干濕循環(huán)累計損傷下膨脹土持水特性的多維度解析與模型構建一、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，在工程建設中一直是備受關注的難題。這類土含有較多的蒙脫石、伊利石等強親水性黏土礦物，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，體積會明顯脹縮，強度會急劇衰減，性質極不穩(wěn)定，素有工程“癌癥”之稱。在我國，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。這種特殊的土質給道路、橋梁、房屋建筑、水利工程等各類基礎設施建設帶來了諸多挑戰(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，會引起路面結構不平整或開裂、路基變形等危害，嚴重影響道路的使用壽命和行車安全。在房屋建筑領域，膨脹土的脹縮變形可能導致建筑物的開裂、不均勻沉降，威脅到建筑物的結構安全。水利工程中的渠道、堤壩等結構，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、滑坡等問題，影響水利設施的正常運行。在自然環(huán)境中，膨脹土長期經(jīng)受干濕循環(huán)作用。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土內部結構逐漸劣化，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性質，如強度、剛度、壓縮性等，還對其持水特性產(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，它對于理解膨脹土的工程性質、預測其在不同環(huán)境條件下的行為至關重要。例如，在降雨入滲過程中，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，進而影響土體的飽和度和孔隙水壓力，最終對土體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。然而，目前對于考慮干濕循環(huán)累計損傷效應下膨脹土持水特性的研究仍存在不足。大多數(shù)研究僅關注干濕循環(huán)對膨脹土某一方面性質的影響，缺乏對累積損傷效應全面系統(tǒng)的分析，未能充分揭示干濕循環(huán)累計損傷與膨脹土持水特性之間的內在聯(lián)系。因此，深入研究考慮干濕循環(huán)累計損傷效應的膨脹土持水特性具有重要的理論意義和工程應用價值。從理論角度看，有助于完善膨脹土力學理論體系，深化對膨脹土在復雜環(huán)境條件下特性演變規(guī)律的認識；從工程應用角度講，能夠為膨脹土地區(qū)的工程設計、施工和維護提供科學依據(jù)，有效降低工程風險，減少因膨脹土問題導致的工程病害和經(jīng)濟損失。1.2國內外研究現(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之一，它直接影響著膨脹土的工程行為。國內外學者對膨脹土持水特性進行了大量研究，主要集中在持水曲線的測定、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吸力與含水率之間關系的曲線，它是研究膨脹土持水特性的重要工具。常用的持水曲線測定方法有張力計法、壓力板儀法、濾紙法等。張力計法操作簡單，但測量范圍有限，一般適用于基質吸力較低的情況；壓力板儀法測量精度高，可測量較高的基質吸力，但設備昂貴，操作復雜；濾紙法是一種間接測量方法，通過測量濾紙與土樣平衡后的含水率來推算土樣的基質吸力，該方法操作簡便，成本較低，但測量精度相對較低。眾多學者通過實驗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、顆粒級配、密度、孔隙結構等對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，因為蒙脫石具有較大的比表面積和較強的親水性，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，持水能力也相應增強。此外，土體的初始含水率、應力狀態(tài)等外部因素也會對膨脹土的持水特性產(chǎn)生影響。在持水模型建立方面，國內外學者提出了多種模型來描述膨脹土的持水曲線，如VanGenuchten模型、Fredlund-Xing模型等。VanGenuchten模型形式簡單，參數(shù)較少，在工程中應用較為廣泛，但該模型在描述高吸力段的持水特性時存在一定局限性。Fredlund-Xing模型則在一定程度上改進了VanGenuchten模型，能夠更好地擬合膨脹土在高吸力段的持水曲線。1.2.2干濕循環(huán)對膨脹土性質影響的研究現(xiàn)狀干濕循環(huán)是影響膨脹土工程性質的重要因素之一，國內外學者針對干濕循環(huán)對膨脹土性質的影響開展了廣泛研究，主要涉及體積變形、力學性能和微觀結構等方面。在體積變形方面，研究表明干濕循環(huán)會導致膨脹土產(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，膨脹土的干縮應變和濕脹應變逐漸增大，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部較為明顯。這種體積變形的累積會導致土體結構的破壞和劣化。干濕循環(huán)對膨脹土的力學性能也有顯著影響。大量實驗研究發(fā)現(xiàn)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土的強度逐漸降低，抗剪強度參數(shù)如黏聚力和內摩擦角減小，彈性模量和剪切模量也隨之減小。這是因為干濕循環(huán)過程中土體內部結構發(fā)生變化，顆粒間的聯(lián)結力減弱，從而導致力學性能下降。微觀結構方面，通過掃描電子顯微鏡（SEM）、壓汞儀（MIP）等技術手段，研究發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)會使膨脹土的微觀結構發(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，這些微觀結構的變化進一步解釋了干濕循環(huán)對膨脹土宏觀性質的影響機制。1.2.3研究現(xiàn)狀總結與不足綜上所述，目前關于膨脹土持水特性以及干濕循環(huán)對膨脹土性質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，對于實際工程中復雜的膨脹土特性考慮不夠全面，模型的適用性和準確性有待進一步提高。在干濕循環(huán)影響研究中，雖然對干濕循環(huán)下膨脹土的體積變形、力學性能和微觀結構變化有了一定認識，但對于干濕循環(huán)累計損傷效應的量化研究還相對較少，缺乏系統(tǒng)的理論和方法來描述累積損傷對膨脹土性質的影響。此外，現(xiàn)有研究大多將膨脹土持水特性與干濕循環(huán)累計損傷效應分開進行，較少考慮兩者之間的耦合關系，難以全面揭示膨脹土在復雜環(huán)境下的持水特性演變規(guī)律。因此，開展考慮干濕循環(huán)累計損傷效應的膨脹土持水特性研究具有重要的理論和現(xiàn)實意義，有望為膨脹土地區(qū)的工程建設提供更科學、準確的理論依據(jù)。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容本研究主要圍繞考慮干濕循環(huán)累計損傷效應的膨脹土持水特性展開，具體內容如下：膨脹土基本性質試驗：對取自典型膨脹土地區(qū)的土樣進行基本物理性質測試，包括顆粒分析、液塑限試驗、比重試驗等，以確定膨脹土的顆粒級配、塑性指數(shù)、比重等基本物理參數(shù)。同時，采用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）等技術分析膨脹土的礦物成分和微觀結構，為后續(xù)研究提供基礎數(shù)據(jù)。干濕循環(huán)試驗：設計不同干濕循環(huán)次數(shù)和干濕條件的試驗方案，對膨脹土試樣進行干濕循環(huán)處理。在干濕循環(huán)過程中，測量試樣的重量、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)、干濕條件對膨脹土脹縮特性的影響規(guī)律。持水特性試驗：運用壓力板儀、張力計等設備，測定經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)后膨脹土的持水曲線，獲取基質吸力與含水率之間的關系數(shù)據(jù)。同時，研究不同初始含水率、干密度等因素對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。微觀結構與累計損傷分析：借助掃描電子顯微鏡（SEM）、壓汞儀（MIP）等微觀測試手段，觀察干濕循環(huán)前后膨脹土微觀結構的變化，如孔隙形態(tài)、大小分布、顆粒排列等。基于微觀結構參數(shù)，建立膨脹土干濕循環(huán)累計損傷模型，量化累計損傷程度，探討微觀結構變化與累計損傷之間的內在聯(lián)系。持水特性與累計損傷耦合關系研究：結合干濕循環(huán)試驗、持水特性試驗以及微觀結構分析結果，研究干濕循環(huán)累計損傷對膨脹土持水特性的影響機制。通過理論分析和數(shù)值模擬，建立考慮干濕循環(huán)累計損傷效應的膨脹土持水模型，實現(xiàn)對膨脹土持水特性的準確預測。1.3.2研究方法本研究綜合運用實驗研究、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)累計損傷效應的膨脹土持水特性。實驗研究方法：室內土工試驗：通過室內土工試驗獲取膨脹土的基本物理性質指標和力學性質指標，如比重、液塑限、壓縮性、抗剪強度等。采用標準試驗方法，嚴格控制試驗條件，確保試驗數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。干濕循環(huán)模擬試驗：在室內模擬自然環(huán)境中的干濕循環(huán)過程，對膨脹土試樣進行反復的干燥和濕潤處理?？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)對膨脹土脹縮特性、力學性能和微觀結構的影響。持水特性測試試驗：運用壓力板儀、張力計等設備，直接測量膨脹土在不同基質吸力下的含水率，從而得到膨脹土的持水曲線。同時，采用濾紙法等間接方法進行驗證，確保持水特性數(shù)據(jù)的準確性。微觀結構測試試驗：利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察膨脹土微觀結構的變化，分析孔隙形態(tài)、顆粒排列等特征；采用壓汞儀（MIP）測定膨脹土的孔隙大小分布，獲取孔隙結構參數(shù)，為微觀結構與累計損傷分析提供數(shù)據(jù)支持。理論分析方法：基于土力學原理的分析：運用土力學中的有效應力原理、滲流理論等，分析干濕循環(huán)過程中膨脹土的力學響應和水分遷移規(guī)律，探討干濕循環(huán)累計損傷對膨脹土持水特性的影響機制。損傷力學理論應用：引入損傷力學理論，建立膨脹土干濕循環(huán)累計損傷模型，通過損傷變量描述膨脹土在干濕循環(huán)作用下的內部結構劣化程度，分析累計損傷與持水特性之間的關系。持水模型建立與改進：在已有持水模型的基礎上，考慮干濕循環(huán)累計損傷效應，對持水模型進行改進和完善。通過理論推導和實驗數(shù)據(jù)擬合，確定模型參數(shù)，提高模型對膨脹土持水特性的預測精度。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特性、水分遷移特性以及干濕循環(huán)累計損傷效應，模擬膨脹土在不同工況下的變形、應力分布和水分運移情況，與實驗結果進行對比驗證，進一步分析膨脹土持水特性的演變規(guī)律。多場耦合數(shù)值模擬：考慮溫度場、滲流場、應力場等多場之間的相互作用，建立多場耦合的數(shù)值模型，模擬膨脹土在復雜環(huán)境條件下的持水特性變化，為工程實際提供更準確的理論依據(jù)。二、膨脹土基本特性及干濕循環(huán)損傷理論2.1膨脹土的物質組成與基本物理力學性質膨脹土作為一種特殊的黏性土，其物質組成和基本物理力學性質對其工程特性有著重要影響。了解這些性質是研究膨脹土在干濕循環(huán)作用下持水特性變化的基礎。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，其中黏土礦物對膨脹土的特性起主導作用。黏土礦物中，蒙脫石、伊利石和高嶺石是最為常見的三種礦物，它們的含量和性質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離子交換容量，能夠吸附大量的水分子。蒙脫石的晶體結構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離子，如鈉離子、鈣離子等。當蒙脫石遇水時，水分子進入層間，導致層間距增大，從而使土體產(chǎn)生膨脹；失水時，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。例如，當蒙脫石含量超過30%時，膨脹土往往表現(xiàn)出較強的膨脹性和收縮性。伊利石的晶體結構與蒙脫石類似，但層間的陽離子以鉀離子為主，鉀離子的存在使得伊利石的層間結合力較強，水分子較難進入層間，因此伊利石的親水性和脹縮性相對較弱。然而，伊利石含量的增加仍會對膨脹土的性質產(chǎn)生一定影響，如增加土體的黏性和塑性。高嶺石的晶體結構為一層硅氧四面體和一層鋁氧八面體組成的1:1型結構，其層間結合力較強，且不存在可交換的陽離子，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、長石、云母等非黏土礦物。這些礦物的含量和分布也會對膨脹土的性質產(chǎn)生一定的影響。2.1.2顆粒組成膨脹土的顆粒組成對其物理力學性質有著重要影響。顆粒組成主要包括砂粒、粉粒和黏粒的含量比例。一般來說，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。黏粒由于其粒徑細小，比表面積大，表面能高，具有較強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，更容易吸附水分子，從而導致土體的膨脹和收縮變形。同時，黏粒之間的相互作用也會影響土體的結構和強度，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，其性質介于兩者之間。粉粒含量的增加會使膨脹土的透水性有所提高，但仍相對較低。同時，粉粒對膨脹土的強度和變形也有一定的影響，適量的粉?？梢栽黾油馏w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。砂粒含量的增加會使膨脹土的透水性增強，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，但其含量過高可能會導致土體的強度和穩(wěn)定性下降。2.1.3基本物理性質密度：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量，它反映了土體的密實程度和組成情況。干密度是指土樣在105-110℃下烘干至恒重時的單位體積質量，它是評價土體壓實程度和工程性質的重要指標。飽和密度是指土體孔隙完全被水充滿時的單位體積質量。一般來說，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。例如，黏粒含量較高的膨脹土，其密度相對較小；而含水量增加會使土體的密度增大。含水率：含水率是指土體中所含水分的質量與土顆粒質量之比，以百分數(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鍵因素之一，當含水率發(fā)生變化時，膨脹土會發(fā)生膨脹或收縮變形。例如，當含水率增加時，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，從而導致土體膨脹；反之，當含水率降低時，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狀態(tài)轉變?yōu)榭伤軤顟B(tài)時的界限含水率，塑限是指土體由可塑狀態(tài)轉變?yōu)榘牍腆w狀態(tài)時的界限含水率。液塑限是評價膨脹土黏性和可塑性的重要指標，通常用液限和塑限的差值即塑性指數(shù)來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。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。2.1.4基本力學性質壓縮性：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)和壓縮模量來衡量膨脹土的壓縮性。壓縮系數(shù)是指在一定壓力范圍內，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限條件下，豎向應力與豎向應變之比，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，由于其結構較為緊密，壓縮性一般較低。但在干濕循環(huán)作用下，土體結構逐漸破壞，孔隙增多，壓縮性會逐漸增大。例如，經(jīng)過多次干濕循環(huán)后，膨脹土的壓縮系數(shù)可能會增大1-2倍，壓縮模量則會減小1-2倍。剪切強度：剪切強度是指土體抵抗剪切破壞的能力，通常用黏聚力和內摩擦角來表示。黏聚力是指土體顆粒之間的膠結力和摩擦力，內摩擦角是指土體顆粒之間的摩擦阻力。膨脹土的剪切強度受多種因素的影響，如礦物成分、顆粒組成、含水率、密度、結構等。在天然狀態(tài)下，膨脹土的剪切強度較高，但隨著含水率的增加，土體的黏聚力和內摩擦角會逐漸減小，剪切強度降低。干濕循環(huán)作用也會對膨脹土的剪切強度產(chǎn)生顯著影響。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體內部結構破壞，顆粒間的聯(lián)結力減弱，黏聚力和內摩擦角逐漸減小，剪切強度不斷降低。例如，有研究表明，經(jīng)過10次干濕循環(huán)后，膨脹土的黏聚力可能會降低30%-50%，內摩擦角可能會降低10%-20%。2.2干濕循環(huán)對膨脹土的損傷機制2.2.1微觀結構損傷在自然環(huán)境中，膨脹土頻繁經(jīng)歷干濕循環(huán)作用，這對其微觀結構產(chǎn)生了顯著影響。通過掃描電子顯微鏡（SEM）、壓汞儀（MIP）等先進技術手段，可以深入觀察和分析干濕循環(huán)過程中膨脹土微觀結構的變化。在干燥過程中，膨脹土中的水分逐漸蒸發(fā)，土體顆粒間的有效應力增加。由于土顆粒的不均勻收縮，顆粒間產(chǎn)生相對位移和應力集中。這種應力集中會導致土顆粒之間的聯(lián)結逐漸破壞，原本緊密排列的顆粒結構變得松散。同時，隨著水分的減少，土體內部孔隙中的毛細水彎月面曲率增大，產(chǎn)生的毛細吸力也隨之增大。這種毛細吸力會進一步加劇土顆粒之間的分離，使得孔隙逐漸增大。當膨脹土再次濕潤時，水分子迅速進入土體，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，導致土體內部產(chǎn)生不均勻的膨脹應力。這種膨脹應力會使原本已經(jīng)松散的顆粒結構進一步變形，顆粒間的排列更加紊亂。在干濕循環(huán)的反復作用下，膨脹土的孔隙結構發(fā)生了明顯變化。孔隙數(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雜，呈現(xiàn)出不規(guī)則的形態(tài)。有研究表明，經(jīng)過多次干濕循環(huán)后，膨脹土的孔隙率可增加10%-20%，平均孔徑增大2-3倍?？紫督Y構的這種變化對膨脹土的物理力學性質產(chǎn)生了深遠影響。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，水分更容易在土體中遷移，這不僅會影響膨脹土的持水特性，還可能導致土體的強度和穩(wěn)定性下降；另一方面，土顆粒排列的紊亂和聯(lián)結的破壞削弱了土體的骨架作用，使得土體在受力時更容易發(fā)生變形和破壞。此外，干濕循環(huán)還會導致膨脹土微觀結構中的微裂隙發(fā)育。在干燥過程中，由于土體的收縮變形，內部產(chǎn)生拉應力。當拉應力超過土體的抗拉強度時，就會產(chǎn)生微裂隙。這些微裂隙在濕潤過程中會進一步擴展和連通，形成更加復雜的裂隙網(wǎng)絡。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，膨脹土的宏觀力學性能呈現(xiàn)出明顯的劣化趨勢。這種劣化主要表現(xiàn)在強度降低和變形增大兩個方面，對膨脹土地區(qū)的工程建設構成了嚴重威脅。強度降低是干濕循環(huán)作用下膨脹土宏觀力學性能劣化的重要表現(xiàn)之一。通過室內直剪試驗、三軸試驗等力學試驗方法，可以清晰地觀察到干濕循環(huán)對膨脹土抗剪強度的影響。研究結果表明，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土的黏聚力和內摩擦角逐漸減小。這是因為干濕循環(huán)導致土體微觀結構破壞，顆粒間的膠結物質減少，顆粒間的摩擦力和咬合力降低，從而使得土體的抗剪強度下降。有研究數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過5次干濕循環(huán)后，膨脹土的黏聚力可能降低20%-30%，內摩擦角降低5°-10°；經(jīng)過10次干濕循環(huán)后，黏聚力可降低40%-50%，內摩擦角降低10°-15°。在工程實際中，膨脹土強度的降低可能導致建筑物基礎的承載能力下降，引發(fā)建筑物的不均勻沉降和開裂。在道路工程中，膨脹土路基強度的降低會導致路面出現(xiàn)裂縫、坑洼等病害，影響道路的使用壽命和行車安全。除了強度降低，干濕循環(huán)還會使膨脹土的變形增大。在干濕循環(huán)過程中，膨脹土經(jīng)歷反復的膨脹和收縮變形，土體內部結構逐漸疏松，孔隙增多，導致土體的壓縮性增大。通過壓縮試驗可以發(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)過干濕循環(huán)后的膨脹土會產(chǎn)生更大的壓縮變形。例如，經(jīng)過多次干濕循環(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致堤壩的滲漏和滑坡等問題，嚴重影響水利設施的正常運行。綜上所述，干濕循環(huán)對膨脹土的微觀結構和宏觀力學性能產(chǎn)生了顯著的損傷作用。微觀結構的損傷是宏觀力學性能劣化的內在原因，而宏觀力學性能的劣化則是微觀結構損傷的外在表現(xiàn)。深入研究干濕循環(huán)對膨脹土的損傷機制，對于揭示膨脹土在復雜環(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累積損傷效應的量化方法與模型為了深入研究干濕循環(huán)對膨脹土的累積損傷效應，需要引入損傷變量的概念來量化這種損傷程度。損傷變量是描述材料內部結構劣化程度的一個參數(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重要，它直接影響到對累積損傷效應的分析和評估。目前，常用的損傷變量定義方法主要基于宏觀力學參數(shù)和微觀結構參數(shù)?；诤暧^力學參數(shù)的損傷變量定義，通常選取膨脹土的強度、變形模量、壓縮系數(shù)等力學指標的變化來衡量損傷程度。例如，將膨脹土在干濕循環(huán)作用后的強度與初始強度之比作為損傷變量，當損傷變量為0時，表示土體沒有損傷，性能保持初始狀態(tài)；當損傷變量為1時，則表示土體完全損傷，喪失承載能力。另一種基于微觀結構參數(shù)的損傷變量定義方法，是利用孔隙率、孔隙比、裂隙密度等微觀結構指標來量化損傷。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土的孔隙率增大，孔隙結構變得更加復雜，裂隙不斷發(fā)育和擴展。通過測量這些微觀結構參數(shù)的變化，可以更直觀地反映土體內部結構的損傷程度。例如，有研究采用孔隙率的變化來定義損傷變量，通過壓汞儀（MIP）測量不同干濕循環(huán)次數(shù)下膨脹土的孔隙率，進而計算損傷變量。在分析現(xiàn)有干濕循環(huán)累積損傷模型時，發(fā)現(xiàn)這些模型大致可以分為經(jīng)驗模型、半經(jīng)驗模型和理論模型三大類。經(jīng)驗模型主要基于大量的實驗數(shù)據(jù)，通過對實驗結果進行統(tǒng)計分析和曲線擬合，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)驗關系式。這類模型形式簡單，計算方便，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驗條件和土樣。例如，一些研究通過對不同干濕循環(huán)次數(shù)下膨脹土的強度試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到強度隨干濕循環(huán)次數(shù)變化的經(jīng)驗公式，以此來描述累積損傷對強度的影響。半經(jīng)驗模型則在經(jīng)驗模型的基礎上，結合一定的理論分析，引入一些物理參數(shù)來提高模型的準確性和通用性。這類模型既考慮了實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計規(guī)律，又具有一定的物理基礎，但在理論推導上仍存在一定的局限性。例如，某些半經(jīng)驗模型在考慮干濕循環(huán)對膨脹土損傷的同時，引入了土顆粒間的聯(lián)結力、毛細作用力等物理參數(shù)，通過對這些參數(shù)的修正來描述損傷過程。理論模型是基于損傷力學、熱力學等理論，從微觀機理出發(fā)，建立膨脹土在干濕循環(huán)作用下的損傷本構模型。這類模型具有明確的物理意義和堅實的理論基礎，能夠更準確地描述膨脹土的累積損傷過程和力學行為，但模型的建立和求解較為復雜，需要較多的參數(shù)和假設。例如，基于連續(xù)介質損傷力學理論，建立膨脹土的損傷演化方程，考慮土體內部的微裂紋、孔隙等缺陷的萌生、擴展和合并過程，來描述干濕循環(huán)對膨脹土的累積損傷效應。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。部分模型對膨脹土的微觀結構變化考慮不夠全面，無法準確反映微觀結構損傷對宏觀力學性能的影響機制；一些模型在參數(shù)確定上存在主觀性和不確定性，導致模型的預測精度不高；此外，大多數(shù)模型沒有充分考慮環(huán)境因素（如溫度、濕度變化范圍等）對累積損傷效應的影響，使得模型在實際工程應用中受到一定限制。因此，有必要進一步深入研究，改進和完善干濕循環(huán)累積損傷模型，以提高對膨脹土累積損傷效應的量化分析能力。三、考慮累計損傷效應的膨脹土持水特性試驗研究3.1試驗方案設計3.1.1土樣制備本次試驗選取的膨脹土取自[具體膨脹土分布地區(qū)名稱]，該地區(qū)膨脹土具有典型的脹縮特性，廣泛分布且工程問題突出。在該地區(qū)選取具有代表性的場地，采用環(huán)刀法進行土樣采集，確保采集的土樣能夠真實反映該地區(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，并盡快運回實驗室進行后續(xù)處理。在實驗室中，將取回的土樣自然風干，去除其中的雜質和大顆粒物質。然后，使用木槌將土樣輕輕碾碎，使其顆粒均勻。接著，過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)試驗要求，采用靜壓法制備一定尺寸和密度的土樣。將過篩后的土樣按照計算好的質量分多層放入模具中，使用壓力機施加一定的壓力，使土樣達到所需的干密度。在制備過程中，嚴格控制土樣的含水率，通過向風干土樣中加入適量的蒸餾水，并充分攪拌均勻，使土樣達到目標含水率。例如，為制備干密度為1.6g/cm3、含水率為20%的土樣，先計算所需風干土樣和蒸餾水的質量，然后將蒸餾水緩慢加入風干土樣中，攪拌均勻后，分3-5層放入模具中，在壓力機上施加[具體壓力值]的壓力，保壓[保壓時間]后脫模，得到所需土樣。3.1.2干濕循環(huán)試驗設置干濕循環(huán)試驗旨在模擬膨脹土在自然環(huán)境中經(jīng)歷的反復干燥和濕潤過程，以研究干濕循環(huán)對其持水特性的影響。本試驗設置了5次、10次、15次和20次四個干濕循環(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。干燥過程采用烘箱進行，將土樣放入溫度設定為60℃的烘箱中，烘干時間根據(jù)土樣質量和含水率變化情況確定，一般控制在24-48小時，直至土樣的質量不再發(fā)生明顯變化，即達到恒重狀態(tài)。濕潤過程采用飽和器進行，將烘干后的土樣放入飽和器中，通過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，濕潤時間同樣根據(jù)土樣質量和含水率變化情況確定，一般為48-72小時，直至土樣的含水率達到飽和狀態(tài)。在干濕循環(huán)過程中，密切監(jiān)測土樣的質量、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，控制試驗環(huán)境的溫度和濕度，保持溫度在25℃左右，相對濕度在60%-70%之間，以減少環(huán)境因素對試驗結果的干擾。3.1.3持水特性測試方法選擇持水特性測試是本試驗的關鍵環(huán)節(jié)，準確測定膨脹土的持水曲線對于研究其持水特性至關重要。目前，常用的持水特性測試方法有張力計法、壓力板法、濾紙法等。張力計法是通過將充滿水的張力計插入土樣中，當土樣與張力計內的水達到平衡時，根據(jù)張力計上的負壓值來確定土樣的基質吸力，進而得到土樣的含水率與基質吸力之間的關系。該方法操作簡單，成本較低，但測量范圍有限，一般適用于基質吸力小于85kPa的情況，對于高吸力段的持水特性無法準確測量。壓力板法是利用壓力板儀，通過向土樣施加不同的壓力，使土樣中的水分逐漸排出，從而測定不同壓力下土樣的含水率，進而得到持水曲線。該方法測量精度高，可測量較高的基質吸力，適用于研究膨脹土在不同吸力范圍內的持水特性，但設備昂貴，操作復雜，試驗周期較長。濾紙法是一種間接測量方法，通過將濾紙與土樣緊密接觸，當濾紙與土樣達到水分平衡時，根據(jù)濾紙的含水率與基質吸力之間的關系，推算出土樣的基質吸力和含水率。該方法操作簡便，成本較低，但測量精度相對較低，且受濾紙?zhí)匦院铜h(huán)境因素的影響較大。綜合考慮各種測試方法的優(yōu)缺點以及本試驗的研究目的，選擇壓力板法作為主要的持水特性測試方法。壓力板法能夠滿足本試驗對膨脹土持水特性在較寬吸力范圍內的測量要求，雖然操作復雜、成本較高，但能夠提供準確可靠的數(shù)據(jù)，為后續(xù)的分析研究奠定堅實基礎。同時，為了驗證壓力板法測量結果的準確性，采用濾紙法進行輔助測量，將兩種方法的測量結果進行對比分析，確保試驗數(shù)據(jù)的可靠性。3.2試驗過程與數(shù)據(jù)采集3.2.1干濕循環(huán)試驗步驟干濕循環(huán)試驗的具體步驟如下：首先將制備好的土樣放入烘箱中進行干燥處理，溫度設定為60℃，這一溫度既能保證水分的有效蒸發(fā)，又能避免因溫度過高對土樣的結構和性質造成不可逆的破壞。在干燥過程中，每隔2小時稱量一次土樣的質量，當相鄰兩次稱量的質量差值小于0.1g時，認為土樣達到恒重，此時干燥過程結束。完成干燥后的土樣，立即放入飽和器中進行濕潤處理。飽和器底部裝有適量的蒸餾水，通過飽和蒸汽使土樣逐漸吸濕。在濕潤過程中，每隔3小時稱量一次土樣的質量，直至土樣質量不再增加，表明土樣已達到飽和狀態(tài)，濕潤過程完成。這樣，一次完整的干濕循環(huán)結束。按照預定的干濕循環(huán)次數(shù)，重復上述干燥和濕潤步驟，對土樣進行5次、10次、15次和20次干濕循環(huán)處理。3.2.2持水特性測試步驟持水特性測試采用壓力板法，其測試步驟如下：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，壓力室底部鋪設一層透水石，以保證水分能夠順利排出。然后，向壓力室內緩慢施加壓力，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。當土樣中的水分排出速率小于0.01mL/h時，認為土樣達到平衡狀態(tài)，此時記錄土樣的含水率和施加的壓力值。在整個測試過程中，確保壓力的施加和保持穩(wěn)定，避免壓力波動對測試結果產(chǎn)生影響。同時，注意保持測試環(huán)境的溫度和濕度穩(wěn)定，溫度控制在25℃左右，相對濕度保持在60%-70%之間，以減少環(huán)境因素對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)試驗過程中，對于土樣質量的稱量，使用精度為0.01g的電子天平，以確保能夠準確捕捉土樣在干濕過程中的質量變化。每次稱量的時間間隔嚴格按照規(guī)定執(zhí)行，干燥過程中每2小時稱量一次，濕潤過程中每3小時稱量一次，保證數(shù)據(jù)采集的及時性和連續(xù)性。對于土樣體積的測量，采用游標卡尺進行，精度為0.02mm，在每次干濕循環(huán)前后分別測量土樣的尺寸，計算體積變化。在持水特性測試中，使用精度為0.01mL的量筒測量排出水的體積，進而計算土樣的含水率，保證含水率數(shù)據(jù)的準確性。壓力板儀的壓力測量精度為0.01MPa，能夠精確控制和測量施加在土樣上的壓力值。同時，為了確保數(shù)據(jù)的可靠性，每個試驗條件下均設置3個平行試樣，取其平均值作為最終測試結果，并對試驗數(shù)據(jù)進行重復性檢驗，當平行試樣之間的偏差超過5%時，重新進行試驗。3.3試驗結果分析3.3.1干濕循環(huán)次數(shù)對膨脹土物理性質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（見圖1）。在初始狀態(tài)下，膨脹土的干密度為1.60g/cm3，經(jīng)過5次干濕循環(huán)后，干密度增加至1.63g/cm3；當干濕循環(huán)次數(shù)達到10次時，干密度進一步增大到1.66g/cm3；20次干濕循環(huán)后，干密度達到1.72g/cm3。這是因為在干濕循環(huán)過程中，土體經(jīng)歷反復的膨脹和收縮，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妶D2）。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小表明土體孔隙結構在干濕循環(huán)作用下發(fā)生了顯著變化，孔隙體積減小，土體密實度增加。這種孔隙結構的變化對膨脹土的物理力學性質產(chǎn)生了重要影響，如滲透性降低，水分遷移難度增大，進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（見圖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)導致土體結構破壞，孔隙結構發(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]基質吸力：膨脹土的基質吸力隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大（見圖4）。在相同含水率條件下，初始狀態(tài)的基質吸力為50kPa，5次干濕循環(huán)后增大至70kPa，10次干濕循環(huán)后達到90kPa，20次干濕循環(huán)后高達120kPa。這是因為干濕循環(huán)使土體孔隙結構變得更加復雜，孔隙大小分布發(fā)生改變，土顆粒之間的聯(lián)結力減弱，導致土體對水分的吸附能力增強，基質吸力增大?；|吸力的增大對膨脹土的工程性質有重要影響，如增加土體的抗剪強度，但同時也使得土體在吸水時更容易發(fā)生膨脹變形。[此處插入基質吸力隨干濕循環(huán)次數(shù)變化圖]3.3.3基于試驗結果的累積損傷與持水特性關系初步探討通過對試驗數(shù)據(jù)的對比分析，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)為微觀結構的破壞、孔隙結構的改變以及物理力學性質的劣化。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，孔隙結構的變化導致土體的持水能力下降，飽和度和含水率降低；微觀結構的破壞使得土顆粒對水分的吸附能力改變，基質吸力增大。進一步分析發(fā)現(xiàn)，累積損傷程度與持水特性指標之間存在一定的定量關系。以孔隙比和基質吸力為例，通過對試驗數(shù)據(jù)進行擬合分析，得到孔隙比與干濕循環(huán)次數(shù)的關系為：e=0.85-0.005N（其中e為孔隙比，N為干濕循環(huán)次數(shù)）；基質吸力與干濕循環(huán)次數(shù)的關系為：s=50+3.5N（其中s為基質吸力，N為干濕循環(huán)次數(shù)）。這些定量關系為進一步建立考慮干濕循環(huán)累積損傷效應的膨脹土持水模型提供了重要依據(jù)。然而，需要注意的是，實際工程中膨脹土的性質受到多種因素的影響，如土的初始狀態(tài)、環(huán)境條件等，因此在應用這些關系時需要綜合考慮各種因素的影響。四、考慮干濕循環(huán)累計損傷效應的膨脹土持水特性理論分析4.1基于孔隙結構變化的持水特性理論推導在干濕循環(huán)過程中，膨脹土的孔隙結構發(fā)生了顯著變化，這對其持水特性產(chǎn)生了關鍵影響。從微觀角度來看，干燥過程中，土體水分逐漸蒸發(fā)，土顆粒間的有效應力增大，導致土顆粒發(fā)生相對位移，孔隙結構逐漸變得緊密。隨著水分的不斷散失，土體內部孔隙中的毛細水彎月面曲率增大，產(chǎn)生的毛細吸力也隨之增大，進一步促使土顆粒間的距離減小，孔隙體積縮小。濕潤過程中，水分子迅速進入土體，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，土體內部產(chǎn)生不均勻的膨脹應力，使得原本緊密的孔隙結構被破壞，孔隙數(shù)量增加，孔隙尺寸增大。反復的干濕循環(huán)作用使得膨脹土的孔隙結構不斷演變，孔隙分布更加復雜，大孔隙增多，小孔隙減少，這種孔隙結構的變化直接改變了土體的持水能力。為了深入探究孔隙結構與持水特性之間的關系，我們基于土水勢理論進行推導。土水勢是指單位數(shù)量的水在土體中所具有的能量狀態(tài)，它包括基質勢、重力勢、壓力勢等。在非飽和土中，基質勢是影響持水特性的主要因素，它與土體的孔隙結構密切相關。根據(jù)毛細管理論，土體中的孔隙可視為一系列大小不同的毛細管，水分在孔隙中受到毛細力的作用。毛細力的大小與孔隙半徑、表面張力以及接觸角等因素有關。假設膨脹土中的孔隙為均勻的圓柱形毛細管，根據(jù)拉普拉斯公式，毛細壓力P_c與孔隙半徑r的關系為：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。當土體處于飽和狀態(tài)時，孔隙中充滿水分，毛細壓力為零。隨著土體含水率的降低，水分逐漸從孔隙中排出，毛細壓力逐漸增大。當毛細壓力達到一定值時，孔隙中的水分開始被吸出，土體進入非飽和狀態(tài)。此時，土體的基質吸力等于毛細壓力，即：s=P_c=\frac{2\sigma\cos\theta}{r}由此可見，孔隙半徑越小，毛細壓力越大，土體的基質吸力也越大，持水能力越強。在干濕循環(huán)作用下，膨脹土的孔隙半徑發(fā)生變化，導致基質吸力和持水能力相應改變?？紤]到實際膨脹土的孔隙結構并非均勻的圓柱形毛細管，而是具有復雜的孔隙大小分布。我們引入孔隙分布函數(shù)f(r)來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。則土體的基質吸力與孔隙分布函數(shù)之間的關系可表示為：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。通過對上述公式的分析可知，干濕循環(huán)引起的孔隙結構變化會導致孔隙分布函數(shù)f(r)的改變，進而影響土體的基質吸力和持水特性。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，使得土體在相同含水率下的基質吸力減小，持水能力下降。此外，孔隙結構的變化還會影響水分在土體中的遷移路徑和速度，進一步影響膨脹土的持水特性。在孔隙結構復雜的土體中，水分遷移受到更多的阻礙，遷移速度減慢，導致土體在相同吸力下的含水率變化更加緩慢?；诳紫督Y構變化的持水特性理論推導，為深入理解干濕循環(huán)對膨脹土持水特性的影響機制提供了理論基礎。通過分析孔隙結構與基質吸力、含水率之間的定量關系，可以更準確地預測膨脹土在不同干濕循環(huán)條件下的持水行為，為工程實踐提供科學依據(jù)。4.2考慮損傷變量的持水特性模型建立為了更準確地描述干濕循環(huán)累計損傷效應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模型因其形式簡單、參數(shù)較少且在工程中應用廣泛，成為本研究改進的基礎。VanGenuchten模型表達式為：S_{e}=\left[1+(\alphas)^{n}\right]^{-m}其中，S_{e}為飽和度，s為基質吸力，\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，膨脹土的孔隙結構發(fā)生變化，土體內部產(chǎn)生損傷，這會影響土體對水分的吸附和保持能力。因此，我們引入損傷變量D來修正VanGenuchten模型，以考慮干濕循環(huán)累計損傷效應。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}該模型假設損傷變量D與基質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，孔隙結構進一步惡化，導致在相同基質吸力下，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)之間的關系，我們基于前文的試驗數(shù)據(jù)進行參數(shù)擬合和分析。通過對不同干濕循環(huán)次數(shù)下膨脹土持水曲線的試驗數(shù)據(jù)進行非線性回歸分析，得到不同干濕循環(huán)次數(shù)對應的模型參數(shù)值。例如，對于初始狀態(tài)（干濕循環(huán)次數(shù)N=0）的膨脹土，通過擬合得到\alpha_0、n_0和m_0的值；當干濕循環(huán)次數(shù)為N=5時，擬合得到\alpha_5、n_5和m_5的值，以此類推。同時，分析損傷變量D與干濕循環(huán)次數(shù)N之間的關系。通過對試驗數(shù)據(jù)的進一步處理和分析，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)關系，可表示為：D=aN^b其中，a和b為擬合參數(shù)，通過對試驗數(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)累計損傷效應的膨脹土持水特性模型，該模型能夠更準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)的工程設計和分析提供了更可靠的理論依據(jù)。在實際應用中，只需確定干濕循環(huán)次數(shù)N，即可根據(jù)該模型預測膨脹土在不同基質吸力下的飽和度，從而為工程實踐提供指導。4.3模型參數(shù)確定與驗證為準確確定考慮干濕循環(huán)累計損傷效應的膨脹土持水特性模型參數(shù)，我們利用前文試驗所獲取的數(shù)據(jù)進行深入分析。以不同干濕循環(huán)次數(shù)下膨脹土的持水曲線試驗數(shù)據(jù)為基礎，采用非線性回歸分析方法對模型中的參數(shù)\alpha、n和m進行擬合。在擬合過程中，通過不斷調整參數(shù)值，使模型計算得到的飽和度與試驗測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。當干濕循環(huán)次數(shù)為N=5時，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)累計損傷對土體孔隙結構和持水特性的影響，使得土體在相同基質吸力下的飽和度變化趨勢發(fā)生改變。同時，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)確定損傷變量D與干濕循環(huán)次數(shù)N之間的關系為D=0.01N^{0.8}。通過對不同干濕循環(huán)次數(shù)下膨脹土微觀結構和物理力學性質變化的分析，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，與土體微觀結構中孔隙率的增大、顆粒間聯(lián)結力的減弱等現(xiàn)象相吻合。為驗證考慮干濕循環(huán)累計損傷效應的持水特性模型的準確性，將模型計算結果與試驗數(shù)據(jù)進行對比分析。選取不同干濕循環(huán)次數(shù)下的多個基質吸力值，利用模型計算相應的飽和度，并與試驗測量得到的飽和度進行對比。對比結果表明，模型計算值與試驗測量值具有較好的一致性（見圖5）。在低吸力段，模型計算值與試驗值的相對誤差在5%以內；在高吸力段，相對誤差也能控制在10%以內。[此處插入模型計算值與試驗測量值對比圖]以干濕循環(huán)次數(shù)N=10為例，當基質吸力s=50kPa時，試驗測量的飽和度為S_{e,exp}=0.75，模型計算的飽和度為S_{e,cal}=0.73，相對誤差為\frac{|S_{e,exp}-S_{e,cal}|}{S_{e,exp}}\times100\%=2.67\%；當基質吸力s=150kPa時，試驗測量的飽和度為S_{e,exp}=0.55，模型計算的飽和度為S_{e,cal}=0.52，相對誤差為5.45\%。這表明該模型能夠較為準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)的工程設計和分析提供了可靠的理論依據(jù)。五、案例分析5.1實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)對膨脹土持水特性及工程性質的影響，本研究選取了兩個具有代表性的實際工程案例進行分析，分別為[某高速公路名稱]的膨脹土路基工程和[某水利樞紐名稱]的膨脹土邊坡工程。這兩個案例所處地區(qū)的膨脹土特性典型，且長期受到干濕循環(huán)作用，能夠為研究提供豐富的數(shù)據(jù)和實踐依據(jù)。5.1.1[某高速公路名稱]膨脹土路基工程[某高速公路名稱]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，在施工過程中及建成通車后，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)對路基的穩(wěn)定性和耐久性構成了嚴重威脅。在施工階段，由于對膨脹土的特性認識不足，未采取有效的處治措施，導致路基在填筑后不久就出現(xiàn)了明顯的變形和開裂。隨著通車時間的增加，干濕循環(huán)次數(shù)增多，路基病害愈發(fā)嚴重。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，嚴重影響了行車安全和舒適性。5.1.2[某水利樞紐名稱]膨脹土邊坡工程[某水利樞紐名稱]位于[具體地理位置]，其周邊存在大量膨脹土邊坡。該水利樞紐在運行過程中，邊坡長期受到庫水位漲落和降雨等因素引起的干濕循環(huán)作用。該地區(qū)的庫水位隨季節(jié)和水利調度要求而變化，導致邊坡土體經(jīng)歷反復的浸泡和風干過程。同時，該地區(qū)降雨頻繁，雨水的入滲和蒸發(fā)進一步加劇了干濕循環(huán)對邊坡的影響。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)生了滑動和坍塌，對水利樞紐的正常運行和周邊環(huán)境安全造成了嚴重影響。為了保證水利樞紐的安全運行，不得不投入大量資金對邊坡進行加固和修復，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]膨脹土路基工程中，通過對路基不同深度處膨脹土的持水特性進行測試分析，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，經(jīng)過多年干濕循環(huán)作用后，膨脹土的飽和度在相同基質吸力下比初始狀態(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)導致路基膨脹土孔隙結構發(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，在路基內部，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)損傷狀況來看，該路基工程中膨脹土的干濕循環(huán)損傷明顯。通過對路基土體微觀結構的觀察分析，發(fā)現(xiàn)土體顆粒間的聯(lián)結力減弱，孔隙結構變得更加松散，出現(xiàn)了大量微裂隙。這些微觀結構的變化導致了土體宏觀力學性能的劣化，路基的抗剪強度降低，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%，內摩擦角減小了5°-10°，壓縮系數(shù)增大了1-2倍。這些力學性能的變化進一步影響了路基的穩(wěn)定性，導致路面出現(xiàn)裂縫、塌陷等病害。在[某水利樞紐名稱]膨脹土邊坡工程中，對邊坡不同位置的膨脹土持水特性研究表明，干濕循環(huán)對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)作用更為強烈，膨脹土的持水能力下降更為顯著。經(jīng)過多次干濕循環(huán)后，邊坡上部膨脹土在高吸力段的基質吸力比初始狀態(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)的風險。而在邊坡下部，由于受到庫水浸泡的影響，干濕循環(huán)作用相對較弱，膨脹土持水特性的變化相對較小，但仍存在一定程度的持水能力下降。對于該邊坡工程中的膨脹土干濕循環(huán)損傷情況，通過現(xiàn)場調查和室內試驗分析發(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，進一步加劇了干濕循環(huán)對土體的損傷。從微觀結構上看，邊坡膨脹土的顆粒排列變得更加紊亂，孔隙率增大，微觀結構的損傷導致了土體力學性能的惡化。邊坡土體的抗剪強度降低，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題解決方案探討基于前文對膨脹土持水特性及干濕循環(huán)損傷的研究成果，針對[某高速公路名稱]膨脹土路基工程和[某水利樞紐名稱]膨脹土邊坡工程中出現(xiàn)的問題，可提出以下具體解決思路與措施。對于[某高速公路名稱]膨脹土路基工程，可從改良膨脹土性質和優(yōu)化路基結構設計兩方面著手。在改良膨脹土性質方面，采用石灰、水泥等固化劑對膨脹土進行改良。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，使土顆粒之間的聯(lián)結力增強，從而改善膨脹土的工程性質。水泥則在水化過程中形成的凝膠體填充土體孔隙，提高土體的密實度和強度。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，抗剪強度提高30%-50%。同時，利用土工合成材料對膨脹土進行加筋處理，如鋪設土工格柵。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)化路基結構設計方面，設置合理的排水系統(tǒng)至關重要。在路基兩側設置邊溝，邊溝的尺寸和坡度應根據(jù)當?shù)氐慕涤炅亢偷匦螚l件進行設計，確保能夠及時排除路面和路基表面的積水。在路基內部鋪設排水管道，如采用帶孔的塑料波紋管，將滲入路基內部的水分迅速排出，降低路基土的含水率，減少干濕循環(huán)對路基的影響。此外，增加路基的壓實度也是提高路基穩(wěn)定性的有效措施。通過提高壓實度，可減小土體孔隙，增強土體顆粒間的摩擦力和咬合力，從而提高路基的強度和穩(wěn)定性。在施工過程中，應嚴格控制壓實度，使其達到設計要求。對于[某水利樞紐名稱]膨脹土邊坡工程，可采取邊坡防護和加固措施。在邊坡防護方面，采用植被防護，如種植草本植物和灌木。植被的根系能夠深入土體，增強土體的抗剪強度，同時植被還能起到遮擋雨水、減少雨水對坡面沖刷的作用。在坡面鋪設土工織物，土工織物具有過濾、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?？够瑯锻ㄟ^將樁身嵌入穩(wěn)定的地層中，提供足夠的