干濕循環(huán)作用下膨脹土表觀脹縮變形特性

武 科, 趙 闖, 張 文, 吳昊天, 王亞君, 于雅琳

(山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院, 濟(jì)南250061)

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干濕循環(huán)作用下膨脹土表觀脹縮變形特性

武 科, 趙 闖, 張 文, 吳昊天, 王亞君, 于雅琳

(山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院, 濟(jì)南250061)

為揭示不同上覆壓力及含水率幅值條件下膨脹土脹縮特性及表觀不可逆變形，開(kāi)展了干濕循環(huán)作用下膨脹土表現(xiàn)脹縮變形特性試驗(yàn)研究.從微觀的角度分析了膨脹土吸水膨脹、失水收縮的特性及產(chǎn)生裂隙的原因；探討了不同壓力及含水率循環(huán)幅值條件下，膨脹土試樣高度、相對(duì)膨脹率、相對(duì)線縮率、隨含水率及循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系以及試樣表觀相對(duì)不可逆變形量與累計(jì)不可逆變形量隨循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系.研究結(jié)果表明：膨脹土吸水膨脹失水收縮是土顆粒間水體變化疊加的直觀反應(yīng)，也是土體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙的主要誘因；膨脹土失水收縮過(guò)程中，基質(zhì)吸力以最大程度限制含水率減小的方式逐漸增大；不同壓力作用下，試件高度隨含水率呈線性變化關(guān)系，而無(wú)壓力作用下的變化關(guān)系波動(dòng)較大；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土相對(duì)膨脹率逐漸減小，而相對(duì)線縮率先增大后減小，且上覆壓力越大，相對(duì)膨脹率越低；不同含水率幅值范圍內(nèi)的相對(duì)膨脹率與相對(duì)線縮率隨著循環(huán)次數(shù)的增加具有逐漸減小的趨勢(shì)；不同壓力作用下，含水率為15%時(shí)，膨脹土的累計(jì)不可逆變形隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大，而在含水率為25%時(shí)其反而逐漸減小.關(guān)鍵詞: 膨脹土；荷載；含水率；干濕循環(huán)；脹縮特性；不可逆變形

膨脹土作為一種典型的特殊土，具有脹縮性、裂隙性及超固結(jié)性等特點(diǎn).同時(shí)膨脹土的這些特性會(huì)在一定外在環(huán)境下相互影響、相互制約，特別是在干濕循環(huán)交替作用下，膨脹土吸水膨脹、失水收縮，會(huì)導(dǎo)致土中裂隙的產(chǎn)生以及強(qiáng)度的降低，這些特征給膨脹土地區(qū)工程建設(shè)帶來(lái)嚴(yán)重危害及影響.

許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)膨脹土特性做了大量試驗(yàn)研究及理論分析，取得了不少有意義的成果.如曾召田等[1]采用壓汞法對(duì)膨脹土干濕循環(huán)過(guò)程中孔徑大小分布的演化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了膨脹土總孔隙體積與孔隙率等微結(jié)構(gòu)參數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律；張家俊等[2]對(duì)南陽(yáng)膨脹土在反復(fù)干濕循環(huán)作用下的裂隙演化規(guī)律進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究；姚志華等[3-4]利用與CT機(jī)配套的非飽和多功能土工三軸儀，對(duì)干濕循環(huán)不同次數(shù)的膨脹土進(jìn)行基質(zhì)吸力為常數(shù)的各項(xiàng)等壓試驗(yàn)，研究了結(jié)構(gòu)損傷對(duì)膨脹土屈服特性的影響作用以及浸水過(guò)程中細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化；孔令偉等[5]通過(guò)壓力板試驗(yàn)對(duì)荊門非飽和膨脹土的變形與強(qiáng)度特性進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究；呂海波等[6]通過(guò)南寧地區(qū)原狀膨脹土干濕循環(huán)試驗(yàn)，探討了膨脹土抗剪強(qiáng)度與含水率、循環(huán)次數(shù)、循環(huán)幅值等循環(huán)控制參數(shù)的關(guān)系；唐朝生等[7]對(duì)膨脹土收縮開(kāi)裂特性進(jìn)行研究，并結(jié)合宏觀現(xiàn)象與微觀分析，建立土體龜裂的理論體系；楊和平等[8]對(duì)寧明原狀膨脹土進(jìn)行了有荷條件模擬干濕循環(huán)過(guò)程的試驗(yàn)研究，得到了其脹縮變形與強(qiáng)度的變化規(guī)律.

上述研究從不同角度分析了膨脹土吸水與失水過(guò)程中的脹縮變形與強(qiáng)度變化特性，并簡(jiǎn)單介紹了膨脹土在此變形過(guò)程中存在一定的不可逆變形量，但是對(duì)膨脹土在干濕循環(huán)過(guò)程中不可逆變形的量化計(jì)算研究較少；同時(shí)許多研究成果反映的是膨脹土浸水膨脹的最終狀態(tài)，而鮮有對(duì)于非飽和膨脹土浸水與脫濕過(guò)程實(shí)時(shí)狀態(tài)的研究，因此本文基于較低應(yīng)力條件下的膨脹土干濕循環(huán)脹縮試驗(yàn)，對(duì)膨脹土在干濕循環(huán)過(guò)程中的膨脹變形隨循環(huán)次數(shù)、含水率循環(huán)幅值、上覆壓力等的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，同時(shí)從宏觀變形角度定量分析了其不可逆變形量，且從微觀角度探討了致其宏觀變形的原因.

1 膨脹土微觀顆粒模型分析

膨脹土作為一種特殊土，其由土顆粒、水、氣三相組成，同時(shí)微結(jié)構(gòu)的構(gòu)成與物質(zhì)組成是膨脹土膨脹變形的基礎(chǔ).膨脹土干濕循環(huán)過(guò)程是一個(gè)由非飽和狀態(tài)至飽和狀態(tài)再至非飽和狀態(tài)的往復(fù)轉(zhuǎn)變過(guò)程，在這過(guò)程中，膨脹土的水分、基質(zhì)吸力、應(yīng)力、變形和強(qiáng)度之間發(fā)生著強(qiáng)烈的動(dòng)態(tài)耦合作用[9]，同時(shí)其孔隙結(jié)構(gòu)、顆粒排列與接觸方式發(fā)生相應(yīng)的變化，膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)伴隨著水分的蒸發(fā)與吸收不斷演化.膨脹土微觀理想非接觸球顆粒模型如圖1所示，由表面張力、水壓uw和氣壓ua在水平方向投影三力平衡可得式(1)[10].

(1)

(2)

式中：ua、uw分別為土中氣壓與水壓，且ua-uw為基質(zhì)吸力，Ts為表面張力，它與自身的物質(zhì)組成與溫度等條件有關(guān)，r1、r2分別為土顆粒間理想水體的球半徑，如圖1所示；D為土顆粒間距的一半，α為土顆粒與水體的接觸角，R為土顆粒球體的半徑.

圖1 土內(nèi)氣-水界面的理想非接觸球顆粒模型

Fig.1 Ideal non-contact spherical particle model of gas water interface in soil

圖2 顆粒間水體受力圖

干濕循環(huán)過(guò)程中，膨脹土吸水與失水的過(guò)程是土顆粒間水體變化疊加的直觀反映，同時(shí)也是裂隙發(fā)展演化的最直接誘因.在高含水率的條件下，膨脹土顆粒外圍包裹一層相對(duì)較厚的水膜，進(jìn)而顆粒之間的距離較大，在失水的過(guò)程中，水分逐漸蒸發(fā)，膨脹土含水率與水膜的厚度逐漸減小，基質(zhì)吸力卻逐漸增加，進(jìn)而在吸力的作用下，土顆粒結(jié)構(gòu)排列方式優(yōu)化，顆粒相互靠攏，膨脹土內(nèi)的孔隙緩慢變小，膨脹土的宏觀反映為其體積的收縮變形.

膨脹土產(chǎn)生裂隙的根本原因在于其自身的抗拉強(qiáng)度不足于抵抗外在荷載作用，而發(fā)生相鄰位置處顆粒的不連續(xù)變形，進(jìn)而造成顆粒集聚體出現(xiàn)分裂破壞.產(chǎn)生裂隙的原因可用式(3)、(4)表示.

(3)

(4)

式中：膨脹土集聚體受到的張拉應(yīng)力大于或等于抗拉強(qiáng)度時(shí)，其內(nèi)部才會(huì)產(chǎn)生裂隙；反之，裂隙不發(fā)展.K為張拉應(yīng)力的實(shí)效影響因子，其大小與分子間作用鍵、范德華力、帶同性或異性電荷離子間的靜電作用有關(guān).

隨著顆粒間水體球半徑的變化，含水率減小，基質(zhì)吸力增大，其增大的方式是按照最大限度阻止其自身變化進(jìn)行的；也就是含水率減小與基質(zhì)吸力是因果關(guān)系，含水率的減小打破了原有含水率平衡，而基質(zhì)吸力的增加是增加了含水率減小的阻力，因此基質(zhì)吸力發(fā)揮了其自身最大能力以限制含水率減小的作用.因此通過(guò)式(1)可知，隨著含水率的變化，基質(zhì)吸力隨r1、r2沿著自身方向?qū)?shù)的最大值即梯度對(duì)水分的蒸發(fā)消散起著阻礙作用，如式(5)所示.

(5)

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料用土取自廣西省百色市某隧道工程洞內(nèi)掌子面處，為呈黃褐色的膨脹土；按照J(rèn)TG-E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》的相關(guān)要求進(jìn)行了土工物性試驗(yàn)研究，得到了膨脹土的基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示[11].制備試樣的壓實(shí)度控制為0.96，且利用液壓千斤頂靜壓成型；采用環(huán)刀取直徑為61.8 mm，高20 mm的重塑土樣進(jìn)行不同低應(yīng)力、不同含水率循環(huán)幅值條件下的干濕循環(huán)試驗(yàn).

表1 試樣物理特性指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方案及過(guò)程

對(duì)于膨脹土的干濕循環(huán)試驗(yàn)，目前尚無(wú)統(tǒng)一規(guī)范，多數(shù)學(xué)者根據(jù)干濕循環(huán)試驗(yàn)的目的采用固結(jié)儀、直剪儀等試驗(yàn)儀器進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究；唐朝生等[12]利用常規(guī)的浸水飽和-蒸發(fā)干燥法在固結(jié)儀中進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，而脫濕的過(guò)程是將固結(jié)儀移入步入式人工氣候箱中，使試樣在40 ℃的溫度下失水；張家俊等[2]采用低溫70 ℃烘干法模擬膨脹土的脫濕過(guò)程，然后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，取出試樣稱重并拍照進(jìn)行膨脹土裂隙演化規(guī)律試驗(yàn)研究.本試驗(yàn)利用改進(jìn)的收縮儀進(jìn)行常溫?zé)o荷載條件下的干濕循環(huán)試驗(yàn)，同時(shí)利用固結(jié)儀分別進(jìn)行5、10、15 kPa作用下的干濕循環(huán)試驗(yàn)，每個(gè)荷載作用下干濕循環(huán)含水率幅值控制為15%～25%，10 kPa作用下的干濕循環(huán)含水率幅值增加15%～20%、20%～25%兩項(xiàng).以無(wú)荷載作用下的干濕循環(huán)為例，初始含水率為25%，首先進(jìn)行脫濕，在室溫為15 ℃的環(huán)境下自然風(fēng)干，達(dá)到15%的含水率后，通過(guò)透水石向試件補(bǔ)充水分至初始含水率25%，且每隔24 h記錄一次百分表的變化，此過(guò)程為無(wú)荷載條件下的第一次干濕循環(huán)，并且所有試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)至少為4次.本試驗(yàn)采用的方法可用以模擬降雨入滲條件下，淺層膨脹土在干濕循環(huán)作用下的脹縮行為.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 膨脹土脹縮特性分析

膨脹土產(chǎn)生變形的原因與機(jī)理，主要取決于其自身的物質(zhì)組成及其空間結(jié)構(gòu)特征；對(duì)于一種膨脹土，其內(nèi)在的物質(zhì)組成相同，其膨脹變形由初始含水率、最大干密度及所受外力的大小控制；而對(duì)于不同壓力作用下膨脹土吸水與脫濕脹縮變形時(shí)效研究的主要外在變量為含水率與壓力.圖3、4給出了不同壓力作用下膨脹土環(huán)刀試件高度隨含水率的變化曲線，由圖可知：1) 在低應(yīng)力條件下，膨脹土在干濕循環(huán)過(guò)程中，試件的高度隨含水率呈線性的變化關(guān)系；2) 無(wú)荷載膨脹土試樣的高度與含水率的變化關(guān)系具有一定的線性特征，但是隨著循環(huán)的進(jìn)行，仍會(huì)出現(xiàn)一些不可逆變形.由現(xiàn)有階段如雙電層理論等所分析的膨脹土吸水膨脹的主要原因是膨脹土晶層或顆粒之間水膜厚度的增加，那么如圖1中土顆粒的理想球模型所示，晶層或顆粒之間的水膜分布是分區(qū)域的，在失水的過(guò)程中，由于陰陽(yáng)離子或極性分子之間的引力以及分子之間的范德華力，首先消散的水分由D所在區(qū)域提供，造成晶層之間的水膜厚度減小，進(jìn)而宏觀表現(xiàn)為膨脹土失水收縮，當(dāng)由D區(qū)域的水分消散完畢，土顆粒理想模型變?yōu)槔硐虢佑|球模型之后，繼續(xù)消散的水分由分子水化作用所結(jié)合的水提供，但是土顆粒之間已無(wú)間隙，并不會(huì)引起膨脹的收縮變形，這與收縮試驗(yàn)的實(shí)際效果相一致，即膨脹土的縮限是其失水收縮的最大限值.

圖3 不同壓力作用下試件高度隨含水率變化曲線

Fig.3 The changing curve with the changing moisture content of the specimen height under different pressure

圖4 無(wú)荷載作用下試件高度隨含水率變化曲線

Fig.4 The changing curve without load of the specimen height under different pressure

在膨脹土干濕循環(huán)過(guò)程中，含水率每次從15%增至25%再降至15%時(shí)，不同循環(huán)次數(shù)下的初始條件是不同的，因此后期循環(huán)膨脹收縮以試驗(yàn)開(kāi)始前的試樣高度為基礎(chǔ)計(jì)算膨脹率是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?通過(guò)分別計(jì)算不同循環(huán)階段的相對(duì)膨脹率與相對(duì)線縮率對(duì)膨脹土的脹縮特性進(jìn)行分析研究，計(jì)算方法為：

(6)

(7)

式中：δi,p與ei,p分別為p荷載作用下第i個(gè)循環(huán)的相對(duì)膨脹率與相對(duì)線縮率，Hi,p,w1為此次循環(huán)中，初始階段即加水前含水率為w1時(shí)試樣高度，Hi,p,w2為此次循環(huán)中，試樣吸水至指定含水率上限w2時(shí)試樣的高度，Hi,p,w3為此次循環(huán)中，試樣蒸發(fā)失水至指定含水率下限w3時(shí)試樣的高度，其中i≥1.

圖5、6分別給出了15%～25%含水率循環(huán)幅值及不同上覆壓力作用下，膨脹土試樣的相對(duì)膨脹率與相對(duì)線縮率隨循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系.由圖可知：1) 隨著循環(huán)次數(shù)的增加，在低應(yīng)力作用下膨脹土相對(duì)膨脹率逐漸減小，且上覆壓力越大，其相對(duì)膨脹率越低，這也說(shuō)明壓力抑制了膨脹土吸水膨脹作用，同時(shí)未充分吸水膨脹的膨脹土，在較小的外在作用力下會(huì)對(duì)其膨脹性產(chǎn)生較大的影響；2) 膨脹土的相對(duì)線縮率隨著循環(huán)次數(shù)的增加先增加后減小，不同壓力作用下的相對(duì)線縮率均在第二次循環(huán)出現(xiàn)最大值；膨脹土微觀顆粒組成部分集聚體，而集聚體之間的孔隙特征又是決定膨脹土膨脹特性的主要因素，在首次吸水膨脹過(guò)程中，集聚體間的孔隙被填充，同時(shí)水膜的厚度逐漸增大，出現(xiàn)較大的膨脹變形，集聚體之間的結(jié)構(gòu)形式發(fā)生變化，這些集聚體不僅僅會(huì)膨脹變大，甚至在吸水時(shí)由于受力的不平衡導(dǎo)致其自身發(fā)生旋轉(zhuǎn)，最終造成膨脹土內(nèi)孔隙率增大；自然蒸發(fā)失水過(guò)程中，土顆粒以及集聚體間D區(qū)域的自由水首先會(huì)被耗散，同時(shí)膨脹土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生縱橫交錯(cuò)的張裂隙，這些張裂隙在第一次干濕循環(huán)過(guò)中，表現(xiàn)的并不明顯，而在第二次的干縮過(guò)程中，已產(chǎn)生的干縮裂隙破壞了土體的整體結(jié)構(gòu)，集聚體出現(xiàn)大量的微小裂隙，其強(qiáng)度大大減小，又由于存在上覆荷載，此次干縮變形還包括了原有集聚體“塌落”造成的變形，因此相對(duì)線縮率在第二次出現(xiàn)了最大值，并隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小.

圖5 不同壓力作用下相對(duì)膨脹率隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線

Fig.5 The relation curve of the relative inflation rate with the cycle number under different pressure different pressure

圖6 不同壓力作用下相對(duì)線縮率隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線

Fig.6 The relation curve of the relative lineal shrinkage rate with the cycle number under different pressure

圖7、8分別給出了10 kPa荷載作用下，在不同含水率限值的干濕循環(huán)過(guò)程中，相對(duì)膨脹率與相對(duì)線縮率隨循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線，由圖可知：1) 在相同的含水率幅值條件下，膨脹土在15%～20%范圍內(nèi)的相對(duì)膨脹率較20%～25%范圍內(nèi)的相對(duì)膨脹率小.這是由于在低含水率的條件下，膨脹土所吸收的水分首先轉(zhuǎn)化成為膨脹土單?；蚣垠w的結(jié)合水，這部分水分的膨脹作用相對(duì)較小，在此基礎(chǔ)之上再吸收的水分會(huì)在分子間，離子間等作力下逐漸包裹單粒或集聚體形成較厚的水膜，進(jìn)而增大了其之間的間隙；2) 不同含水率限值范圍內(nèi)的相對(duì)膨脹率與相對(duì)線縮率隨著循環(huán)次數(shù)的增加具有逐漸減小的趨勢(shì)，含水率幅值越大此現(xiàn)象越明顯；3) 含水率限值為15%～20%與20%～25%的相對(duì)膨脹率之和與含水率限值為15%～25%的相對(duì)膨脹率基本吻合，但是同樣含水率限值下的失水收縮過(guò)程卻不存在此現(xiàn)象.

圖7 不同含水率幅值及10 kPa作用下相對(duì)膨脹率隨循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

Fig.7 The relation curve of the relative inflation rate with the cycle number under different moisture content and the 10 kPa pressure

圖8 不同含水率幅值及10 kPa作用下相對(duì)線縮率隨循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線

Fig.8 The relation curve of the relative lineal shrinkage rate with the cycle number under different moisture content and the 10 kPa pressure

3.2 表觀不可逆變形的量化研究

膨脹土干濕循環(huán)過(guò)程中，其內(nèi)部孔隙、裂隙結(jié)構(gòu)及集聚體分布狀態(tài)均發(fā)生不同的變化，宏觀上的脹縮變形是由兩部分塑性變形組成，一部分是宏觀結(jié)構(gòu)塑性變形，另一部分為微觀結(jié)構(gòu)層次中集聚體及單粒的微-宏觀結(jié)構(gòu)耦合變形[13].又由于膨脹土在外在荷載及干濕交替環(huán)境下具有重塑性，同時(shí)其本身具有脹縮性、裂隙性、固結(jié)性等，這些特殊性質(zhì)相互疊加會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的不可逆變形，而表觀不可逆變形的量化計(jì)算可通過(guò)式(8)、(9)進(jìn)行計(jì)算.

(8)

(9)

式中：li,p,w及Li,p,w分別為膨脹土在p荷載、含水率為w且第i次循環(huán)作用下，其相對(duì)不可逆變形與累計(jì)不可逆變形；Hi,p,w為試件在p荷載，含水率為w且第i次循環(huán)作用下的高度，其中i≥1.

圖9～12給出了不同壓力作用下，含水率循環(huán)上下限值為15%、25%的相對(duì)與累計(jì)不可逆變形隨循環(huán)次數(shù)變化的關(guān)系曲線.由圖可知：1)上覆壓力對(duì)干濕循環(huán)產(chǎn)生的不可逆變形影響較大， 其限制了膨脹土的脹縮性；從微觀角度分析，由于一次循環(huán)需要經(jīng)過(guò)高低含水率的變化，在此過(guò)程中，首先要滿足集聚體與單粒結(jié)合水的需要，其次為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔隙、裂隙的填充，試驗(yàn)采用的是重塑膨脹土，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征為層流狀，在較高含水率的條件下，單粒與集聚體受力不平衡導(dǎo)致自身旋轉(zhuǎn)變形，進(jìn)而產(chǎn)生膨脹變形，同樣在收縮的過(guò)程中，集聚體與單粒之間的孔隙并不是均勻增大或減少，部分已產(chǎn)生的變形無(wú)法恢復(fù)，因此在無(wú)荷載作用下，相對(duì)不可逆變形量一直為正值，累計(jì)不可逆變形呈上升趨勢(shì)；而在外在荷載作用下，由于土具有重塑性，膨脹擴(kuò)張后的變形模量減小，顆粒間的較大孔隙由于承載力不足易被壓縮，進(jìn)而膨脹土外在表現(xiàn)為不可逆變形的大幅度減?。?)在低含水率且有外在荷載的條件下，相對(duì)不可逆變形在第一次循環(huán)中是負(fù)值即被壓縮，在后期的循環(huán)過(guò)程中相對(duì)不可逆變形逐漸增加，而在高含水率時(shí)，相對(duì)不可逆變形在第一次循環(huán)達(dá)到最大值，此次循環(huán)過(guò)程中，膨脹土的相對(duì)不可逆變形是最大的，在后期的循環(huán)過(guò)程中相對(duì)不可逆變形逐漸減小并趨于穩(wěn)定；3)在不同壓力且含水率為15%的條件下，膨脹土的累計(jì)不可逆變形隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大，這也說(shuō)明在每次循環(huán)過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生新的不可逆變形，并且這種不可逆變形均是由于膨脹土吸水膨脹后再失水無(wú)法恢復(fù)導(dǎo)致的；4)在不同壓力且含水率為25%的條件下，膨脹土的累計(jì)不可逆變形隨著循環(huán)次數(shù)的增加反而逐漸減小，第一循環(huán)的相對(duì)不可逆變形為正值且較大，膨脹土吸水后的膨脹能力得以釋放，在后期的循環(huán)過(guò)程中，相對(duì)不可逆變形均是負(fù)值，這是由于在第一次干濕循環(huán)過(guò)程中，膨脹土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)已發(fā)生巨大變化，內(nèi)部裂隙擴(kuò)展產(chǎn)生軟弱結(jié)構(gòu)面，當(dāng)后期再達(dá)到此高含水率時(shí)，單粒及集聚體膠結(jié)部分會(huì)因水解作用造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)崩塌，內(nèi)部孔隙因此而填充，造成相對(duì)不可逆變形量大幅度降低甚至出現(xiàn)負(fù)值，累計(jì)不可逆變形逐漸減小，這也反應(yīng)了膨脹土的重塑性在外荷載及高含水率的條件下易于發(fā)生.

圖9 不同壓力作用下，含水率為15%的相對(duì)不可逆變形隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線

Fig.9 The relation curve of the relative irreversible deformation with the moisture of 15% with cycle number under different pressure

圖10 不同壓力作用下，含水率為15%的累計(jì)不可逆變形隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線

Fig.10 The relation curve of the accumulative irreversible deformation with the moisture of 15% with cycle number under different pressure

圖11 不同壓力作用下，含水率為25%的相對(duì)不可逆變形隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線

Fig.11 The relation curve of the relative irreversible deformation with the moisture of 25% with cycle number under different pressure

圖13給出了膨脹土在不同含水率幅值及10 kPa作用下，其累計(jì)不可逆變形隨循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系，由圖可知：1) 含水率在15%～20%范圍內(nèi)變化時(shí)，累計(jì)不可逆變形隨著循環(huán)次數(shù)逐漸增加，但由于含水率第一次干縮至15%時(shí)收縮變形較大，進(jìn)而導(dǎo)致累計(jì)不可逆變形初始值為負(fù)值；2) 含水率在20%～25%范圍內(nèi)變化時(shí)，累計(jì)不可逆變形在初始階段膨脹變形較大，膨脹能力得到充分發(fā)揮，在后期的循環(huán)過(guò)程中由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的崩塌，其累計(jì)不可逆變形量隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小；3) 含水率在15%～25%范圍內(nèi)循環(huán)時(shí)，累計(jì)不可逆變形相對(duì)其他兩個(gè)含水率幅值內(nèi)的變化相對(duì)較小，基本維持穩(wěn)定，這也是膨脹土脹縮不可逆性與土重塑性相結(jié)合的結(jié)果.

圖12 不同壓力作用下，含水率為25%的累計(jì)不可逆變形隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線

Fig.12 The relation curve of the accumulative irreversible deformation with the moisture of 25% with cycle number under different pressure

圖13 在不同的含水率幅值及10 kPa作用下，膨脹土累計(jì)不可逆變形隨循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系

Fig.13 The changing relationship of the accumulative irreversible deformation of expansive soil with the cycle number under different moisture content and the 10 kPa pressure

膨脹土在干濕循環(huán)過(guò)程中，不僅存在脹縮變形及表觀不可逆變形，同時(shí)會(huì)有裂隙的產(chǎn)生與閉合.通過(guò)對(duì)環(huán)刀試樣的觀察發(fā)現(xiàn)如圖14所示，試樣的裂隙從外表面特別是邊緣處發(fā)育并向內(nèi)部擴(kuò)展演化；隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，膨脹土吸水與失水過(guò)程會(huì)引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的變化，且循環(huán)次數(shù)越多，不均勻性越強(qiáng)，變化后的結(jié)構(gòu)特征會(huì)對(duì)脹縮變形產(chǎn)生一定的影響.經(jīng)過(guò)幾次干濕循環(huán)后，在圖14中試樣表面出現(xiàn)了大量的宏觀裂隙，在下次干濕循環(huán)(向干濕循環(huán)測(cè)量裝置中加入定量的水后)的過(guò)程中，首先由于水分從表面開(kāi)始滲入試樣，試樣表面的土吸收水分后會(huì)變得松軟；其次，因上覆壓力的存在，這些裂隙的開(kāi)裂程度會(huì)相應(yīng)減小甚至?xí)霈F(xiàn)閉合的情況.即便如此，在失水過(guò)程中，由于大量的宏觀裂隙已經(jīng)存在，失水過(guò)程中試樣的不可逆變形會(huì)得到疊加，裂隙的開(kāi)裂程度會(huì)進(jìn)一步加劇.由式(1)～(4)可知，在單粒或集聚體與水膜的交界處，張拉應(yīng)力與基質(zhì)吸力有關(guān)，即張拉應(yīng)力由表面張力及水體與單粒、集聚體的分布特征有關(guān)，隨著膨脹土中水分的耗散，基質(zhì)吸力逐漸增大，而抗拉強(qiáng)度不變，當(dāng)張拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度，土體內(nèi)裂隙擴(kuò)展演化；在自然風(fēng)干的作用下，膨脹土試件的表面及邊緣處首先出現(xiàn)裂隙，這是因?yàn)榕蛎浲潦且粋€(gè)由內(nèi)至外水分不斷轉(zhuǎn)移的過(guò)程，而邊緣處的水分得失交替最為頻繁，微裂隙與軟弱結(jié)構(gòu)面充分發(fā)育，進(jìn)而大大降低了其抗拉強(qiáng)度，因此是產(chǎn)生宏觀裂隙的最主要位置.

圖14 干濕循環(huán)后試樣表面及側(cè)面裂隙分布

Fig.14 The crack distribution on the surface and the side of the sample after the dry-wet circulation

4 結(jié) 論

1)膨脹土上覆荷載對(duì)其自身脹縮特性具有明顯的抑制作用，這種抑制作用在無(wú)荷與有荷之間的界限最為明顯.

2)膨脹土具有脹縮性，超固結(jié)性、裂隙性等，同時(shí)其也存在一定的重塑性與濕陷性，而這些性質(zhì)之間相互交叉并存；表觀不可逆變形是所有特性相互交叉作用后的宏觀反映，同時(shí)也可驗(yàn)證膨脹土部分特性的存在性.

3) 當(dāng)存在一定的上覆荷載時(shí)，膨脹土在較高的含水率條件下，其內(nèi)部微裂隙閉合，表現(xiàn)較強(qiáng)的重塑性，試樣的高度較上次循環(huán)并未增加反而降低.

4)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土內(nèi)部微裂隙逐漸增多，且出現(xiàn)明顯的宏觀裂隙及破壞面，其孔隙率也大大增加，再此基礎(chǔ)之上，繼續(xù)吸收水分時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定的濕陷現(xiàn)象，這是由于多次的干濕循環(huán)已經(jīng)破壞了試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其體積有所增大，干密度相應(yīng)減小，因此當(dāng)含水率達(dá)到一定程度且存在較大的上覆荷載時(shí)，膨脹土同樣具有濕陷性.

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(編輯 趙麗瑩)

Swelling-Shrinking characteristics and irreversible deformation of expansive soil during wetting-drying cycles

WU Ke, ZHAO Chuang, ZHANG Wen, WU Haotian, WANG Yajun, YU Yalin

(School of Civil Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China)

To investigate the Swelling-Shrinking characteristics and irreversible deformation of expansive soil under different pressures and moisture contents, a series of tests under wetting-drying cycles were carried out, and the Swelling-Shrinking characteristics and reasons for fissuring were analyzed from the microcosmic point of view. Based on the above studies, the relationship among heights, relative expansion ratios, relative linear shrinking rates and cycle index under different pressures and moisture contents were explored. Meanwhile, the variation curves of the relative irreversible deformation and accumulative irreversible deformation with increasing cycle index were obtained. The results indicate that the swelling and shrinking are visualized response of the variation of water between soil particles, and also the incentive of fissuring. During the shrinking process, the matric suction increases by the way of maximum limit to prevent moisture content decreasing. There is a linear correlation between the height of test specimen and moisture content under different pressures. The relative expansion ratios will decrease if the cycle index rises, and the same happens with higher pressure. The relative linear shrinking rates will rises firstly and then decreases with the increasing of cycle index. It is shown that the relative expansion ratios and relative linear shrinking rates under different amplitudes of moisture content have a decreasing trend along with the increase of cycle index. The accumulative irreversible deformations increase gradually on the condition that the moisture content is 15% with different pressures, and there will be opposite results with the moisture content of 25%.

expansive soil; pressures; moisture contents; wetting-drying cycle; Swelling-Shrinking characteristics; irreversible deformation

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.12.017

2015-08-30

國(guó)家自然科學(xué)基金(51308323)

武 科(1978—), 男, 副教授, 碩士生導(dǎo)師

武 科, wk4223@163.com

TU375.4

A

0367-6234(2016)12-0121-07