云南红土的干湿循环特性

第1章 土体的干湿循环问题 地处西南边陲的云南，素有“红土高原”之称。其广泛分布的红土资源是当地修路、筑坝等工程的良好建筑材料，形成大量的边坡、坝坡、路基等红土型结构。在长期的运行过程中，这些红土型结构受到年复一年的降雨-干旱以及库水位的反复上升-下降产生的干湿循环作用，存在干湿循环问题。在干湿循环作用下，红土中的含水不断发生干、湿交替的变化，必然导致红土体不断发生胀缩变化，微观上表现为红土体的微结构损伤，宏观上表现为红土体的工程性能劣化，严重危及红土体结构的稳定性。而云南特有的地形、地貌、地质条件以及干湿分明、降雨集中的气候特点，加剧了干湿循环的作用程度。因此，研究干湿循环作用下云南红土的干湿循环特性，对于有效保障红土型结构的长期安全运行具有重要的现实意义。 1.1 干湿循环作用下土体的三轴剪切特性 1.1.1 不固结不排水剪切特性 1. 一般土体 关于膨胀土在干湿循环作用下的三轴不固结不排水(unconsolidated-undrained，UU)剪切特性，黄文彪和林京松(2017)通过三轴UU试验，研究了干湿循环作用对膨胀土强度特性的影响，表明随着干湿循环次数的增加，膨胀土的胀缩性降低，表面裂隙发育，抗剪强度减小。曾召田等(2015，2012)通过三轴UU试验，研究了干湿循环作用下南宁膨胀土的强度衰减规律，表明膨胀土的抗剪强度随着干湿循环次数的增加而衰减，*终趋于稳定。吕海波等(2009)通过三轴UU试验，研究了干湿循环作用对南宁膨胀土的强度特性的影响，表明随着干湿循环次数的增加，膨胀土的黏聚力减小，内摩擦角基本不变；随着含水率的增大，黏聚力和内摩擦角减小。 关于黄土在干湿循环作用下的三轴不固结不排水(UU)剪切特性，郝延周等(2021)通过三轴UU试验，研究了干湿循环作用下压实黄土的三轴剪切特性，表明干湿循环对压实黄土的剪切强度具有劣化作用，随着干湿循环次数的增加，压实黄土的应力-应变曲线呈应变硬化特征，峰值应力、黏聚力和内摩擦角均先减小后增大，循环初期变化显著，存在临界循环次数。胡长明等(2018)通过三轴UU试验，考虑初始干密度、干湿循环幅度、干湿循环下限含水率三种影响因素，研究了干湿循环作用下黄土强度的劣化特性，表明随着干湿循环次数的增加，黄土的黏聚力和内摩擦角减小；随着初始干密度的增大，黄土的黏聚力和内摩擦角增大；干湿循环作用对黄土强度的影响可用“劣化度”来描述。袁志辉等(2017，2015)通过三轴UU试验，研究了干湿循环对黄土强度的影响，表明干湿循环作用下，随含水率的增大，黄土的强度减小，呈良好的对数关系；随围压的增大，黄土的强度增大，具有良好的线性关系；多次循环后，原状黄土的强度衰减值基本等于重塑黄土的强度衰减值与结构强度之和。 关于黏土，万勇等(2015)针对填埋场封场覆盖系统压实黏土防渗结构损伤等问题，通过三轴UU试验，系统开展了干湿循环作用下压实黏土的力学特性研究，表明随着干湿循环次数的增加，压实黏土的抗剪强度呈减小趋势，其减小幅度随初始压实度和围压的增大而减小；初始变形段区间割线模量增加，末段区间割线模量大幅度降低，变化幅度随初始压实度的增加而增大。 2. 红土 关于红土在干湿循环作用下的三轴不固结不排水(UU)剪切特性，彭小平和陈开圣(2018)、陈开圣(2017)通过三轴UU试验，研究了干湿循环作用下贵州红黏土的强度特性，表明干湿循环作用显著降低了红黏土的抗剪强度指标，增大了变形指标，循环1次时影响较大，循环多次后，强度指标和变形指标趋于稳定。武泽华(2018)通过三轴UU试验，研究了干湿循环作用下贵州红黏土的不固结不排水剪切特性，表明随着干湿循环次数的增加，红黏土的黏聚力单调减小，内摩擦角在5°以内波动；随着含水率的减小以及压实度的增大，黏聚力和内摩擦角两个抗剪强度指标增大；随着温度的升高，抗剪强度指标降低；湿-干循环下抗剪强度指标的衰减速度小于干-湿循环下的相应值。李子农(2017)通过三轴UU试验，研究了不同温度下干湿循环对红黏土力学性质的影响，表明干湿循环作用下，随着循环次数的增加，红黏土的抗剪强度降低并趋于稳定；循环温度越高，抗剪强度越低；围压越大，抗剪强度越大。 关于云南红土，程富阳等(2017)通过三轴UU试验，研究了干湿循环作用下云南红土的不固结不排水剪切特性，表明随着循环次数的增加以及循环幅度的增大，干-湿循环红土的峰值应力、黏聚力和内摩擦角减小，初始弹性模量、初始孔压模量、峰值孔压增大；随着初始干密度的增大，峰值应力、初始弹性模量、黏聚力和内摩擦角增大，初始孔压模量、峰值孔压减小；随着排水条件由UU CU CD依次变化，峰值应力、初始弹性模量增大，初始孔压模量、峰值孔压减小。 1.1.2 固结不排水剪切特性 1. 一般土体 关于一般土体在干湿循环作用下的三轴固结不排水(consolidation-undrained CU)剪切特性，涂义亮等(2017)通过三轴CU试验，研究了干湿循环下粉质黏土的强度及变形特性，表明随着干湿循环次数的增加，粉质黏土的强度峰值、有效黏聚力和割线模量都逐渐降低，有效内摩擦角保持稳定。刘文化等(2017)通过三轴CU试验，研究了干湿循环过程中粉质黏土在饱和条件下的力学特性变化与历史干燥应力的关系，表明经历干湿循环作用后，粉质黏土的初始剪切刚度增大；历史干燥应力越大，初始剪切刚度增长越明显；随着历史干燥应力的增加，粉质黏土的应力-应变曲线逐渐由应变硬化型转变为应变软化型，孔隙水压力的发展由先增加后减小转变为持续增长。刘文化等(2014)通过三轴CU试验，研究了不同初始干密度下干湿循环对大连地区粉质黏土的固结不排水剪切特性的影响，表明干湿循环作用下，初始干密度较小时，粉质黏土的应力-应变曲线由应变硬化型转变为应变软化型，孔隙水压力的发展由先增大后减小转变为持续增长；初始干密度较大时，应力-应变曲线未发生明显改变，但孔隙水压力的峰值增大。 刘宏泰等(2010)通过三轴CU试验，研究了干湿循环对重塑黄土固结不排水强度特性的影响，表明干湿循环作用下，重塑黄土的抗剪强度、黏聚力和内摩擦角均随着干湿循环次数的增加而衰减，循环1次时衰减*大，循环多次后，强度趋于稳定；初始含水率越低，干湿循环对强度影响越大。曹玲和罗先启(2007)针对三峡库区千将坪滑坡滑带土，通过三轴CU试验，研究了其干湿循环条件下的固结不排水强度特性，表明随干湿循环次数的增加，滑带土的黏聚力和内摩擦角降低。高玉琴等(2006)通过三轴CU试验，研究了循环失水过程中水泥改良土的强度衰减机理，表明干湿循环作用下，循环失水后，水泥土特别是粉质黏土的强度都降低，循环2次失水过程后，强度趋于稳定。 2. 红土 关于红土在干湿循环作用下的三轴固结不排水(CU)剪切特性，侯令强和黄翔(2017)通过三轴CU试验，研究了干湿循环作用下广西红黏土力学性质影响因素的显著性和交互作用，表明干湿循环作用对红黏土的黏聚力的影响较大，内摩擦角变化不明显；干湿循环次数、初始干密度、围压以及初始干密度与围压的交互作用对重塑红黏土割线模量的影响显著，初始干密度、围压对重塑红黏土峰值应力的影响显著，而干湿循环以及这些因素之间的两两交互影响较弱。 关于云南红土，周丹等(2019)以脱湿过程、增湿过程以及干-湿循环过程作为控制条件，通过三轴CU试验，研究了脱湿红土、增湿红土以及干-湿循环红土的固结不排水剪切特性，表明干湿循环作用下，随着脱湿时间、增湿时间的延长，以及干-湿循环次数的增加，脱湿红土、增湿红土以及干-湿循环红土的峰值应力减小；随着初始干密度和围压的增大，峰值应力增大。 1.1.3 固结排水剪切特性 1. 一般土体 关于一般土体在干湿循环作用下的三轴固结排水(consolidation-drain，CD)剪切特性，肖杰等(2019)针对膨胀土边坡塌滑多呈浅层性，以广西百色膨胀土为研究对象，通过三轴CD试验，研究了干湿循环及围压对膨胀土的应力-应变特性的影响，表明各级围压下，干湿循环作用引起膨胀土的应力-应变曲线均呈应变硬化特征；围压越大，初始模量越大，主应力差越大；随干湿循环次数的增加，膨胀土的黏聚力显著减小，内摩擦角变化微小。段涛(2009)通过三轴CD试验，研究了干湿循环作用下黄土强度的劣化特性，表明随着干湿循环次数的增加，黄土的抗剪强度降低，脆性增强。吴文(2018)通过三轴CD试验，研究了干湿循环作用对花岗岩残积土的剪切特性的影响，表明干湿循环1次时，残积土的黏聚力和内摩擦角两个抗剪强度指标的衰减率*大，随后趋于平缓。Sayem(2016)通过三轴CD试验，研究了干湿循环作用下原状残积土的固结排水剪切特性，表明随着干湿循环次数的增加，残积土的抗剪强度指标减小，内摩擦角的降低程度小于黏聚力的降低程度。 2. 红土 关于红土在干湿循环作用下的三轴固结排水(CD)剪切特性，周昊(2019)针对广西红黏土，通过三轴CD试验，开展了干湿循环下的固结排水特性研究，表明干湿循环作用引起红黏土的抗剪强度发生衰减，随着干湿循环次数的增加，抗剪强度的衰减幅度减小，*后趋于稳定。穆坤等(2016)通过三轴CD试验，研究了干湿循环作用下广西红黏土的剪切特性，表明随着干湿循环次数的增加，广西红黏土的黏聚力和内摩擦角呈衰减趋势，首次循环衰减*大，后趋于稳定。 关于云南红土，贺登芳等(2021)先针对干湿循环作用下的膨胀土、黄土等不同土类，就干湿循环次数、干湿循环幅度、初始干密度、含水率等影响因素，分析总结了不固结不排水(UU)、固结不排水(CU)以及固结排水(CD)条件下的三轴剪切特性；再通过三轴CD试验，研究了干湿循环作用下云南红土的固结排水剪切特性，表明随着循环次数的增加，以及循环幅度的增大，干-湿循环红土的峰值应力减小；随着初始干密度的增大，以及围压的增大，干-湿循环红土的峰值应力增大。 1.1.4 非饱和三轴剪切特性 以上的三轴UU、CU、CD试验研究针对的是干湿循环作用下的饱和土体，关于非饱和土体，张沛云(2019)以兰州黄土为研究对象，采用威克姆?法兰斯公司(Wykeham Farrance Ltd.)非饱和土三轴仪，研究了干湿循环条件下重塑非饱和黄土的强度特性，表明经历干湿循环作用后，非饱和黄土更易发生剪切破坏，吸力越大，循环次数越多，破坏越明显；随着干湿循环次数的增加，非饱和黄土的黏聚力和内摩擦角两个抗剪强度参数均减小，循环1次时影响较大。张芳枝和陈小平(2010)采用非饱和土三轴仪，研究了反复干湿循环作用对非饱和黏土的变形和强度特性的影响，表明干湿循环作用引起非饱和黏土的有效内摩擦角降低，力学特性的变化不可逆转。汪东林等(2007)采用全球数字系统公司(Global Digital Systems Ltd.)非饱和土三轴仪，开展了非饱和重塑黏土的干湿循环试验研究，表明在较低的净平均应力下，试样发生膨胀；在较高的净平均应力下，试样发生膨胀后产生一定的坍塌。施水彬(2007)开展了干湿循环作用下非饱和膨胀土的三轴试验，研究了合肥非饱和膨胀土的干湿循环强度特性，表明任何一次循环阶段，随着围压的增大，以及吸力的增大，非饱和膨胀土的抗剪强度增大；随着循环次数的增加，非饱和膨胀土的抗剪强度发生衰减，前2次循环影响较大，5次循环后强度趋于稳定。胡大为(2017)通过非饱和三轴试验，研究了干湿循环作用下贵州非饱和红黏土的强度特性，表明干湿循环作用下，非饱和红黏土的破坏形式属于应变硬化型，其抗剪强度随干湿循环的次数增多而降低。 1.2 干湿循环作用下土体的直接剪切特性 1.2.1 一般土体 关于膨胀土在干湿循环作用下的直接剪切特性，边加敏(2018)通过直剪试验，研究了干湿循环作用下南京弱膨胀土的直剪强度特性，表明随着干湿循环次数的增多，弱膨胀土的黏聚