载能力会大大下降。所以将基质吸力的设计值应用到建设工程当中是非常有必要的，尤其在公路，铁路，机场建设等工程项目中，由于其周围的气候环境一年到头都在改变，蒸发降雨反复交替，不断形成干湿循环过程，从而造成了基础的吸力处于变动状态，这也导致了承载性能的下降，有可能发生承载力类型的破坏。

5结语

（1）干湿循环效应对非饱和土的基质吸力产生影响，而吸力的变化则导致了基础的极限承载力线性变化，即吸力下降，极限承载力也随之降低，反之，则增加。

（2）将基质吸力的设计值应用到建设工程当中是非常有必要的，尤其在公路，铁路，机场建设等工程项目中，由于其周围的气候环境一年到头都在改变，不断形成干湿循环过程，从而造成了基础的吸力处于变动状态，这也导致了承载性能的下降，有可能发生承载力类型的破坏。

（3）用人工控制实施的干湿循环试验方法在实际中存在有一定的误差，不能保证土柱内部的水分均匀一致，故在测量其基质吸力时有可能出现偏差，但其变化趋势应该是正确的。

参考文献：

[1]GB50007―2012建筑地基基础设计规范[S]

[2]李斌.填方路基水分迁移规律实验研究及数值模拟[D].长沙：长沙理工大学，2008：1―67