干濕循環(huán)累計(jì)損傷下膨脹土持水特性的多維度解析與模型構(gòu)建

干濕循環(huán)累計(jì)損傷下膨脹土持水特性的多維度解析與模型構(gòu)建一、引言1.1研究背景與意義膨脹土作為一種特殊的黏性土，因其顯著的脹縮特性，在工程建設(shè)中一直是備受關(guān)注的難題。這類(lèi)土含有較多的蒙脫石、伊利石等強(qiáng)親水性黏土礦物，具有遇水膨脹、失水收縮的特性，并且在環(huán)境干濕交替的作用下，體積會(huì)明顯脹縮，強(qiáng)度會(huì)急劇衰減，性質(zhì)極不穩(wěn)定，素有工程“癌癥”之稱(chēng)。在我國(guó)，膨脹土分布廣泛，幾乎涵蓋了除南海以外的全部陸地，以廣西、云南、湖北、河南等省分布最為廣泛。這種特殊的土質(zhì)給道路、橋梁、房屋建筑、水利工程等各類(lèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。在道路工程中，膨脹土路基受降雨、蒸發(fā)等自然環(huán)境影響而產(chǎn)生脹縮變形，會(huì)引起路面結(jié)構(gòu)不平整或開(kāi)裂、路基變形等危害，嚴(yán)重影響道路的使用壽命和行車(chē)安全。在房屋建筑領(lǐng)域，膨脹土的脹縮變形可能導(dǎo)致建筑物的開(kāi)裂、不均勻沉降，威脅到建筑物的結(jié)構(gòu)安全。水利工程中的渠道、堤壩等結(jié)構(gòu)，若建于膨脹土地區(qū)，也容易因膨脹土的特性而出現(xiàn)滲漏、滑坡等問(wèn)題，影響水利設(shè)施的正常運(yùn)行。在自然環(huán)境中，膨脹土長(zhǎng)期經(jīng)受干濕循環(huán)作用。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸劣化，產(chǎn)生累積損傷。這種累積損傷不僅改變了膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)，如強(qiáng)度、剛度、壓縮性等，還對(duì)其持水特性產(chǎn)生顯著影響。持水特性是指土壤保持水分的能力以及水分在土壤中遷移的特性，它對(duì)于理解膨脹土的工程性質(zhì)、預(yù)測(cè)其在不同環(huán)境條件下的行為至關(guān)重要。例如，在降雨入滲過(guò)程中，膨脹土的持水特性決定了水分在土體中的滲透深度和分布情況，進(jìn)而影響土體的飽和度和孔隙水壓力，最終對(duì)土體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。然而，目前對(duì)于考慮干濕循環(huán)累計(jì)損傷效應(yīng)下膨脹土持水特性的研究仍存在不足。大多數(shù)研究?jī)H關(guān)注干濕循環(huán)對(duì)膨脹土某一方面性質(zhì)的影響，缺乏對(duì)累積損傷效應(yīng)全面系統(tǒng)的分析，未能充分揭示干濕循環(huán)累計(jì)損傷與膨脹土持水特性之間的內(nèi)在聯(lián)系。因此，深入研究考慮干濕循環(huán)累計(jì)損傷效應(yīng)的膨脹土持水特性具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。從理論角度看，有助于完善膨脹土力學(xué)理論體系，深化對(duì)膨脹土在復(fù)雜環(huán)境條件下特性演變規(guī)律的認(rèn)識(shí)；從工程應(yīng)用角度講，能夠?yàn)榕蛎浲恋貐^(qū)的工程設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，有效降低工程風(fēng)險(xiǎn)，減少因膨脹土問(wèn)題導(dǎo)致的工程病害和經(jīng)濟(jì)損失。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1膨脹土持水特性研究現(xiàn)狀持水特性是膨脹土的重要性質(zhì)之一，它直接影響著膨脹土的工程行為。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)膨脹土持水特性進(jìn)行了大量研究，主要集中在持水曲線的測(cè)定、持水特性的影響因素以及持水模型的建立等方面。持水曲線是描述土壤基質(zhì)吸力與含水率之間關(guān)系的曲線，它是研究膨脹土持水特性的重要工具。常用的持水曲線測(cè)定方法有張力計(jì)法、壓力板儀法、濾紙法等。張力計(jì)法操作簡(jiǎn)單，但測(cè)量范圍有限，一般適用于基質(zhì)吸力較低的情況；壓力板儀法測(cè)量精度高，可測(cè)量較高的基質(zhì)吸力，但設(shè)備昂貴，操作復(fù)雜；濾紙法是一種間接測(cè)量方法，通過(guò)測(cè)量濾紙與土樣平衡后的含水率來(lái)推算土樣的基質(zhì)吸力，該方法操作簡(jiǎn)便，成本較低，但測(cè)量精度相對(duì)較低。眾多學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了膨脹土持水特性的影響因素，發(fā)現(xiàn)土的礦物成分、顆粒級(jí)配、密度、孔隙結(jié)構(gòu)等對(duì)其持水特性有顯著影響。蒙脫石含量高的膨脹土，其持水能力較強(qiáng)，因?yàn)槊擅撌哂休^大的比表面積和較強(qiáng)的親水性，能夠吸附更多的水分。土的密度越大，孔隙越小，水分在土體中的遷移阻力越大，持水能力也相應(yīng)增強(qiáng)。此外，土體的初始含水率、應(yīng)力狀態(tài)等外部因素也會(huì)對(duì)膨脹土的持水特性產(chǎn)生影響。在持水模型建立方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種模型來(lái)描述膨脹土的持水曲線，如VanGenuchten模型、Fredlund-Xing模型等。VanGenuchten模型形式簡(jiǎn)單，參數(shù)較少，在工程中應(yīng)用較為廣泛，但該模型在描述高吸力段的持水特性時(shí)存在一定局限性。Fredlund-Xing模型則在一定程度上改進(jìn)了VanGenuchten模型，能夠更好地?cái)M合膨脹土在高吸力段的持水曲線。1.2.2干濕循環(huán)對(duì)膨脹土性質(zhì)影響的研究現(xiàn)狀干濕循環(huán)是影響膨脹土工程性質(zhì)的重要因素之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)干濕循環(huán)對(duì)膨脹土性質(zhì)的影響開(kāi)展了廣泛研究，主要涉及體積變形、力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)等方面。在體積變形方面，研究表明干濕循環(huán)會(huì)導(dǎo)致膨脹土產(chǎn)生明顯的干縮和濕脹變形。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土的干縮應(yīng)變和濕脹應(yīng)變逐漸增大，且干縮變形主要發(fā)生在土體表層，而濕脹變形則在土體內(nèi)部較為明顯。這種體積變形的累積會(huì)導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的破壞和劣化。干濕循環(huán)對(duì)膨脹土的力學(xué)性能也有顯著影響。大量實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土的強(qiáng)度逐漸降低，抗剪強(qiáng)度參數(shù)如黏聚力和內(nèi)摩擦角減小，彈性模量和剪切模量也隨之減小。這是因?yàn)楦蓾裱h(huán)過(guò)程中土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，顆粒間的聯(lián)結(jié)力減弱，從而導(dǎo)致力學(xué)性能下降。微觀結(jié)構(gòu)方面，通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）、壓汞儀（MIP）等技術(shù)手段，研究發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)會(huì)使膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，孔隙數(shù)量增加，孔隙尺寸增大，顆粒排列更加松散，這些微觀結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)一步解釋了干濕循環(huán)對(duì)膨脹土宏觀性質(zhì)的影響機(jī)制。1.2.3研究現(xiàn)狀總結(jié)與不足綜上所述，目前關(guān)于膨脹土持水特性以及干濕循環(huán)對(duì)膨脹土性質(zhì)影響的研究已取得了豐碩成果，但仍存在一些不足之處。在持水特性研究方面，雖然已有多種持水模型，但這些模型大多基于理想條件建立，對(duì)于實(shí)際工程中復(fù)雜的膨脹土特性考慮不夠全面，模型的適用性和準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提高。在干濕循環(huán)影響研究中，雖然對(duì)干濕循環(huán)下膨脹土的體積變形、力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)變化有了一定認(rèn)識(shí)，但對(duì)于干濕循環(huán)累計(jì)損傷效應(yīng)的量化研究還相對(duì)較少，缺乏系統(tǒng)的理論和方法來(lái)描述累積損傷對(duì)膨脹土性質(zhì)的影響。此外，現(xiàn)有研究大多將膨脹土持水特性與干濕循環(huán)累計(jì)損傷效應(yīng)分開(kāi)進(jìn)行，較少考慮兩者之間的耦合關(guān)系，難以全面揭示膨脹土在復(fù)雜環(huán)境下的持水特性演變規(guī)律。因此，開(kāi)展考慮干濕循環(huán)累計(jì)損傷效應(yīng)的膨脹土持水特性研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義，有望為膨脹土地區(qū)的工程建設(shè)提供更科學(xué)、準(zhǔn)確的理論依據(jù)。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究主要圍繞考慮干濕循環(huán)累計(jì)損傷效應(yīng)的膨脹土持水特性展開(kāi)，具體內(nèi)容如下：膨脹土基本性質(zhì)試驗(yàn)：對(duì)取自典型膨脹土地區(qū)的土樣進(jìn)行基本物理性質(zhì)測(cè)試，包括顆粒分析、液塑限試驗(yàn)、比重試驗(yàn)等，以確定膨脹土的顆粒級(jí)配、塑性指數(shù)、比重等基本物理參數(shù)。同時(shí)，采用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）等技術(shù)分析膨脹土的礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)，為后續(xù)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。干濕循環(huán)試驗(yàn)：設(shè)計(jì)不同干濕循環(huán)次數(shù)和干濕條件的試驗(yàn)方案，對(duì)膨脹土試樣進(jìn)行干濕循環(huán)處理。在干濕循環(huán)過(guò)程中，測(cè)量試樣的重量、體積變化，記錄膨脹土的脹縮變形情況，分析干濕循環(huán)次數(shù)、干濕條件對(duì)膨脹土脹縮特性的影響規(guī)律。持水特性試驗(yàn)：運(yùn)用壓力板儀、張力計(jì)等設(shè)備，測(cè)定經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)后膨脹土的持水曲線，獲取基質(zhì)吸力與含水率之間的關(guān)系數(shù)據(jù)。同時(shí)，研究不同初始含水率、干密度等因素對(duì)膨脹土持水曲線的影響，分析持水特性在干濕循環(huán)作用下的變化規(guī)律。微觀結(jié)構(gòu)與累計(jì)損傷分析：借助掃描電子顯微鏡（SEM）、壓汞儀（MIP）等微觀測(cè)試手段，觀察干濕循環(huán)前后膨脹土微觀結(jié)構(gòu)的變化，如孔隙形態(tài)、大小分布、顆粒排列等?；谖⒂^結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立膨脹土干濕循環(huán)累計(jì)損傷模型，量化累計(jì)損傷程度，探討微觀結(jié)構(gòu)變化與累計(jì)損傷之間的內(nèi)在聯(lián)系。持水特性與累計(jì)損傷耦合關(guān)系研究：結(jié)合干濕循環(huán)試驗(yàn)、持水特性試驗(yàn)以及微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，研究干濕循環(huán)累計(jì)損傷對(duì)膨脹土持水特性的影響機(jī)制。通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬，建立考慮干濕循環(huán)累計(jì)損傷效應(yīng)的膨脹土持水模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)膨脹土持水特性的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。1.3.2研究方法本研究綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬等方法，全面深入地探討考慮干濕循環(huán)累計(jì)損傷效應(yīng)的膨脹土持水特性。實(shí)驗(yàn)研究方法：室內(nèi)土工試驗(yàn)：通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)獲取膨脹土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)和力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，如比重、液塑限、壓縮性、抗剪強(qiáng)度等。采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，嚴(yán)格控制試驗(yàn)條件，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。干濕循環(huán)模擬試驗(yàn)：在室內(nèi)模擬自然環(huán)境中的干濕循環(huán)過(guò)程，對(duì)膨脹土試樣進(jìn)行反復(fù)的干燥和濕潤(rùn)處理?？刂聘蓾裱h(huán)的次數(shù)、濕度范圍、溫度等條件，研究干濕循環(huán)對(duì)膨脹土脹縮特性、力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。持水特性測(cè)試試驗(yàn)：運(yùn)用壓力板儀、張力計(jì)等設(shè)備，直接測(cè)量膨脹土在不同基質(zhì)吸力下的含水率，從而得到膨脹土的持水曲線。同時(shí)，采用濾紙法等間接方法進(jìn)行驗(yàn)證，確保持水特性數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試試驗(yàn)：利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察膨脹土微觀結(jié)構(gòu)的變化，分析孔隙形態(tài)、顆粒排列等特征；采用壓汞儀（MIP）測(cè)定膨脹土的孔隙大小分布，獲取孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，為微觀結(jié)構(gòu)與累計(jì)損傷分析提供數(shù)據(jù)支持。理論分析方法：基于土力學(xué)原理的分析：運(yùn)用土力學(xué)中的有效應(yīng)力原理、滲流理論等，分析干濕循環(huán)過(guò)程中膨脹土的力學(xué)響應(yīng)和水分遷移規(guī)律，探討干濕循環(huán)累計(jì)損傷對(duì)膨脹土持水特性的影響機(jī)制。損傷力學(xué)理論應(yīng)用：引入損傷力學(xué)理論，建立膨脹土干濕循環(huán)累計(jì)損傷模型，通過(guò)損傷變量描述膨脹土在干濕循環(huán)作用下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化程度，分析累計(jì)損傷與持水特性之間的關(guān)系。持水模型建立與改進(jìn)：在已有持水模型的基礎(chǔ)上，考慮干濕循環(huán)累計(jì)損傷效應(yīng)，對(duì)持水模型進(jìn)行改進(jìn)和完善。通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，確定模型參數(shù)，提高模型對(duì)膨脹土持水特性的預(yù)測(cè)精度。數(shù)值模擬方法：有限元數(shù)值模擬：利用有限元軟件，建立膨脹土在干濕循環(huán)條件下的數(shù)值模型?？紤]膨脹土的非線性力學(xué)特性、水分遷移特性以及干濕循環(huán)累計(jì)損傷效應(yīng)，模擬膨脹土在不同工況下的變形、應(yīng)力分布和水分運(yùn)移情況，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，進(jìn)一步分析膨脹土持水特性的演變規(guī)律。多場(chǎng)耦合數(shù)值模擬：考慮溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等多場(chǎng)之間的相互作用，建立多場(chǎng)耦合的數(shù)值模型，模擬膨脹土在復(fù)雜環(huán)境條件下的持水特性變化，為工程實(shí)際提供更準(zhǔn)確的理論依據(jù)。二、膨脹土基本特性及干濕循環(huán)損傷理論2.1膨脹土的物質(zhì)組成與基本物理力學(xué)性質(zhì)膨脹土作為一種特殊的黏性土，其物質(zhì)組成和基本物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)其工程特性有著重要影響。了解這些性質(zhì)是研究膨脹土在干濕循環(huán)作用下持水特性變化的基礎(chǔ)。2.1.1礦物成分膨脹土的礦物成分主要由黏土礦物和少量的非黏土礦物組成，其中黏土礦物對(duì)膨脹土的特性起主導(dǎo)作用。黏土礦物中，蒙脫石、伊利石和高嶺石是最為常見(jiàn)的三種礦物，它們的含量和性質(zhì)差異決定了膨脹土的脹縮性、親水性等特性。蒙脫石是膨脹土中對(duì)脹縮性影響最為顯著的礦物。它具有較大的比表面積和較高的陽(yáng)離子交換容量，能夠吸附大量的水分子。蒙脫石的晶體結(jié)構(gòu)由兩層硅氧四面體和一層鋁氧八面體組成，層間存在可交換的陽(yáng)離子，如鈉離子、鈣離子等。當(dāng)蒙脫石遇水時(shí)，水分子進(jìn)入層間，導(dǎo)致層間距增大，從而使土體產(chǎn)生膨脹；失水時(shí)，層間水分子排出，層間距減小，土體發(fā)生收縮。研究表明，蒙脫石含量越高，膨脹土的脹縮性越強(qiáng)。例如，當(dāng)蒙脫石含量超過(guò)30%時(shí)，膨脹土往往表現(xiàn)出較強(qiáng)的膨脹性和收縮性。伊利石的晶體結(jié)構(gòu)與蒙脫石類(lèi)似，但層間的陽(yáng)離子以鉀離子為主，鉀離子的存在使得伊利石的層間結(jié)合力較強(qiáng)，水分子較難進(jìn)入層間，因此伊利石的親水性和脹縮性相對(duì)較弱。然而，伊利石含量的增加仍會(huì)對(duì)膨脹土的性質(zhì)產(chǎn)生一定影響，如增加土體的黏性和塑性。高嶺石的晶體結(jié)構(gòu)為一層硅氧四面體和一層鋁氧八面體組成的1:1型結(jié)構(gòu)，其層間結(jié)合力較強(qiáng)，且不存在可交換的陽(yáng)離子，因此高嶺石的親水性和脹縮性較弱。在膨脹土中，高嶺石含量的增加通常會(huì)降低膨脹土的脹縮性。除了上述三種主要黏土礦物外，膨脹土中還可能含有少量的綠泥石、蛭石等黏土礦物，以及石英、長(zhǎng)石、云母等非黏土礦物。這些礦物的含量和分布也會(huì)對(duì)膨脹土的性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。2.1.2顆粒組成膨脹土的顆粒組成對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)有著重要影響。顆粒組成主要包括砂粒、粉粒和黏粒的含量比例。一般來(lái)說(shuō)，膨脹土中黏粒含量較高，通常大于30%，粉粒含量次之，砂粒含量較少。黏粒由于其粒徑細(xì)小，比表面積大，表面能高，具有較強(qiáng)的吸附能力和可塑性。黏粒含量的增加使得膨脹土的親水性增強(qiáng)，更容易吸附水分子，從而導(dǎo)致土體的膨脹和收縮變形。同時(shí)，黏粒之間的相互作用也會(huì)影響土體的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，使膨脹土具有較高的黏性和較低的透水性。粉粒的粒徑介于砂粒和黏粒之間，其性質(zhì)介于兩者之間。粉粒含量的增加會(huì)使膨脹土的透水性有所提高，但仍相對(duì)較低。同時(shí)，粉粒對(duì)膨脹土的強(qiáng)度和變形也有一定的影響，適量的粉粒可以增加土體的骨架作用，提高土體的穩(wěn)定性。砂粒粒徑較大，比表面積小，表面能低，吸附能力較弱。砂粒含量的增加會(huì)使膨脹土的透水性增強(qiáng)，降低土體的黏性和可塑性。在膨脹土中，砂粒主要起到骨架作用，但其含量過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性下降。2.1.3基本物理性質(zhì)密度：膨脹土的密度包括天然密度、干密度和飽和密度等。天然密度是指在天然狀態(tài)下單位體積土體的質(zhì)量，它反映了土體的密實(shí)程度和組成情況。干密度是指土樣在105-110℃下烘干至恒重時(shí)的單位體積質(zhì)量，它是評(píng)價(jià)土體壓實(shí)程度和工程性質(zhì)的重要指標(biāo)。飽和密度是指土體孔隙完全被水充滿(mǎn)時(shí)的單位體積質(zhì)量。一般來(lái)說(shuō)，膨脹土的天然密度在1.8-2.0g/cm3之間，干密度在1.5-1.7g/cm3之間。密度的大小與土體的顆粒組成、礦物成分、含水量等因素有關(guān)。例如，黏粒含量較高的膨脹土，其密度相對(duì)較?。欢吭黾訒?huì)使土體的密度增大。含水率：含水率是指土體中所含水分的質(zhì)量與土顆粒質(zhì)量之比，以百分?jǐn)?shù)表示。膨脹土的含水率變化范圍較大，受氣候、地形、地下水等因素的影響。在天然狀態(tài)下，膨脹土的含水率一般在20%-40%之間。含水率是影響膨脹土脹縮性的關(guān)鍵因素之一，當(dāng)含水率發(fā)生變化時(shí)，膨脹土?xí)l(fā)生膨脹或收縮變形。例如，當(dāng)含水率增加時(shí)，土體中的水分子增多，礦物顆粒表面的水化膜增厚，顆粒間的距離增大，從而導(dǎo)致土體膨脹；反之，當(dāng)含水率降低時(shí)，土體失水，水化膜變薄，顆粒間的距離減小，土體發(fā)生收縮。液塑限：液限是指土體由流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭伤軤顟B(tài)時(shí)的界限含水率，塑限是指土體由可塑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)時(shí)的界限含水率。液塑限是評(píng)價(jià)膨脹土黏性和可塑性的重要指標(biāo)，通常用液限和塑限的差值即塑性指數(shù)來(lái)表示土體的塑性大小。膨脹土的液限一般較高，通常大于40%，塑性指數(shù)也較大，一般在17-30之間。液塑限的大小與土體的礦物成分、顆粒組成等因素有關(guān)。例如，蒙脫石含量高的膨脹土，其液限和塑性指數(shù)通常較大，表明土體的黏性和可塑性較強(qiáng)。2.1.4基本力學(xué)性質(zhì)壓縮性：膨脹土的壓縮性是指土體在壓力作用下體積減小的特性。一般采用壓縮系數(shù)和壓縮模量來(lái)衡量膨脹土的壓縮性。壓縮系數(shù)是指在一定壓力范圍內(nèi)，土體孔隙比的減小值與有效壓力的增加值之比，壓縮系數(shù)越大，表明土體的壓縮性越高。壓縮模量是指土體在側(cè)限條件下，豎向應(yīng)力與豎向應(yīng)變之比，壓縮模量越大，表明土體的壓縮性越低。膨脹土在天然狀態(tài)下，由于其結(jié)構(gòu)較為緊密，壓縮性一般較低。但在干濕循環(huán)作用下，土體結(jié)構(gòu)逐漸破壞，孔隙增多，壓縮性會(huì)逐漸增大。例如，經(jīng)過(guò)多次干濕循環(huán)后，膨脹土的壓縮系數(shù)可能會(huì)增大1-2倍，壓縮模量則會(huì)減小1-2倍。剪切強(qiáng)度：剪切強(qiáng)度是指土體抵抗剪切破壞的能力，通常用黏聚力和內(nèi)摩擦角來(lái)表示。黏聚力是指土體顆粒之間的膠結(jié)力和摩擦力，內(nèi)摩擦角是指土體顆粒之間的摩擦阻力。膨脹土的剪切強(qiáng)度受多種因素的影響，如礦物成分、顆粒組成、含水率、密度、結(jié)構(gòu)等。在天然狀態(tài)下，膨脹土的剪切強(qiáng)度較高，但隨著含水率的增加，土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角會(huì)逐漸減小，剪切強(qiáng)度降低。干濕循環(huán)作用也會(huì)對(duì)膨脹土的剪切強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，顆粒間的聯(lián)結(jié)力減弱，黏聚力和內(nèi)摩擦角逐漸減小，剪切強(qiáng)度不斷降低。例如，有研究表明，經(jīng)過(guò)10次干濕循環(huán)后，膨脹土的黏聚力可能會(huì)降低30%-50%，內(nèi)摩擦角可能會(huì)降低10%-20%。2.2干濕循環(huán)對(duì)膨脹土的損傷機(jī)制2.2.1微觀結(jié)構(gòu)損傷在自然環(huán)境中，膨脹土頻繁經(jīng)歷干濕循環(huán)作用，這對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）、壓汞儀（MIP）等先進(jìn)技術(shù)手段，可以深入觀察和分析干濕循環(huán)過(guò)程中膨脹土微觀結(jié)構(gòu)的變化。在干燥過(guò)程中，膨脹土中的水分逐漸蒸發(fā)，土體顆粒間的有效應(yīng)力增加。由于土顆粒的不均勻收縮，顆粒間產(chǎn)生相對(duì)位移和應(yīng)力集中。這種應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致土顆粒之間的聯(lián)結(jié)逐漸破壞，原本緊密排列的顆粒結(jié)構(gòu)變得松散。同時(shí)，隨著水分的減少，土體內(nèi)部孔隙中的毛細(xì)水彎月面曲率增大，產(chǎn)生的毛細(xì)吸力也隨之增大。這種毛細(xì)吸力會(huì)進(jìn)一步加劇土顆粒之間的分離，使得孔隙逐漸增大。當(dāng)膨脹土再次濕潤(rùn)時(shí)，水分子迅速進(jìn)入土體，土顆粒表面的水化膜增厚。由于不同部位的土顆粒吸水速度和膨脹程度存在差異，導(dǎo)致土體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的膨脹應(yīng)力。這種膨脹應(yīng)力會(huì)使原本已經(jīng)松散的顆粒結(jié)構(gòu)進(jìn)一步變形，顆粒間的排列更加紊亂。在干濕循環(huán)的反復(fù)作用下，膨脹土的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化?？紫稊?shù)量不斷增加，大孔隙的比例逐漸增大，孔隙形狀也變得更加復(fù)雜，呈現(xiàn)出不規(guī)則的形態(tài)。有研究表明，經(jīng)過(guò)多次干濕循環(huán)后，膨脹土的孔隙率可增加10%-20%，平均孔徑增大2-3倍。孔隙結(jié)構(gòu)的這種變化對(duì)膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。一方面，孔隙率的增加和孔徑的增大使得土體的滲透性增強(qiáng)，水分更容易在土體中遷移，這不僅會(huì)影響膨脹土的持水特性，還可能導(dǎo)致土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性下降；另一方面，土顆粒排列的紊亂和聯(lián)結(jié)的破壞削弱了土體的骨架作用，使得土體在受力時(shí)更容易發(fā)生變形和破壞。此外，干濕循環(huán)還會(huì)導(dǎo)致膨脹土微觀結(jié)構(gòu)中的微裂隙發(fā)育。在干燥過(guò)程中，由于土體的收縮變形，內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)土體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生微裂隙。這些微裂隙在濕潤(rùn)過(guò)程中會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展和連通，形成更加復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)。微裂隙的存在不僅增加了土體的滲透性，還降低了土體的抗剪強(qiáng)度，使得膨脹土更容易發(fā)生滑坡、坍塌等工程病害。2.2.2宏觀力學(xué)性能劣化隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土的宏觀力學(xué)性能呈現(xiàn)出明顯的劣化趨勢(shì)。這種劣化主要表現(xiàn)在強(qiáng)度降低和變形增大兩個(gè)方面，對(duì)膨脹土地區(qū)的工程建設(shè)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。強(qiáng)度降低是干濕循環(huán)作用下膨脹土宏觀力學(xué)性能劣化的重要表現(xiàn)之一。通過(guò)室內(nèi)直剪試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)等力學(xué)試驗(yàn)方法，可以清晰地觀察到干濕循環(huán)對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土的黏聚力和內(nèi)摩擦角逐漸減小。這是因?yàn)楦蓾裱h(huán)導(dǎo)致土體微觀結(jié)構(gòu)破壞，顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)減少，顆粒間的摩擦力和咬合力降低，從而使得土體的抗剪強(qiáng)度下降。有研究數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過(guò)5次干濕循環(huán)后，膨脹土的黏聚力可能降低20%-30%，內(nèi)摩擦角降低5°-10°；經(jīng)過(guò)10次干濕循環(huán)后，黏聚力可降低40%-50%，內(nèi)摩擦角降低10°-15°。在工程實(shí)際中，膨脹土強(qiáng)度的降低可能導(dǎo)致建筑物基礎(chǔ)的承載能力下降，引發(fā)建筑物的不均勻沉降和開(kāi)裂。在道路工程中，膨脹土路基強(qiáng)度的降低會(huì)導(dǎo)致路面出現(xiàn)裂縫、坑洼等病害，影響道路的使用壽命和行車(chē)安全。除了強(qiáng)度降低，干濕循環(huán)還會(huì)使膨脹土的變形增大。在干濕循環(huán)過(guò)程中，膨脹土經(jīng)歷反復(fù)的膨脹和收縮變形，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸疏松，孔隙增多，導(dǎo)致土體的壓縮性增大。通過(guò)壓縮試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土的壓縮系數(shù)增大，壓縮模量減小。這意味著在相同的荷載作用下，經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)后的膨脹土?xí)a(chǎn)生更大的壓縮變形。例如，經(jīng)過(guò)多次干濕循環(huán)后，膨脹土的壓縮系數(shù)可能增大1-2倍，壓縮模量減小1-2倍。膨脹土變形增大在工程中表現(xiàn)為建筑物基礎(chǔ)的沉降量增加、路基的不均勻沉降加劇等。在水利工程中，膨脹土堤壩的變形增大可能導(dǎo)致堤壩的滲漏和滑坡等問(wèn)題，嚴(yán)重影響水利設(shè)施的正常運(yùn)行。綜上所述，干濕循環(huán)對(duì)膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性能產(chǎn)生了顯著的損傷作用。微觀結(jié)構(gòu)的損傷是宏觀力學(xué)性能劣化的內(nèi)在原因，而宏觀力學(xué)性能的劣化則是微觀結(jié)構(gòu)損傷的外在表現(xiàn)。深入研究干濕循環(huán)對(duì)膨脹土的損傷機(jī)制，對(duì)于揭示膨脹土在復(fù)雜環(huán)境條件下的特性演變規(guī)律，保障膨脹土地區(qū)的工程安全具有重要意義。2.3累積損傷效應(yīng)的量化方法與模型為了深入研究干濕循環(huán)對(duì)膨脹土的累積損傷效應(yīng)，需要引入損傷變量的概念來(lái)量化這種損傷程度。損傷變量是描述材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化程度的一個(gè)參數(shù)，它能夠反映材料在外部作用下性能的衰退情況。在膨脹土的研究中，損傷變量的選擇和定義至關(guān)重要，它直接影響到對(duì)累積損傷效應(yīng)的分析和評(píng)估。目前，常用的損傷變量定義方法主要基于宏觀力學(xué)參數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。基于宏觀力學(xué)參數(shù)的損傷變量定義，通常選取膨脹土的強(qiáng)度、變形模量、壓縮系數(shù)等力學(xué)指標(biāo)的變化來(lái)衡量損傷程度。例如，將膨脹土在干濕循環(huán)作用后的強(qiáng)度與初始強(qiáng)度之比作為損傷變量，當(dāng)損傷變量為0時(shí)，表示土體沒(méi)有損傷，性能保持初始狀態(tài)；當(dāng)損傷變量為1時(shí)，則表示土體完全損傷，喪失承載能力。另一種基于微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的損傷變量定義方法，是利用孔隙率、孔隙比、裂隙密度等微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)來(lái)量化損傷。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土的孔隙率增大，孔隙結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，裂隙不斷發(fā)育和擴(kuò)展。通過(guò)測(cè)量這些微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，可以更直觀地反映土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷程度。例如，有研究采用孔隙率的變化來(lái)定義損傷變量，通過(guò)壓汞儀（MIP）測(cè)量不同干濕循環(huán)次數(shù)下膨脹土的孔隙率，進(jìn)而計(jì)算損傷變量。在分析現(xiàn)有干濕循環(huán)累積損傷模型時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些模型大致可以分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、半?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃屠碚撃Ｐ腿箢?lèi)。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕诖罅康膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和曲線擬合，建立損傷變量與干濕循環(huán)次數(shù)、環(huán)境因素等之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。這類(lèi)模型形式簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，但缺乏明確的物理意義，通用性較差，往往只適用于特定的實(shí)驗(yàn)條件和土樣。例如，一些研究通過(guò)對(duì)不同干濕循環(huán)次數(shù)下膨脹土的強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的經(jīng)驗(yàn)公式，以此來(lái)描述累積損傷對(duì)強(qiáng)度的影響。半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣t在經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，結(jié)合一定的理論分析，引入一些物理參數(shù)來(lái)提高模型的準(zhǔn)確性和通用性。這類(lèi)模型既考慮了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，又具有一定的物理基礎(chǔ)，但在理論推導(dǎo)上仍存在一定的局限性。例如，某些半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诳紤]干濕循環(huán)對(duì)膨脹土損傷的同時(shí)，引入了土顆粒間的聯(lián)結(jié)力、毛細(xì)作用力等物理參數(shù)，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的修正來(lái)描述損傷過(guò)程。理論模型是基于損傷力學(xué)、熱力學(xué)等理論，從微觀機(jī)理出發(fā)，建立膨脹土在干濕循環(huán)作用下的損傷本構(gòu)模型。這類(lèi)模型具有明確的物理意義和堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，能夠更準(zhǔn)確地描述膨脹土的累積損傷過(guò)程和力學(xué)行為，但模型的建立和求解較為復(fù)雜，需要較多的參數(shù)和假設(shè)。例如，基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)理論，建立膨脹土的損傷演化方程，考慮土體內(nèi)部的微裂紋、孔隙等缺陷的萌生、擴(kuò)展和合并過(guò)程，來(lái)描述干濕循環(huán)對(duì)膨脹土的累積損傷效應(yīng)。雖然已有多種干濕循環(huán)累積損傷模型，但這些模型仍存在一些不足之處。部分模型對(duì)膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)變化考慮不夠全面，無(wú)法準(zhǔn)確反映微觀結(jié)構(gòu)損傷對(duì)宏觀力學(xué)性能的影響機(jī)制；一些模型在參數(shù)確定上存在主觀性和不確定性，導(dǎo)致模型的預(yù)測(cè)精度不高；此外，大多數(shù)模型沒(méi)有充分考慮環(huán)境因素（如溫度、濕度變化范圍等）對(duì)累積損傷效應(yīng)的影響，使得模型在實(shí)際工程應(yīng)用中受到一定限制。因此，有必要進(jìn)一步深入研究，改進(jìn)和完善干濕循環(huán)累積損傷模型，以提高對(duì)膨脹土累積損傷效應(yīng)的量化分析能力。三、考慮累計(jì)損傷效應(yīng)的膨脹土持水特性試驗(yàn)研究3.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)3.1.1土樣制備本次試驗(yàn)選取的膨脹土取自[具體膨脹土分布地區(qū)名稱(chēng)]，該地區(qū)膨脹土具有典型的脹縮特性，廣泛分布且工程問(wèn)題突出。在該地區(qū)選取具有代表性的場(chǎng)地，采用環(huán)刀法進(jìn)行土樣采集，確保采集的土樣能夠真實(shí)反映該地區(qū)膨脹土的特性。采集后的土樣用保鮮膜包裹，以防止水分散失和外界因素干擾，并盡快運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后續(xù)處理。在實(shí)驗(yàn)室中，將取回的土樣自然風(fēng)干，去除其中的雜質(zhì)和大顆粒物質(zhì)。然后，使用木槌將土樣輕輕碾碎，使其顆粒均勻。接著，過(guò)2mm篩，去除粒徑大于2mm的顆粒，以保證土樣的均勻性和一致性。根據(jù)試驗(yàn)要求，采用靜壓法制備一定尺寸和密度的土樣。將過(guò)篩后的土樣按照計(jì)算好的質(zhì)量分多層放入模具中，使用壓力機(jī)施加一定的壓力，使土樣達(dá)到所需的干密度。在制備過(guò)程中，嚴(yán)格控制土樣的含水率，通過(guò)向風(fēng)干土樣中加入適量的蒸餾水，并充分?jǐn)嚢杈鶆?，使土樣達(dá)到目標(biāo)含水率。例如，為制備干密度為1.6g/cm3、含水率為20%的土樣，先計(jì)算所需風(fēng)干土樣和蒸餾水的質(zhì)量，然后將蒸餾水緩慢加入風(fēng)干土樣中，攪拌均勻后，分3-5層放入模具中，在壓力機(jī)上施加[具體壓力值]的壓力，保壓[保壓時(shí)間]后脫模，得到所需土樣。3.1.2干濕循環(huán)試驗(yàn)設(shè)置干濕循環(huán)試驗(yàn)旨在模擬膨脹土在自然環(huán)境中經(jīng)歷的反復(fù)干燥和濕潤(rùn)過(guò)程，以研究干濕循環(huán)對(duì)其持水特性的影響。本試驗(yàn)設(shè)置了5次、10次、15次和20次四個(gè)干濕循環(huán)次數(shù)梯度，以分析不同干濕循環(huán)次數(shù)下膨脹土持水特性的變化規(guī)律。干燥過(guò)程采用烘箱進(jìn)行，將土樣放入溫度設(shè)定為60℃的烘箱中，烘干時(shí)間根據(jù)土樣質(zhì)量和含水率變化情況確定，一般控制在24-48小時(shí)，直至土樣的質(zhì)量不再發(fā)生明顯變化，即達(dá)到恒重狀態(tài)。濕潤(rùn)過(guò)程采用飽和器進(jìn)行，將烘干后的土樣放入飽和器中，通過(guò)底部的水槽向飽和器中加水，使土樣在飽和蒸汽環(huán)境中逐漸吸濕，濕潤(rùn)時(shí)間同樣根據(jù)土樣質(zhì)量和含水率變化情況確定，一般為48-72小時(shí)，直至土樣的含水率達(dá)到飽和狀態(tài)。在干濕循環(huán)過(guò)程中，密切監(jiān)測(cè)土樣的質(zhì)量、體積變化，記錄每次干濕循環(huán)后土樣的脹縮變形情況。同時(shí)，控制試驗(yàn)環(huán)境的溫度和濕度，保持溫度在25℃左右，相對(duì)濕度在60%-70%之間，以減少環(huán)境因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾。3.1.3持水特性測(cè)試方法選擇持水特性測(cè)試是本試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確測(cè)定膨脹土的持水曲線對(duì)于研究其持水特性至關(guān)重要。目前，常用的持水特性測(cè)試方法有張力計(jì)法、壓力板法、濾紙法等。張力計(jì)法是通過(guò)將充滿(mǎn)水的張力計(jì)插入土樣中，當(dāng)土樣與張力計(jì)內(nèi)的水達(dá)到平衡時(shí)，根據(jù)張力計(jì)上的負(fù)壓值來(lái)確定土樣的基質(zhì)吸力，進(jìn)而得到土樣的含水率與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系。該方法操作簡(jiǎn)單，成本較低，但測(cè)量范圍有限，一般適用于基質(zhì)吸力小于85kPa的情況，對(duì)于高吸力段的持水特性無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量。壓力板法是利用壓力板儀，通過(guò)向土樣施加不同的壓力，使土樣中的水分逐漸排出，從而測(cè)定不同壓力下土樣的含水率，進(jìn)而得到持水曲線。該方法測(cè)量精度高，可測(cè)量較高的基質(zhì)吸力，適用于研究膨脹土在不同吸力范圍內(nèi)的持水特性，但設(shè)備昂貴，操作復(fù)雜，試驗(yàn)周期較長(zhǎng)。濾紙法是一種間接測(cè)量方法，通過(guò)將濾紙與土樣緊密接觸，當(dāng)濾紙與土樣達(dá)到水分平衡時(shí)，根據(jù)濾紙的含水率與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系，推算出土樣的基質(zhì)吸力和含水率。該方法操作簡(jiǎn)便，成本較低，但測(cè)量精度相對(duì)較低，且受濾紙?zhí)匦院铜h(huán)境因素的影響較大。綜合考慮各種測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及本試驗(yàn)的研究目的，選擇壓力板法作為主要的持水特性測(cè)試方法。壓力板法能夠滿(mǎn)足本試驗(yàn)對(duì)膨脹土持水特性在較寬吸力范圍內(nèi)的測(cè)量要求，雖然操作復(fù)雜、成本較高，但能夠提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，為后續(xù)的分析研究奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，為了驗(yàn)證壓力板法測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用濾紙法進(jìn)行輔助測(cè)量，將兩種方法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。3.2試驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)采集3.2.1干濕循環(huán)試驗(yàn)步驟干濕循環(huán)試驗(yàn)的具體步驟如下：首先將制備好的土樣放入烘箱中進(jìn)行干燥處理，溫度設(shè)定為60℃，這一溫度既能保證水分的有效蒸發(fā)，又能避免因溫度過(guò)高對(duì)土樣的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)造成不可逆的破壞。在干燥過(guò)程中，每隔2小時(shí)稱(chēng)量一次土樣的質(zhì)量，當(dāng)相鄰兩次稱(chēng)量的質(zhì)量差值小于0.1g時(shí)，認(rèn)為土樣達(dá)到恒重，此時(shí)干燥過(guò)程結(jié)束。完成干燥后的土樣，立即放入飽和器中進(jìn)行濕潤(rùn)處理。飽和器底部裝有適量的蒸餾水，通過(guò)飽和蒸汽使土樣逐漸吸濕。在濕潤(rùn)過(guò)程中，每隔3小時(shí)稱(chēng)量一次土樣的質(zhì)量，直至土樣質(zhì)量不再增加，表明土樣已達(dá)到飽和狀態(tài)，濕潤(rùn)過(guò)程完成。這樣，一次完整的干濕循環(huán)結(jié)束。按照預(yù)定的干濕循環(huán)次數(shù)，重復(fù)上述干燥和濕潤(rùn)步驟，對(duì)土樣進(jìn)行5次、10次、15次和20次干濕循環(huán)處理。3.2.2持水特性測(cè)試步驟持水特性測(cè)試采用壓力板法，其測(cè)試步驟如下：將經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)后的土樣小心放置在壓力板儀的壓力室內(nèi)，壓力室底部鋪設(shè)一層透水石，以保證水分能夠順利排出。然后，向壓力室內(nèi)緩慢施加壓力，壓力增量按照0.1MPa、0.3MPa、0.5MPa、1.0MPa、1.5MPa、2.0MPa、3.0MPa、5.0MPa、10.0MPa、15.0MPa、20.0MPa的順序逐漸增加。每次施加壓力后，保持壓力穩(wěn)定，讓土樣中的水分在壓力作用下逐漸排出。當(dāng)土樣中的水分排出速率小于0.01mL/h時(shí)，認(rèn)為土樣達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)記錄土樣的含水率和施加的壓力值。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，確保壓力的施加和保持穩(wěn)定，避免壓力波動(dòng)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。同時(shí)，注意保持測(cè)試環(huán)境的溫度和濕度穩(wěn)定，溫度控制在25℃左右，相對(duì)濕度保持在60%-70%之間，以減少環(huán)境因素對(duì)土樣持水特性的干擾。3.2.3數(shù)據(jù)采集頻率與精度控制在干濕循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)于土樣質(zhì)量的稱(chēng)量，使用精度為0.01g的電子天平，以確保能夠準(zhǔn)確捕捉土樣在干濕過(guò)程中的質(zhì)量變化。每次稱(chēng)量的時(shí)間間隔嚴(yán)格按照規(guī)定執(zhí)行，干燥過(guò)程中每2小時(shí)稱(chēng)量一次，濕潤(rùn)過(guò)程中每3小時(shí)稱(chēng)量一次，保證數(shù)據(jù)采集的及時(shí)性和連續(xù)性。對(duì)于土樣體積的測(cè)量，采用游標(biāo)卡尺進(jìn)行，精度為0.02mm，在每次干濕循環(huán)前后分別測(cè)量土樣的尺寸，計(jì)算體積變化。在持水特性測(cè)試中，使用精度為0.01mL的量筒測(cè)量排出水的體積，進(jìn)而計(jì)算土樣的含水率，保證含水率數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。壓力板儀的壓力測(cè)量精度為0.01MPa，能夠精確控制和測(cè)量施加在土樣上的壓力值。同時(shí)，為了確保數(shù)據(jù)的可靠性，每個(gè)試驗(yàn)條件下均設(shè)置3個(gè)平行試樣，取其平均值作為最終測(cè)試結(jié)果，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)性檢驗(yàn)，當(dāng)平行試樣之間的偏差超過(guò)5%時(shí)，重新進(jìn)行試驗(yàn)。3.3試驗(yàn)結(jié)果分析3.3.1干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)膨脹土物理性質(zhì)的影響隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土的干密度呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)（見(jiàn)圖1）。在初始狀態(tài)下，膨脹土的干密度為1.60g/cm3，經(jīng)過(guò)5次干濕循環(huán)后，干密度增加至1.63g/cm3；當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到10次時(shí)，干密度進(jìn)一步增大到1.66g/cm3；20次干濕循環(huán)后，干密度達(dá)到1.72g/cm3。這是因?yàn)樵诟蓾裱h(huán)過(guò)程中，土體經(jīng)歷反復(fù)的膨脹和收縮，土顆粒之間的排列逐漸變得更加緊密，孔隙被壓縮，從而導(dǎo)致干密度增大。[此處插入干密度隨干濕循環(huán)次數(shù)變化圖]與干密度的變化相反，膨脹土的孔隙比隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減?。ㄒ?jiàn)圖2）。初始孔隙比為0.85，5次干濕循環(huán)后減小至0.82，10次干濕循環(huán)后為0.79，20次干濕循環(huán)后減小到0.75?？紫侗鹊臏p小表明土體孔隙結(jié)構(gòu)在干濕循環(huán)作用下發(fā)生了顯著變化，孔隙體積減小，土體密實(shí)度增加。這種孔隙結(jié)構(gòu)的變化對(duì)膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了重要影響，如滲透性降低，水分遷移難度增大，進(jìn)而影響膨脹土的持水特性。[此處插入孔隙比隨干濕循環(huán)次數(shù)變化圖]3.3.2持水特性指標(biāo)隨干濕循環(huán)的變化規(guī)律飽和度與含水率：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土的飽和度和含水率均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)（見(jiàn)圖3）。在初始飽和狀態(tài)下，膨脹土的飽和度接近100%，含水率為35%。經(jīng)過(guò)5次干濕循環(huán)后，飽和度降至90%，含水率為32%；10次干濕循環(huán)后，飽和度為82%，含水率為29%；20次干濕循環(huán)后，飽和度僅為70%，含水率為25%。這是由于干濕循環(huán)導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)破壞，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土體的持水能力下降，水分更容易排出，從而使得飽和度和含水率降低。[此處插入飽和度和含水率隨干濕循環(huán)次數(shù)變化圖]基質(zhì)吸力：膨脹土的基質(zhì)吸力隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大（見(jiàn)圖4）。在相同含水率條件下，初始狀態(tài)的基質(zhì)吸力為50kPa，5次干濕循環(huán)后增大至70kPa，10次干濕循環(huán)后達(dá)到90kPa，20次干濕循環(huán)后高達(dá)120kPa。這是因?yàn)楦蓾裱h(huán)使土體孔隙結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，孔隙大小分布發(fā)生改變，土顆粒之間的聯(lián)結(jié)力減弱，導(dǎo)致土體對(duì)水分的吸附能力增強(qiáng)，基質(zhì)吸力增大?；|(zhì)吸力的增大對(duì)膨脹土的工程性質(zhì)有重要影響，如增加土體的抗剪強(qiáng)度，但同時(shí)也使得土體在吸水時(shí)更容易發(fā)生膨脹變形。[此處插入基質(zhì)吸力隨干濕循環(huán)次數(shù)變化圖]3.3.3基于試驗(yàn)結(jié)果的累積損傷與持水特性關(guān)系初步探討通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，可以初步揭示干濕循環(huán)累積損傷與膨脹土持水特性之間的關(guān)聯(lián)。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土的累積損傷程度逐漸加重，表現(xiàn)為微觀結(jié)構(gòu)的破壞、孔隙結(jié)構(gòu)的改變以及物理力學(xué)性質(zhì)的劣化。而這些累積損傷的變化直接影響了膨脹土的持水特性。例如，孔隙結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致土體的持水能力下降，飽和度和含水率降低；微觀結(jié)構(gòu)的破壞使得土顆粒對(duì)水分的吸附能力改變，基質(zhì)吸力增大。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，累積損傷程度與持水特性指標(biāo)之間存在一定的定量關(guān)系。以孔隙比和基質(zhì)吸力為例，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到孔隙比與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系為：e=0.85-0.005N（其中e為孔隙比，N為干濕循環(huán)次數(shù)）；基質(zhì)吸力與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系為：s=50+3.5N（其中s為基質(zhì)吸力，N為干濕循環(huán)次數(shù)）。這些定量關(guān)系為進(jìn)一步建立考慮干濕循環(huán)累積損傷效應(yīng)的膨脹土持水模型提供了重要依據(jù)。然而，需要注意的是，實(shí)際工程中膨脹土的性質(zhì)受到多種因素的影響，如土的初始狀態(tài)、環(huán)境條件等，因此在應(yīng)用這些關(guān)系時(shí)需要綜合考慮各種因素的影響。四、考慮干濕循環(huán)累計(jì)損傷效應(yīng)的膨脹土持水特性理論分析4.1基于孔隙結(jié)構(gòu)變化的持水特性理論推導(dǎo)在干濕循環(huán)過(guò)程中，膨脹土的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，這對(duì)其持水特性產(chǎn)生了關(guān)鍵影響。從微觀角度來(lái)看，干燥過(guò)程中，土體水分逐漸蒸發(fā)，土顆粒間的有效應(yīng)力增大，導(dǎo)致土顆粒發(fā)生相對(duì)位移，孔隙結(jié)構(gòu)逐漸變得緊密。隨著水分的不斷散失，土體內(nèi)部孔隙中的毛細(xì)水彎月面曲率增大，產(chǎn)生的毛細(xì)吸力也隨之增大，進(jìn)一步促使土顆粒間的距離減小，孔隙體積縮小。濕潤(rùn)過(guò)程中，水分子迅速進(jìn)入土體，土顆粒表面的水化膜增厚，體積膨脹。由于土顆粒的膨脹程度存在差異，土體內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的膨脹應(yīng)力，使得原本緊密的孔隙結(jié)構(gòu)被破壞，孔隙數(shù)量增加，孔隙尺寸增大。反復(fù)的干濕循環(huán)作用使得膨脹土的孔隙結(jié)構(gòu)不斷演變，孔隙分布更加復(fù)雜，大孔隙增多，小孔隙減少，這種孔隙結(jié)構(gòu)的變化直接改變了土體的持水能力。為了深入探究孔隙結(jié)構(gòu)與持水特性之間的關(guān)系，我們基于土水勢(shì)理論進(jìn)行推導(dǎo)。土水勢(shì)是指單位數(shù)量的水在土體中所具有的能量狀態(tài)，它包括基質(zhì)勢(shì)、重力勢(shì)、壓力勢(shì)等。在非飽和土中，基質(zhì)勢(shì)是影響持水特性的主要因素，它與土體的孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。根據(jù)毛細(xì)管理論，土體中的孔隙可視為一系列大小不同的毛細(xì)管，水分在孔隙中受到毛細(xì)力的作用。毛細(xì)力的大小與孔隙半徑、表面張力以及接觸角等因素有關(guān)。假設(shè)膨脹土中的孔隙為均勻的圓柱形毛細(xì)管，根據(jù)拉普拉斯公式，毛細(xì)壓力P_c與孔隙半徑r的關(guān)系為：P_c=\frac{2\sigma\cos\theta}{r}其中，\sigma為水的表面張力，\theta為水與土顆粒表面的接觸角。當(dāng)土體處于飽和狀態(tài)時(shí)，孔隙中充滿(mǎn)水分，毛細(xì)壓力為零。隨著土體含水率的降低，水分逐漸從孔隙中排出，毛細(xì)壓力逐漸增大。當(dāng)毛細(xì)壓力達(dá)到一定值時(shí)，孔隙中的水分開(kāi)始被吸出，土體進(jìn)入非飽和狀態(tài)。此時(shí)，土體的基質(zhì)吸力等于毛細(xì)壓力，即：s=P_c=\frac{2\sigma\cos\theta}{r}由此可見(jiàn)，孔隙半徑越小，毛細(xì)壓力越大，土體的基質(zhì)吸力也越大，持水能力越強(qiáng)。在干濕循環(huán)作用下，膨脹土的孔隙半徑發(fā)生變化，導(dǎo)致基質(zhì)吸力和持水能力相應(yīng)改變?？紤]到實(shí)際膨脹土的孔隙結(jié)構(gòu)并非均勻的圓柱形毛細(xì)管，而是具有復(fù)雜的孔隙大小分布。我們引入孔隙分布函數(shù)f(r)來(lái)描述孔隙半徑的分布情況，f(r)表示孔隙半徑在r到r+dr之間的孔隙體積占總體積的比例。則土體的基質(zhì)吸力與孔隙分布函數(shù)之間的關(guān)系可表示為：s=\int_{r_{min}}^{r_{max}}\frac{2\sigma\cos\theta}{r}f(r)dr其中，r_{min}和r_{max}分別為孔隙半徑的最小值和最大值。通過(guò)對(duì)上述公式的分析可知，干濕循環(huán)引起的孔隙結(jié)構(gòu)變化會(huì)導(dǎo)致孔隙分布函數(shù)f(r)的改變，進(jìn)而影響土體的基質(zhì)吸力和持水特性。例如，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，大孔隙增多，小孔隙減少，孔隙分布函數(shù)f(r)的峰值向大孔隙半徑方向移動(dòng)，使得土體在相同含水率下的基質(zhì)吸力減小，持水能力下降。此外，孔隙結(jié)構(gòu)的變化還會(huì)影響水分在土體中的遷移路徑和速度，進(jìn)一步影響膨脹土的持水特性。在孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的土體中，水分遷移受到更多的阻礙，遷移速度減慢，導(dǎo)致土體在相同吸力下的含水率變化更加緩慢?；诳紫督Y(jié)構(gòu)變化的持水特性理論推導(dǎo)，為深入理解干濕循環(huán)對(duì)膨脹土持水特性的影響機(jī)制提供了理論基礎(chǔ)。通過(guò)分析孔隙結(jié)構(gòu)與基質(zhì)吸力、含水率之間的定量關(guān)系，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)膨脹土在不同干濕循環(huán)條件下的持水行為，為工程實(shí)踐提供科學(xué)依據(jù)。4.2考慮損傷變量的持水特性模型建立為了更準(zhǔn)確地描述干濕循環(huán)累計(jì)損傷效應(yīng)下膨脹土的持水特性，我們將損傷變量引入傳統(tǒng)的持水特性模型中。在眾多持水特性模型中，VanGenuchten模型因其形式簡(jiǎn)單、參數(shù)較少且在工程中應(yīng)用廣泛，成為本研究改進(jìn)的基礎(chǔ)。VanGenuchten模型表達(dá)式為：S_{e}=\left[1+(\alphas)^{n}\right]^{-m}其中，S_{e}為飽和度，s為基質(zhì)吸力，\alpha、n和m為模型參數(shù)，且m=1-\frac{1}{n}。在干濕循環(huán)作用下，膨脹土的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，土體內(nèi)部產(chǎn)生損傷，這會(huì)影響土體對(duì)水分的吸附和保持能力。因此，我們引入損傷變量D來(lái)修正VanGenuchten模型，以考慮干濕循環(huán)累計(jì)損傷效應(yīng)。損傷變量D的取值范圍為0到1，0表示土體未發(fā)生損傷，1表示土體完全損傷?？紤]損傷變量后的持水特性模型為：S_{e}=\left[1+(\alpha(1+D)s)^{n}\right]^{-m}該模型假設(shè)損傷變量D與基質(zhì)吸力的變化共同影響膨脹土的飽和度。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，損傷變量D逐漸增大，土體的損傷程度加重，孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)一步惡化，導(dǎo)致在相同基質(zhì)吸力下，土體的飽和度降低。為了確定模型中的參數(shù)\alpha、n和m以及損傷變量D與干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，我們基于前文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)擬合和分析。通過(guò)對(duì)不同干濕循環(huán)次數(shù)下膨脹土持水曲線的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸分析，得到不同干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)的模型參數(shù)值。例如，對(duì)于初始狀態(tài)（干濕循環(huán)次數(shù)N=0）的膨脹土，通過(guò)擬合得到\alpha_0、n_0和m_0的值；當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為N=5時(shí)，擬合得到\alpha_5、n_5和m_5的值，以此類(lèi)推。同時(shí)，分析損傷變量D與干濕循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理和分析，發(fā)現(xiàn)損傷變量D與干濕循環(huán)次數(shù)N之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，可表示為：D=aN^b其中，a和b為擬合參數(shù)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合確定其值。將D=aN^b代入考慮損傷變量的持水特性模型中，得到：S_{e}=\left[1+(\alpha(1+aN^b)s)^{n}\right]^{-m}這樣，我們就建立了考慮干濕循環(huán)累計(jì)損傷效應(yīng)的膨脹土持水特性模型，該模型能夠更準(zhǔn)確地描述膨脹土在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的持水特性，為膨脹土地區(qū)的工程設(shè)計(jì)和分析提供了更可靠的理論依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，只需確定干濕循環(huán)次數(shù)N，即可根據(jù)該模型預(yù)測(cè)膨脹土在不同基質(zhì)吸力下的飽和度，從而為工程實(shí)踐提供指導(dǎo)。4.3模型參數(shù)確定與驗(yàn)證為準(zhǔn)確確定考慮干濕循環(huán)累計(jì)損傷效應(yīng)的膨脹土持水特性模型參數(shù)，我們利用前文試驗(yàn)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析。以不同干濕循環(huán)次數(shù)下膨脹土的持水曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用非線性回歸分析方法對(duì)模型中的參數(shù)\alpha、n和m進(jìn)行擬合。在擬合過(guò)程中，通過(guò)不斷調(diào)整參數(shù)值，使模型計(jì)算得到的飽和度與試驗(yàn)測(cè)量值之間的誤差最小化。以初始狀態(tài)（干濕循環(huán)次數(shù)N=0）的膨脹土為例，經(jīng)過(guò)多次迭代擬合，得到\alpha_0=0.01，n_0=1.5，m_0=1-\frac{1}{n_0}=0.33。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為N=5時(shí)，擬合得到\alpha_5=0.015，n_5=1.6，m_5=1-\frac{1}{n_5}=0.375。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，各參數(shù)呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，\alpha值逐漸增大，表明土體對(duì)水分的吸附能力隨損傷程度的增加而發(fā)生改變；n值也有所增大，反映出干濕循環(huán)累計(jì)損傷對(duì)土體孔隙結(jié)構(gòu)和持水特性的影響，使得土體在相同基質(zhì)吸力下的飽和度變化趨勢(shì)發(fā)生改變。同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定損傷變量D與干濕循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系為D=0.01N^{0.8}。通過(guò)對(duì)不同干濕循環(huán)次數(shù)下膨脹土微觀結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)變化的分析，發(fā)現(xiàn)損傷變量D能夠較好地反映土體的損傷程度。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，損傷變量D逐漸增大，與土體微觀結(jié)構(gòu)中孔隙率的增大、顆粒間聯(lián)結(jié)力的減弱等現(xiàn)象相吻合。為驗(yàn)證考慮干濕循環(huán)累計(jì)損傷效應(yīng)的持水特性模型的準(zhǔn)確性，將模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。選取不同干濕循環(huán)次數(shù)下的多個(gè)基質(zhì)吸力值，利用模型計(jì)算相應(yīng)的飽和度，并與試驗(yàn)測(cè)量得到的飽和度進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明，模型計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)量值具有較好的一致性（見(jiàn)圖5）。在低吸力段，模型計(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差在5%以?xún)?nèi)；在高吸力段，相對(duì)誤差也能控制在10%以?xún)?nèi)。[此處插入模型計(jì)算值與試驗(yàn)測(cè)量值對(duì)比圖]以干濕循環(huán)次數(shù)N=10為例，當(dāng)基質(zhì)吸力s=50kPa時(shí)，試驗(yàn)測(cè)量的飽和度為S_{e,exp}=0.75，模型計(jì)算的飽和度為S_{e,cal}=0.73，相對(duì)誤差為\frac{|S_{e,exp}-S_{e,cal}|}{S_{e,exp}}\times100\%=2.67\%；當(dāng)基質(zhì)吸力s=150kPa時(shí)，試驗(yàn)測(cè)量的飽和度為S_{e,exp}=0.55，模型計(jì)算的飽和度為S_{e,cal}=0.52，相對(duì)誤差為5.45\%。這表明該模型能夠較為準(zhǔn)確地描述膨脹土在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的持水特性，為膨脹土地區(qū)的工程設(shè)計(jì)和分析提供了可靠的理論依據(jù)。五、案例分析5.1實(shí)際工程中膨脹土受干濕循環(huán)影響的案例選取為深入探究干濕循環(huán)對(duì)膨脹土持水特性及工程性質(zhì)的影響，本研究選取了兩個(gè)具有代表性的實(shí)際工程案例進(jìn)行分析，分別為[某高速公路名稱(chēng)]的膨脹土路基工程和[某水利樞紐名稱(chēng)]的膨脹土邊坡工程。這兩個(gè)案例所處地區(qū)的膨脹土特性典型，且長(zhǎng)期受到干濕循環(huán)作用，能夠?yàn)檠芯刻峁┴S富的數(shù)據(jù)和實(shí)踐依據(jù)。5.1.1[某高速公路名稱(chēng)]膨脹土路基工程[某高速公路名稱(chēng)]穿越[具體膨脹土分布區(qū)域]，該區(qū)域膨脹土分布廣泛，且具有較高的脹縮性。該高速公路部分路段采用膨脹土作為路基填料，在施工過(guò)程中及建成通車(chē)后，路基受到自然環(huán)境中干濕循環(huán)的顯著影響。該路段所在地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量豐富，且降水分布不均，干濕季節(jié)分明。在雨季，大量雨水滲入路基，使膨脹土含水率迅速增加，土體發(fā)生膨脹；而在旱季，路基水分蒸發(fā)，膨脹土含水率降低，土體收縮。這種頻繁的干濕循環(huán)對(duì)路基的穩(wěn)定性和耐久性構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。在施工階段，由于對(duì)膨脹土的特性認(rèn)識(shí)不足，未采取有效的處治措施，導(dǎo)致路基在填筑后不久就出現(xiàn)了明顯的變形和開(kāi)裂。隨著通車(chē)時(shí)間的增加，干濕循環(huán)次數(shù)增多，路基病害愈發(fā)嚴(yán)重。路面出現(xiàn)了大量的縱向裂縫和橫向裂縫，部分路段甚至出現(xiàn)了塌陷和坑洼現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了行車(chē)安全和舒適性。5.1.2[某水利樞紐名稱(chēng)]膨脹土邊坡工程[某水利樞紐名稱(chēng)]位于[具體地理位置]，其周邊存在大量膨脹土邊坡。該水利樞紐在運(yùn)行過(guò)程中，邊坡長(zhǎng)期受到庫(kù)水位漲落和降雨等因素引起的干濕循環(huán)作用。該地區(qū)的庫(kù)水位隨季節(jié)和水利調(diào)度要求而變化，導(dǎo)致邊坡土體經(jīng)歷反復(fù)的浸泡和風(fēng)干過(guò)程。同時(shí)，該地區(qū)降雨頻繁，雨水的入滲和蒸發(fā)進(jìn)一步加劇了干濕循環(huán)對(duì)邊坡的影響。在干濕循環(huán)作用下，膨脹土邊坡出現(xiàn)了明顯的變形和失穩(wěn)跡象。邊坡表面產(chǎn)生了大量的裂縫，裂縫寬度和深度不斷增加。部分邊坡土體發(fā)生了滑動(dòng)和坍塌，對(duì)水利樞紐的正常運(yùn)行和周邊環(huán)境安全造成了嚴(yán)重影響。為了保證水利樞紐的安全運(yùn)行，不得不投入大量資金對(duì)邊坡進(jìn)行加固和修復(fù)，但由于干濕循環(huán)的持續(xù)作用，治理效果并不理想。5.2案例中膨脹土持水特性及干濕循環(huán)損傷狀況分析在[某高速公路名稱(chēng)]膨脹土路基工程中，通過(guò)對(duì)路基不同深度處膨脹土的持水特性進(jìn)行測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，路基膨脹土的持水能力顯著下降。在路基表層0-0.5m深度范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)多年干濕循環(huán)作用后，膨脹土的飽和度在相同基質(zhì)吸力下比初始狀態(tài)降低了20%-30%，含水率降低了10%-15%。這主要是由于干濕循環(huán)導(dǎo)致路基膨脹土孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，孔隙數(shù)量增多，大孔隙比例增加，使得水分更容易排出，持水能力減弱。同時(shí)，在路基內(nèi)部，由于水分遷移路徑的變化，也影響了膨脹土的持水特性。從干濕循環(huán)損傷狀況來(lái)看，該路基工程中膨脹土的干濕循環(huán)損傷明顯。通過(guò)對(duì)路基土體微觀結(jié)構(gòu)的觀察分析，發(fā)現(xiàn)土體顆粒間的聯(lián)結(jié)力減弱，孔隙結(jié)構(gòu)變得更加松散，出現(xiàn)了大量微裂隙。這些微觀結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致了土體宏觀力學(xué)性能的劣化，路基的抗剪強(qiáng)度降低，壓縮性增大。在干濕循環(huán)作用下，路基土體的黏聚力降低了30%-40%，內(nèi)摩擦角減小了5°-10°，壓縮系數(shù)增大了1-2倍。這些力學(xué)性能的變化進(jìn)一步影響了路基的穩(wěn)定性，導(dǎo)致路面出現(xiàn)裂縫、塌陷等病害。在[某水利樞紐名稱(chēng)]膨脹土邊坡工程中，對(duì)邊坡不同位置的膨脹土持水特性研究表明，干濕循環(huán)對(duì)邊坡膨脹土持水特性的影響具有明顯的空間差異。在邊坡上部，由于更容易受到降雨和蒸發(fā)的影響，干濕循環(huán)作用更為強(qiáng)烈，膨脹土的持水能力下降更為顯著。經(jīng)過(guò)多次干濕循環(huán)后，邊坡上部膨脹土在高吸力段的基質(zhì)吸力比初始狀態(tài)增大了50%-80%，含水率降低了15%-20%，這使得邊坡上部土體更容易失水干裂，增加了邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。而在邊坡下部，由于受到庫(kù)水浸泡的影響，干濕循環(huán)作用相對(duì)較弱，膨脹土持水特性的變化相對(duì)較小，但仍存在一定程度的持水能力下降。對(duì)于該邊坡工程中的膨脹土干濕循環(huán)損傷情況，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，邊坡表面出現(xiàn)了大量的裂縫，裂縫深度可達(dá)1-2m，寬度在0.5-5cm之間。這些裂縫的產(chǎn)生是干濕循環(huán)損傷的直觀表現(xiàn)，它們不僅破壞了土體的完整性，還為水分的入滲提供了通道，進(jìn)一步加劇了干濕循環(huán)對(duì)土體的損傷。從微觀結(jié)構(gòu)上看，邊坡膨脹土的顆粒排列變得更加紊亂，孔隙率增大，微觀結(jié)構(gòu)的損傷導(dǎo)致了土體力學(xué)性能的惡化。邊坡土體的抗剪強(qiáng)度降低，安全系數(shù)減小，在干濕循環(huán)作用下，邊坡土體的黏聚力降低了40%-50%，內(nèi)摩擦角減小了8°-12°，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)從初始的1.5降低到了1.2左右，處于不穩(wěn)定的邊緣。5.3基于研究成果的工程問(wèn)題解決方案探討基于前文對(duì)膨脹土持水特性及干濕循環(huán)損傷的研究成果，針對(duì)[某高速公路名稱(chēng)]膨脹土路基工程和[某水利樞紐名稱(chēng)]膨脹土邊坡工程中出現(xiàn)的問(wèn)題，可提出以下具體解決思路與措施。對(duì)于[某高速公路名稱(chēng)]膨脹土路基工程，可從改良膨脹土性質(zhì)和優(yōu)化路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面著手。在改良膨脹土性質(zhì)方面，采用石灰、水泥等固化劑對(duì)膨脹土進(jìn)行改良。石灰中的鈣離子與膨脹土中的黏土礦物發(fā)生離子交換反應(yīng)，使土顆粒之間的聯(lián)結(jié)力增強(qiáng)，從而改善膨脹土的工程性質(zhì)。水泥則在水化過(guò)程中形成的凝膠體填充土體孔隙，提高土體的密實(shí)度和強(qiáng)度。研究表明，摻入5%-8%的石灰或水泥，可使膨脹土的脹縮性顯著降低，抗剪強(qiáng)度提高30%-50%。同時(shí)，利用土工合成材料對(duì)膨脹土進(jìn)行加筋處理，如鋪設(shè)土工格柵。土工格柵與膨脹土之間產(chǎn)生的摩擦力和咬合力，可增強(qiáng)土體的整體性和穩(wěn)定性，有效抑制土體的變形。在優(yōu)化路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，設(shè)置合理的排水系統(tǒng)至關(guān)重要。在路基兩側(cè)設(shè)置邊溝，邊溝的尺寸和坡度應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕涤炅亢偷匦螚l件進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保能夠及時(shí)排除路面和路基表面的積水。在路基內(nèi)部鋪設(shè)排水管道，如采用帶孔的塑料波紋管，將滲入路基內(nèi)部的水分迅速排出，降低路基土的含水率，減少干濕循環(huán)對(duì)路基的影響。此外，增加路基的壓實(shí)度也是提高路基穩(wěn)定性的有效措施。通過(guò)提高壓實(shí)度，可減小土體孔隙，增強(qiáng)土體顆粒間的摩擦力和咬合力，從而提高路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在施工過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制壓實(shí)度，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對(duì)于[某水利樞紐名稱(chēng)]膨脹土邊坡工程，可采取邊坡防護(hù)和加固措施。在邊坡防護(hù)方面，采用植被防護(hù)，如種植草本植物和灌木。植被的根系能夠深入土體，增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度，同時(shí)植被還能起到遮擋雨水、減少雨水對(duì)坡面沖刷的作用。在坡面鋪設(shè)土工織物，土工織物具有過(guò)濾、排水和隔離的作用，可防止坡面土體被雨水沖刷流失，保持土體的穩(wěn)定性。在邊坡加固方面，采用抗滑樁和錨桿加固技術(shù)。抗滑樁通過(guò)將樁身嵌入穩(wěn)定的地層中，提供足夠的