干湿循环作用下压实黏土的力学特性试验研究

干湿循环作用下压实黏土的力学特性试验研究

黄家禾,朱清莹,宋可,闵轶哲,谭林波

（湖北文理学院 土木工程与建筑学院 湖北襄阳）

【摘 要】在大学生创新创业项目（X202210519034）资助下，针对干湿循环作用下压实黏土衬垫开裂失效等问题，开展了不同干密度、含水率及干湿循环次数等因素影响下压实黏土（CCL）固结和直剪特性室内试验。研究结果表明：干湿循环作用下，对不同含水率的试样的力学特性宏观表现为随干湿循环次数的增加，压缩系数增大，土的压缩性越高，抗压性能越弱。土样的内摩擦角和内黏聚力呈减小趋势，抗剪强度显著降低。

【关键词】压实黏土衬垫；干湿循环；压缩系数；抗剪强度；室内试验

1 引言

压实黏土衬垫（CCL）是填埋场封场覆盖系统的主要材料，其具有施工简单、建造和后期维护费用低等优点。CCL作为填埋场表层材料，其力学性质受季节性干湿循环作用影响显著，易发生开裂产生裂隙，使其内部结构完整性逐渐丧失，其力学特性发生不可逆转的变化，严重时将会导致封场覆盖系统发生整体破坏失稳等工程问题，从而影响垃圾填埋场的安全运营。因此，开展干湿循环作用下压实黏土衬垫的力学特性研究具有重要意义。本文根据《土工试验方法标准》规定的实验流程，采用固结仪、直剪仪开展了不同干湿循环作用次数、不同含水率下CCL的力学性质实验，初步探讨了干湿循环作用对其力学特性的影响规律。

2 试验材料与方法

2.1试样制备

根据《土工试验方法标准》的规定，将所取土样烘干粉碎分别制作含水率为25%、30%、35%的三组土样，且其干密度分别为1.53、1.431、1.354g/cm³，孔隙比分别为0.765、0.887、0.994，比重2.70。

2.2 试验方案和方法

本次试验对其三种不同含水率的土样分别开展了0、1、3、5次干湿循环次数下CCL试样的固结实验和直剪实验，采用鼓风式烘干箱干燥与人工浸水饱和相结合的实验方法实现室内模拟干湿循环气候环境。

干燥过程采用鼓风烘干箱模拟，将鼓风烘干箱的温度设置为35℃左右持续时间为12h，吸水饱和过程采用人工浸水饱和的方式使试样饱和，持续时间24h。循环过程由饱和状态到干燥状态再到饱和状态为一次干湿循环，多次重复则为多次干湿循环过程。压缩试验荷载按12.5,25,50,100,200,300,400kPa分级加压，在各级荷载加载后，按照规定时间和加载顺序记录土样沉降的百分表读数。直剪试验分别对四个试样进行荷载为50,100,200,400kPa加载，每隔十秒记录一次百分表读数，直到土样到达剪切极限状态。

3 试验结果与分析

3.1 干湿循环作用下CCL压缩系数变化规律

图1是25%、30%、35%含水率土样在0、1、3、5干湿循环次数下试样压缩系数的变化规律。

图1 干湿循环作用下压实黏土衬垫的压缩系数曲线

由图1可知，12组压实黏土衬垫试验试样均为高压缩性土，以含水率为影响因素可观察出，不同循环次数下各组试样压缩系数随含水率的增大而增大，以循环次数为影响因素可观察出，不同含水率各组试样压缩系数随循环次数增多而增大；同理，由图2可知，压缩模量均随含水率和循环次数的增加而减小。可见，干湿循环次数对土样结构完整性有明显的削弱作用，使其试样产生裂隙，试样脆性增大，在承受荷载时更易产生破坏。

3.2 干湿循环作用下CCL抗剪强度变化规律

图2和图3分别是试样内黏聚力、内摩擦角的变化规律。

图2 干湿循环作用下CCL的内黏聚变化     图3干湿循环作用下CCL的内摩擦角变化

图2和图3表明，试样的内黏聚力和内摩擦角随含水率的增大、干湿循环次数的增加而降低，而内黏聚力的降低趋势较为显著；根据试验数据曲线，试样内摩擦角在含水率增加下并没有显著规律，但随循环次数的增加降低。综合试验数据表明，试样的抗剪强度在相同干湿循环次数下，随含水率的增高而降低，在相同含水率下，随干湿循环次数的增加而减小。干湿循环作用导致土体内黏聚力下降，土体松散，密实度降低，完整性被破坏，进而使得在土体水分降低过程中更容易产生裂缝，土体抗剪强度降低。

4 结 论

本文开展了含水率为25%、30%、35%的压实黏土衬垫试样在0、1、3、5次干湿循环作用下的压缩试验和剪切试验，得到以下结论:

（1）含水率对土样压缩性有明显影响，含水率增大压缩性增加，含水率降低压缩性降低；在干湿循环作用下，土体压缩性显著提高。

（2）含水率对土样的内黏聚力显著降低，对其内摩擦角影响不显著；干湿循环作用对土样的抗剪强度有显著影响，随干湿循环次数增加，土体抗剪强度显著降低，对其土体内黏聚力的削弱程度较内摩擦角为更明显。

参考文献：

[1]吴珺华，杨松.干湿循环下膨胀土基质吸力测定及其对抗剪强度影响试验研究[J].岩土力学，2017,38(03):678-684.

[2]徐丹，唐朝生，冷挺，等.干湿循环对非饱和膨胀土抗剪强度影响的试验研究[J].地学前,2018,25(01):286-296.

[3]中华人民共和国水利部.GB/T50123-2019土工试验方法标准[S].北京；中国计划出版社，2019.