水在非飽和膨脹土中的作用機(jī)理研究

龔小麗，文海珍

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西　南寧　530029)

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水在非飽和膨脹土中的作用機(jī)理研究

龔小麗，文海珍

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西南寧530029)

龔小麗(1987—)，助理工程師，研究方向：巖土工程項(xiàng)目管理及生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理；

文海珍(1982—)，助理工程師，研究方向：巖土試驗(yàn)。

摘要：文章從水引起非飽和膨脹土邊坡的破壞出發(fā)，將微觀與宏觀相結(jié)合，提出了水在非飽和膨脹土中的三個(gè)作用機(jī)理：強(qiáng)結(jié)合水的晶層膨脹作用、弱結(jié)合水?dāng)U散膨脹及自由水的滲透膨脹作用和自由水對(duì)基質(zhì)吸力的影響及與膨脹土微裂隙之間的相互作用，并以現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，驗(yàn)證了含水率與膨脹性增加及抗剪強(qiáng)度降低的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：晶層膨脹；擴(kuò)散膨脹；滲透膨脹；基質(zhì)吸力；膨脹力

0引言

膨脹土為含有大量親水礦物、具有吸水顯著膨脹、軟化，失水急劇收縮、開(kāi)裂，強(qiáng)度可以大幅度衰減的特殊性巖土[1]。該類巖土在中國(guó)西南部廣泛分布，隨著西部大開(kāi)發(fā)的推進(jìn)，膨脹土地區(qū)建設(shè)所引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害也越來(lái)越頻繁[2-6]，且其處理難度大，被認(rèn)為是“土體癌癥”，是一個(gè)尚未被了解的世界難題。本文從廣西南寧、百東新區(qū)等道路邊坡現(xiàn)場(chǎng)破壞案例出發(fā)，對(duì)大量的試驗(yàn)

數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，引入礦物學(xué)、膠體化學(xué)、斷裂力學(xué)等理論，從微觀與宏觀相結(jié)合的角度，提出了水在非飽和膨脹土中的三個(gè)作用機(jī)理，即：(1)強(qiáng)結(jié)合水的晶層膨脹作用；(2)弱結(jié)合水?dāng)U散膨脹及自由水的滲透膨脹作用；(3)自由水對(duì)基質(zhì)吸力的影響及與膨脹土微裂隙之間的相互作用。

本文還以現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)膨脹土中含水量與自由膨脹率、膨脹力及抗剪強(qiáng)度之間的內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行了較深入的分析探討，得出了其影響關(guān)系，即這三種作用機(jī)理的數(shù)據(jù)驗(yàn)證。希望本文的基本觀點(diǎn)能為以后膨脹土的災(zāi)害治理提供一定的理論依據(jù)。

1水在非飽和膨脹土中的分布狀態(tài)

土由固相(顆粒)、液相(水)和氣相(氣體)三相構(gòu)成，當(dāng)土中空隙完全由液相填充時(shí)稱之為飽和土。而空隙由水和空氣填充時(shí)稱之非飽和土，即0<飽和度<100。據(jù)廣西南寧和百色東地區(qū)的部分試驗(yàn)成果認(rèn)為，這些地區(qū)的膨脹土多為非飽和膨脹土，如圖1所示。

圖1　非飽和膨脹土飽和度分布圖

根據(jù)水的分布狀態(tài)，非飽和土中的水又可分為結(jié)合水(強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水)和自由水：(1)強(qiáng)結(jié)合水存在于最靠近土顆粒表面處，水分子和水化離子排列非常緊密；(2)弱結(jié)合水距土粒表面較遠(yuǎn)，水分子的排列不如強(qiáng)結(jié)合水緊密，可產(chǎn)生擴(kuò)散遷移(這種運(yùn)動(dòng)與重力無(wú)關(guān))，不能傳遞靜水壓力；(3)自由水主要指重力水，受重力作用，在孔隙中可以流動(dòng)，可傳遞動(dòng)靜水壓力，具有溶解能力，可產(chǎn)生浮托力，還可以形成滲流，對(duì)土粒產(chǎn)生滲透力，使土體發(fā)生滲透變形。

2強(qiáng)結(jié)合水層引起的晶層膨脹

強(qiáng)結(jié)合水層能引起非飽和膨脹土的晶格膨脹與其特殊的晶體結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。從圖2可知，膨脹土所含的特殊礦物——蒙脫石晶體具有特殊的2∶1三層結(jié)構(gòu)，其晶層兩面為氧原子，不能形成氫鍵，故分子間作用力弱，水分子及水化陽(yáng)離子易進(jìn)入晶體層間(強(qiáng)親水性)，并在晶體表面形成定向排列的水分子層，最終形成強(qiáng)結(jié)合水層。強(qiáng)結(jié)合水層的存在破壞了原有晶體的結(jié)構(gòu)，使晶體粒間間距增大，分子間作用力減小，發(fā)生晶層膨脹。

圖2　水分子增加與晶層膨脹示意圖

3弱結(jié)合水的擴(kuò)散膨脹及自由水層引起的滲透膨脹

膨脹土礦物晶體還具有同晶置換特性，同晶置換作用后，晶格內(nèi)呈負(fù)電性。根據(jù)雙電層理論[7]，在靜電場(chǎng)及濃度差作用下，膨脹土的晶體外部形成擴(kuò)散層，擴(kuò)散層中的水多為弱結(jié)合水，弱結(jié)合水層厚度更大，對(duì)原有晶體結(jié)構(gòu)的破壞(擴(kuò)散膨脹)也大于強(qiáng)結(jié)合水層。當(dāng)擴(kuò)散層厚度達(dá)到一定程度，弱結(jié)合水重力大于靜電力時(shí)，弱結(jié)合水便轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤a(chǎn)生水壓力、滲透力，在這些力的作用下產(chǎn)生滲透膨脹。研究表明，因弱結(jié)合水和自由水能相對(duì)自由的擴(kuò)散，其產(chǎn)生的擴(kuò)散膨脹和滲透膨脹比晶層膨脹要大得多[8，9]，是膨脹的主要過(guò)程。

4自由水與非飽和膨脹土中的基質(zhì)吸力、膨脹力的關(guān)系

受表面張力影響，非飽和土孔隙中的水氣界面會(huì)發(fā)生彎曲，并且使彎液面兩邊的氣和水承受不同的壓力，這個(gè)壓力差就是土體的基質(zhì)吸力。它的作用是提高土顆粒間的有效應(yīng)力、提高土體抗剪強(qiáng)度和壓縮模量[10]，抵抗?jié)B流力、膨脹力。

前面章節(jié)已經(jīng)論述，無(wú)論水處于何種狀態(tài)，非飽和膨脹土吸水后都有一定的膨脹趨勢(shì)，當(dāng)這種膨脹趨勢(shì)受到限制時(shí)，它將以膨脹力的形式表現(xiàn)出來(lái)。故膨脹力與基質(zhì)吸力是個(gè)矛盾體，呈相互減弱的關(guān)系。

文獻(xiàn)9認(rèn)為，對(duì)于給定的土體，基質(zhì)吸力主要取決于含水量的大小，含水量越大，吸力越小，并通過(guò)湖北棗陽(yáng)膨脹土試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。本文根據(jù)水的作用機(jī)制及基質(zhì)吸力與膨脹力相互消減的關(guān)系，推測(cè)出隨著非飽和膨脹土吸水量的增加其膨脹力也隨之增加，當(dāng)膨脹力大于基質(zhì)吸力與抗剪強(qiáng)度之和后，土體發(fā)生破壞。見(jiàn)圖3。

圖3　基質(zhì)吸力與含水量關(guān)系示意圖

5自由水與非飽和膨脹土微裂隙的相互作用

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，非飽和膨脹土具有豐富的微裂隙，

這也是膨脹土的一個(gè)主要特征。形成其微裂隙性的原因很多，本文認(rèn)為自由水的作用是其形成的內(nèi)部主因，其他卸荷、冷熱交替等為外部輔因。

⑤黃庭堅(jiān)《卜算子》(要見(jiàn)不得見(jiàn))：雙調(diào)46字，上闋4句2仄韻，下闋4句2仄韻。句式：55733。55733。

5.1水對(duì)微裂隙萌生、發(fā)育、擴(kuò)展的作用

根據(jù)熱激活理論，微裂隙是在礦物晶體分子鍵開(kāi)始的。當(dāng)強(qiáng)結(jié)合水分子進(jìn)入到礦物晶體后，使晶層間距增加，當(dāng)弱結(jié)合水形成擴(kuò)散層時(shí)，層間距進(jìn)一步增大，當(dāng)其形成自由水時(shí)，在滲流、膨脹作用下，層間距超過(guò)限值，微裂隙開(kāi)始萌生。隨著滲流、膨脹力的增加，微裂隙開(kāi)始局部發(fā)育。當(dāng)層間間距超過(guò)限值，滲透壓力、膨脹力持續(xù)大于基質(zhì)吸力和抗剪強(qiáng)度時(shí)，將進(jìn)入不可逆的塑性破壞階段，裂隙開(kāi)始擴(kuò)展。當(dāng)水分蒸發(fā)進(jìn)入干縮狀態(tài)，孔隙水壓力、滲透壓力減小，空間應(yīng)力出現(xiàn)不平衡，導(dǎo)致原有微裂隙周邊出現(xiàn)一系列的拉張裂隙，如圖4所示。

圖4　水進(jìn)入后晶體膨脹及裂隙發(fā)展示意圖

5.2水對(duì)裂隙的軟化、潤(rùn)滑作用

干濕交替加劇了裂隙的發(fā)展：降雨時(shí)膨脹土遇水沿著表層的張裂隙下滲，剛開(kāi)始時(shí)，水直接貫入，直到裂隙灌滿，并沿更微小裂隙向土體四周滲透。土體表面被水分子大面積覆蓋時(shí)，裂隙表層物質(zhì)顆粒被水軟化，裂隙逐步增大，如圖5所示。降雨同時(shí)還對(duì)土體有軟化作用，使土體的抗剪強(qiáng)度急劇降低，并加劇裂隙的蔓延。

圖5　水對(duì)膨脹土裂隙的軟化、潤(rùn)滑作用實(shí)例圖

6試驗(yàn)驗(yàn)證水在非飽和膨脹土中的作用

本文以廣西南寧市軌道交通2號(hào)線及百色市百東新區(qū)路網(wǎng)工程的膨脹試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，統(tǒng)計(jì)出含水率與自由膨脹率等參數(shù)間的數(shù)量關(guān)系，從數(shù)據(jù)上驗(yàn)證了水在非飽和膨脹土破壞中發(fā)揮了重要作用。

(1)含水率與自由膨脹率的關(guān)系

圖6　南寧地區(qū)含水率與自由膨脹率的關(guān)系示意圖

圖7　百東新區(qū)含水率與自由膨脹率的關(guān)系示意圖

從圖6、圖7可以看出，南寧和百色東地區(qū)的非飽和膨脹土的自由膨脹率與含水量大致呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。

(2)含水率與膨脹力的關(guān)系

圖8　南寧地區(qū)含水率與膨脹力的關(guān)系示意圖

圖9　百東新區(qū)含水率與膨脹力的關(guān)系示意圖

從圖8、圖9可以看出，南寧和百色東地區(qū)的非飽和膨脹土的膨脹力與含水量的增長(zhǎng)關(guān)系離散性較大，說(shuō)明膨脹力的增長(zhǎng)受約束條件影響較大，與含水率的增長(zhǎng)非線性增長(zhǎng)關(guān)系。

(3)自由膨脹率與膨脹力的關(guān)系

圖10　南寧地區(qū)自由膨脹率與膨脹力的關(guān)系示意圖

圖11　百東新區(qū)自由膨脹率與膨脹力的關(guān)系示意圖

從圖10、圖11可以看出，南寧和百色東地區(qū)的非飽和膨脹土的自由膨脹率與膨脹力大致呈增長(zhǎng)關(guān)系。

(4)含水率與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系

本文還以百色市鳳凰巷經(jīng)濟(jì)適用住房片區(qū)路網(wǎng)工程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)含水率與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增大，粘聚力及內(nèi)摩擦角均相應(yīng)減小，如圖12、圖13所示。

圖12　含水率與內(nèi)摩擦角的關(guān)系示意圖

圖13　含水率與粘聚力的關(guān)系示意圖

7結(jié)語(yǔ)

(1)水在非飽和膨脹土中存在強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水和自由水三種狀態(tài)。

(2)非飽和膨脹土中的強(qiáng)結(jié)合水層引起晶層膨脹，弱結(jié)合水層引起擴(kuò)散膨脹，自由水層引起滲透膨脹。非飽和膨脹土吸水后產(chǎn)生的結(jié)果：體積膨脹，基質(zhì)吸力減小，膨脹力增加，抗剪強(qiáng)度降低。

(3)水的作用是其形成膨脹土微裂隙發(fā)育的內(nèi)部主因，其他卸荷、冷熱交替等因素為外部輔因。水還對(duì)微裂隙起到了潤(rùn)滑軟化作用，加劇微裂隙的發(fā)展。

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Research on the Action Mechanism of Water in Unsaturated Expansive Soil

GONG Xiao-li，WEN Hai-zhen

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Abstract：Starting from the damage to unsaturated expansive soil slope caused by water，and combi-ning the micro and macro perspectives，this article proposed three action mechanisms of water in un-saturated expansive soil：the crystal layer expansion action of strong binding water，diffusion expansion action of weakly binding water，osmotic swelling effect of free water，the effect of free water on the ma-trix suction，and the interaction with expansive soil micro-cracks，and then based on field and laboratory test data，it verified the relationship among water content，increased expansion and reduced shear strength.

Keywords：Crystal layer expansion；Diffusion expansion；Osmotic swelling；Matrix suction；Expansion force

收稿日期：2016-01-29

文章編號(hào)：1673-4874(2016)02-0017-05

中圖分類號(hào)：U416.1+67

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.004

作者簡(jiǎn)介