微觀結(jié)構(gòu)對(duì)膨脹土土-水特征曲線的影響

齊道坤，潘燕敏，張 亮

（1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，鄭州 450052；2.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

1 研究背景

近年來(lái)，隨著河南省電力輸電線路建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，需要修建大量的桿塔。河南省廣泛分布著大量的非飽和膨脹土，其遇水膨脹，強(qiáng)度迅速降低的特性對(duì)桿塔基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和承載能力構(gòu)成了很大的威脅。因此需要深入地了解膨脹土的工程特性，進(jìn)而為膨脹土地區(qū)桿塔的修建提供理論基礎(chǔ)。土-水特征曲線（Soil Water Characteristic Curve，簡(jiǎn)稱 SWCC）是用來(lái)描述土體含水率和吸力之間關(guān)系的曲線，表征了非飽和土的持水特性，并且可以用來(lái)預(yù)測(cè)土體抗剪強(qiáng)度和滲流等特性［1-2］，因此，研究SWCC對(duì)研究非飽和膨脹土性質(zhì)具有重要意義。為了深入研究土-水特征曲線的特性，眾多學(xué)者對(duì)干燥速率［3］、壓實(shí)度、應(yīng)力狀態(tài)及歷史［4］和體積變化［5］等因素對(duì)土體持水特性的影響進(jìn)行了研究，這些研究主要是從土體參數(shù)或者外部條件對(duì)土體持水特性進(jìn)行分析。從本質(zhì)上來(lái)看，水儲(chǔ)存在孔隙中或者在聯(lián)通的孔隙中流動(dòng)，所以土的水力特性（如滲流和土-水特征）大部分是由土中的孔隙所決定。有研究表明，用孔隙累計(jì)曲線可以模擬和預(yù)測(cè)干燥路徑SWCC，并且預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，可見(jiàn)土體中孔隙分布是影響土-水特征曲線的重要因素［6-7］。

另外，目前對(duì)于膨脹土土-水特征曲線的研究主要集中在干燥過(guò)程中，但是膨脹土的遇水膨脹且強(qiáng)度迅速降低的特性使得其最危險(xiǎn)的狀態(tài)出現(xiàn)在土體吸濕過(guò)程中；而且研究吸濕路徑的SWCC，對(duì)于預(yù)測(cè)土體中水分滲流的規(guī)律和吸濕過(guò)程中抗剪強(qiáng)度的變化具有重要的意義，所以對(duì)膨脹土吸濕路徑SWCC的研究有待完善和發(fā)展。

本文采用滲析法和氣相法測(cè)得了膨脹土的吸濕路徑下土-水特征曲線，并采用Van Genuchten模型（簡(jiǎn)稱VG模型）對(duì)其進(jìn)行擬合。并分別取滲析法和氣相法中吸力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的土樣各一個(gè)，采用掃描電鏡試驗(yàn)和壓汞試驗(yàn)對(duì)吸濕過(guò)程中土樣的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析，從微觀機(jī)理上對(duì)非飽和膨脹土的持水特性進(jìn)行解釋。

2 試驗(yàn)用土

土樣取自河南南陽(yáng)一輸電線塔擬建場(chǎng)地，呈黃褐色、硬塑狀、含黑色鐵錳質(zhì)結(jié)核，屬于第四系中更新統(tǒng)沖、洪積黏土，由比重計(jì)法和激光粒度儀法［8］對(duì)土體顆粒粒徑進(jìn)行分析，得到顆粒分布曲線如圖1所示，從顆粒的分布來(lái)看，該土為不均勻土。其基本物理性質(zhì)和礦物組成分別如表1和表2所示，其中親水性礦物（伊利石和伊蒙混層等）的含量超過(guò)30%，而且經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得其自由膨脹率為59%，可判斷該土為弱膨脹土。

圖1 顆粒分布曲線Fig．1 Curves of grain-size distribution

表1 試驗(yàn)用土的基本物理性質(zhì)Table 1 Physical-mechanical properties of test soil

表2 土樣的礦物成分Table 2 Mineral composition of soil specimens

3 試驗(yàn)方案

3.1 滲析法控制土樣的吸力

低吸力部分（＜2 MPa）采用滲析法進(jìn)行試驗(yàn)。利用聚乙二醇（Polyethylene glycol，簡(jiǎn)稱PEG）溶液與土樣的吸力差和半透膜不允許大于其孔徑的大分子PEG溶質(zhì)通過(guò)的特性，來(lái)控制土樣的吸力。為縮短土樣與溶液吸力平衡的時(shí)間，試驗(yàn)采用PEG20000溶液和截留分子量為12 000～14 000的半透膜。試驗(yàn)過(guò)程如下：

（1）挑選出具有代表性的風(fēng)干土體，小心地將其切削成厚度為6 mm，直徑約為30 mm的土樣。

（2）向500 mL的燒杯中加入適量的純水，并根據(jù)水的質(zhì)量和目標(biāo)溶液PEG質(zhì)量百分含量（Brix值）計(jì)算出所需PEG的質(zhì)量，用玻璃棒將溶液攪拌均勻，本次試驗(yàn)過(guò)程中所用溶液的Brix值與所對(duì)應(yīng)的吸力如表3所示。

表3 PEG20000含量與對(duì)應(yīng)的吸力（滲析法）Table 3 Brix of PEG 20000 liquids and corresponding suction

（3）半透膜作為生物膜的一種，容易被溶液中的細(xì)菌破壞，選擇透過(guò)性變差，無(wú)法準(zhǔn)確控制土樣的吸力，所以向溶液中加入適量青霉素，并攪拌均勻，減少或防止細(xì)菌的滋生。

（4）采用日本ATAGO公司生產(chǎn)的N-1α手持式折光度儀量測(cè)溶液的Brix值，并通過(guò)加入水或者PEG的方式調(diào)整溶液到目標(biāo)Brix值。

（5）剪下約15 cm的半透膜，并放在純水中浸泡10 min，取出后將切削好的土樣放入半透膜，折疊半透膜，并用夾子夾好半透膜兩端，防止溶液從口部進(jìn)入半透膜。

（6）用細(xì)桿串起夾子的尾端，使得半透膜懸掛在燒杯中，并且此時(shí)溶液完全浸沒(méi)土樣；用保鮮膜將燒杯口密封，以減少溶液中水分蒸發(fā)對(duì)溶液Brix值的影響。

（7）將燒杯放置在20℃的恒溫環(huán)境中，并用磁力攪拌器攪拌溶液，保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溶液始終均勻。

（8）每天用折光度儀量測(cè)溶液的濃度，直到溶液濃度在3 d內(nèi)基本不變，視為系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)土樣吸力與溶液中的吸力相同，這一過(guò)程大概需要8 d，取出土樣并用烘干法測(cè)土樣的含水率。

3.2 飽和鹽溶液法控制土樣的吸力

高吸力部分（＞3 MPa）采用氣相法，即利用飽和鹽溶液來(lái)調(diào)節(jié)干燥皿內(nèi)空氣的相對(duì)濕度，以控制土樣中的吸力。每隔一定時(shí)間稱量土樣的質(zhì)量，當(dāng)土樣的質(zhì)量基本不變時(shí)，此時(shí)土樣的含水率即為在該吸力條件下的土樣含水率，試驗(yàn)中采用的飽和鹽溶液與對(duì)應(yīng)的吸力如表4所示。

表4 飽和鹽溶液及其對(duì)應(yīng)的吸力（氣相法）Table 4 Saturated salty liquids and corresponding vapor suction obtained by vapor phase method

氣相法試驗(yàn)過(guò)程如下：

（1）選擇大小合適并且表面未被擾動(dòng)的風(fēng)干土樣放入鋁盒的盒蓋中。

（2）在干燥皿中配置適量的過(guò)飽和LiCl溶液，將土樣放在干燥皿的陶瓷板上，為了保證干燥皿內(nèi)部吸力的穩(wěn)定性，在干燥皿的蓋沿上涂抹凡士林以保證其密封性，最后將整個(gè)裝置放在20℃的恒溫環(huán)境中。

（3）稱量土樣的質(zhì)量，直到連續(xù)3 d土樣的質(zhì)量基本不變，視為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，土樣吸力與飽和鹽溶液的吸力相同，這一過(guò)程大概需要10 d。

（4）將穩(wěn)定后的土樣逐次放入盛有 Mg（NO3）2·6H2O，NaCl，KCl，K2SO4過(guò)飽和鹽溶液的干燥皿陶瓷板上，并記錄下土樣在每種鹽溶液控制下吸力達(dá)到穩(wěn)定后的土樣的質(zhì)量，對(duì)放入鹽溶液的次序控制是為了讓土樣處于吸濕路徑。

（5）最后烘干土樣，并根據(jù)土樣在每種鹽溶液的控制下達(dá)到穩(wěn)定后的質(zhì)量計(jì)算出土樣的含水率。

3.3 微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試

在含水率差距較小時(shí)，掃描電鏡試驗(yàn)或壓汞試驗(yàn)很難反映出土樣之間微觀結(jié)構(gòu)的差異，故而選取2種吸濕過(guò)程中2個(gè)含水率差別較大的點(diǎn)進(jìn)行分析：在0.55 MPa吸力（滲析法）下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的土樣和在過(guò)飽和NaCl溶液（38 MPa）控制下吸力穩(wěn)定后的土樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)及其在吸濕過(guò)程中的變化進(jìn)行分析。壓汞試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)需要用干燥后的土樣，然而普通的風(fēng)干或者烘干過(guò)程會(huì)使得土樣出現(xiàn)干縮現(xiàn)象，其內(nèi)部的孔隙分布特征會(huì)改變。

為了提高試驗(yàn)的精度，本次試驗(yàn)采用液氮冷凍真空干燥法［9］干燥土樣。壓汞試驗(yàn)采用美國(guó)麥克公司生產(chǎn)的AutoPore IV 9500型壓汞儀，掃描電鏡試驗(yàn)采用日本日立公司生產(chǎn)的Hitachi SU1510型掃描電鏡。步驟如下：

（1）取出在各吸力下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的土樣，小心地包裹在細(xì)鐵絲網(wǎng)中，放入冷凍干燥機(jī)。

（2）向干燥機(jī)中倒入液氮對(duì)土樣速凍15 min，這一過(guò)程使土樣中的水迅速變?yōu)楸?；接著打開(kāi)干燥機(jī)抽真空，并控制干燥機(jī)在-50℃下持續(xù)抽真空24 h，使土中冰升華。

（3）干燥完成后，將土樣小心掰去原有的被干擾過(guò)的表面，暴露出新鮮表面；再用洗耳球吹去新鮮表面的浮土，鍍金后進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)。

4 土-水特征試驗(yàn)結(jié)果及分析

因?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程中并未控制土樣的體積不變，處理土樣飽和度與吸力的關(guān)系并沒(méi)有太大意義，所以采用重力含水率這一參數(shù)來(lái)描述膨脹土的持水特性。由滲析法和氣相法得到的土樣重力含水率和吸力之間的關(guān)系如表5所示。

表5 土樣重力含水率及其所對(duì)應(yīng)的吸力Table 5 Relationship between suction and gravitational moisture content of soil specimen

在眾多的土-水特征曲線擬合模型中，VG模型［10］因其擬合度高，適用性好而被廣泛地應(yīng)用，因此采用VG模型來(lái)擬合本次試驗(yàn)中土體重力含水率與吸力之間的關(guān)系，擬合關(guān)系式如式（1）所示，即式中：ω為土體重力含水率（%）；ωr為殘余含水率（%）；ωs為飽和含水率（%）；s為吸力（kPa）；p為與進(jìn)氣值相關(guān)的參數(shù)；m，n為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，反映含水率隨吸力變化的劇烈強(qiáng)度，m和n的關(guān)系為m＝1-1／n。

因?yàn)榕蛎浲恋耐?水特征曲線在沒(méi)有明顯拐點(diǎn)的情況下持續(xù)增濕，因此土-水特征曲線未反映其殘余含水率ωr的值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可取ωr＝0，ωs取實(shí)測(cè)飽和含水率29.21%，經(jīng)數(shù)據(jù)擬合得到p＝200 kPa，m＝0.2，n＝1.25，便可得到全吸力范圍內(nèi)的曲線方程，即

擬合曲線如圖2所示。

圖2 土體土-水特征曲線Fig．2 SWCC of the expansive soil

將VG模型擬合的膨脹土土-水特征曲線的中段斜率恒定的部分延長(zhǎng)，將土體飽和時(shí)對(duì)應(yīng)的重力含水率水平延長(zhǎng)，兩延長(zhǎng)線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的吸力值即為進(jìn)氣值，對(duì)于本試驗(yàn)用土約為80 kPa（如圖2）。理論上講，進(jìn)氣值表征了土體內(nèi)部最容易失水的大孔隙產(chǎn)生減飽和所必須的水、氣壓力差。在土體脫濕過(guò)程中，當(dāng)吸力小于進(jìn)氣值時(shí)，土體飽和度高，幾乎所有的孔隙都充滿水；當(dāng)吸力大于進(jìn)氣值時(shí)，隨著吸力的增大，土體會(huì)迅速失水而變干。

圖2中的虛線為典型土-水特征曲線（數(shù)據(jù)來(lái)自參考文獻(xiàn)［11］），VG模型擬合的膨脹土土-水特征曲線與典型的土-水特征曲線所表現(xiàn)出來(lái)的明顯的階段特征不同，膨脹土土樣在增濕過(guò)程中的土-水特征曲線雖然具有一定的反“S”形態(tài)，但是過(guò)渡段和殘余段的區(qū)分并不明顯，也就是說(shuō)土樣在沒(méi)有表現(xiàn)出明顯拐點(diǎn)的情況下持續(xù)增濕。這一結(jié)論與譚曉慧［12］和黃志全［13］采用不同方法對(duì)不同地區(qū)膨脹土測(cè)得的吸濕路徑SWCC結(jié)果相同。過(guò)渡段和殘余段的區(qū)分并不明顯的原因在于：與典型的可以分成邊界效應(yīng)段、過(guò)渡段和非飽和殘余段的SWCC相比，膨脹土殘余段斜率大，過(guò)渡段的斜率小。鑒于土體的SWCC與孔隙分布的關(guān)系緊密，因此從微觀孔隙分布可以對(duì)膨脹土SWCC走勢(shì)的特殊性作出解釋。

5 微觀機(jī)理探討

5.1 微觀結(jié)構(gòu)特征

圖3是土樣在550 kPa吸力下達(dá)到穩(wěn)定后的掃描電鏡照片，由于土樣的干密度較大，顆粒間排列較緊密，局部可見(jiàn)直徑較大的貫通性裂隙。呈蜂窩狀特征的礦物是伊蒙混層，該礦物是蒙脫石向伊利石或者伊利石向蒙脫石過(guò)渡的礦物，具有遇水膨脹特性。顆粒形狀以片狀顆粒和扁平狀顆粒為主，排列較為雜亂，可判斷該膨脹土的微結(jié)構(gòu)類型為紊流結(jié)構(gòu)；其接觸方式以邊—面接觸為主，面—面和邊—邊接觸為輔，這種接觸形式使得孔隙尺寸分布不均勻。

圖3 土樣的掃描電鏡照片F(xiàn)ig．3 SEM images of soil specimen

5.2 微觀孔隙分布

圖4 給出了在不同吸力下土樣達(dá)到穩(wěn)定后的孔隙分布曲線，由圖4可見(jiàn)，不同的孔隙分布曲線大致有3個(gè)不同的峰值，土樣中孔隙分布根據(jù)曲線的走勢(shì)可以劃分為3個(gè)區(qū)間。因此為了便于分析試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合孔隙分布特點(diǎn)，可以粗略地將土樣中的孔隙按等效孔徑的大小分為3個(gè)等級(jí)：大孔隙（＞5μm）、小孔隙（0.1～5μm）和微孔隙（＜0.1μm），其中0.1μm可以認(rèn)為是黏土中集聚體內(nèi)的孔隙和集聚體間的孔隙的分界值［13-14］。

圖4 土樣的孔隙分布曲線Fig．4 Pore size distributions of soil specimens

5.3 土體SWCC與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系

目前有部分學(xué)者利用孔隙分布曲線來(lái)預(yù)測(cè)土的SWCC［6-7］。其內(nèi)在原理為：孔隙分布曲線是通過(guò)壓汞試驗(yàn)獲得，壓汞試驗(yàn)是通過(guò)在一定壓力下向土樣中壓入汞，記錄不同壓力下的進(jìn)汞體積，換算得到相應(yīng)孔徑的孔隙體積；在壓汞試驗(yàn)中，汞先被壓入較大的孔隙，然后是小孔隙。這一過(guò)程與SWCC的干燥路徑中，大孔隙先失水，然后是小孔隙失水的過(guò)程相似。所以可以利用壓汞試驗(yàn)原理（式（3））和土樣吸力控制原理（式（4））建立孔隙等效直徑和吸力之間的關(guān)系（式（5））。

式中：p為進(jìn)汞壓力（kPa）；σHg是汞的表面張力（在25℃下為484 mN／m）；φHg是汞與孔隙的接觸角（為141.3°）；σw是水的表面張力（25℃時(shí)為72 mN／m）；φw是水與孔隙表面的接觸角（假設(shè)為180°）；ua是空氣壓力（kPa）；uw是水壓力（kPa）；Ψ為基質(zhì)吸力（kPa）；D為孔隙等效直徑（μm）。

雖然由進(jìn)汞過(guò)程得來(lái)的累計(jì)孔隙分布曲線可以用來(lái)模擬干燥路徑的SWCC，但是對(duì)于膨脹土，不論是處于吸濕過(guò)程還是干燥過(guò)程，它的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)隨著含水率的變化而變化［15-16］，在 SWCC量測(cè)過(guò)程中，土樣中的孔隙分布會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)的變化，因此無(wú)法通過(guò)某一條特定的孔隙分布曲線來(lái)預(yù)測(cè)其SWCC。但可以采用這種換算方法，對(duì)膨脹土吸濕路徑SWCC的趨勢(shì)進(jìn)行分析。

從圖4中可以看出，當(dāng)土樣吸濕時(shí)，微孔隙波峰的峰高和峰高對(duì)應(yīng)的孔徑基本沒(méi)有發(fā)生改變，但是峰寬明顯增大，即集聚體內(nèi)部的微小孔隙增多。Delage等［17］對(duì)膨潤(rùn)土的微觀結(jié)構(gòu)變化的時(shí)效性研究表明：隨著集聚體內(nèi)孔隙水分的增多，蒙脫石水化，集聚體內(nèi)部的層疊體會(huì)逐漸分裂成薄的層疊體，填充了集聚體之間的孔隙，導(dǎo)致集聚體間大孔隙減小，集聚體內(nèi)小孔隙增多。對(duì)于膨脹土來(lái)說(shuō)，集聚體內(nèi)孔隙和集聚體間孔隙的分界值為0.1μm［18］，根據(jù)式（5）孔徑與吸力之間的換算關(guān)系可知，0.1μm孔徑對(duì)水的吸力為3 000 kPa，所以集聚體內(nèi)的孔隙主要影響高吸力范圍內(nèi)的SWCC。在氣相法的量測(cè)過(guò)程中，膨脹土從空氣中吸收水分，伊蒙混層水化，團(tuán)聚體分裂成的層疊體填充了集合體間的孔隙，即使得小孔隙減小，微孔隙增多，新增加的微孔隙將繼續(xù)吸水。這是一個(gè)連續(xù)的反饋過(guò)程，并持續(xù)到土顆粒在該吸力下的膨脹達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。因此與水穩(wěn)定性好的土（如砂土）相比，土樣吸濕更快，即土樣的吸濕曲線在高吸力部分斜率更大。

土樣中0.1～5μm孔徑對(duì)應(yīng)的吸力在3 MPa～60 kPa范圍內(nèi)，從孔隙體積分布的變化情況來(lái)看，由于土樣處于體積不受限制的自由膨脹狀態(tài)，土顆粒體積膨脹后，會(huì)推開(kāi)其周圍的顆粒，增大孔隙的體積，使得小孔隙變成大孔隙。因?yàn)榇罂讖娇紫哆M(jìn)水需要在更低的吸力下，所以與水穩(wěn)定性好的土相比，膨脹土在該吸力范圍內(nèi)SWCC斜率會(huì)變小。

對(duì)于土體中大孔隙的體積含量迅速增大的情況，經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，孔徑＞5μm的孔隙在吸濕過(guò)程中對(duì)應(yīng)的吸力＜60 kPa，進(jìn)氣值約為70 kPa。也就是說(shuō)，在土樣含水率增大過(guò)程中大孔隙的體積含量增大，但是大孔隙的變化只影響SWCC的邊界效應(yīng)段，雖然隨著孔隙的增大，會(huì)有更多的水進(jìn)入土樣中，但是土樣一直處于飽和狀態(tài)，這一區(qū)段膨脹土的SWCC與水穩(wěn)定性好的土類似，大孔隙體積含量的變化對(duì)SWCC影響較小。

6 結(jié) 論

本文采用滲析法和氣相法量測(cè)了膨脹土的SWCC，并根據(jù)微觀試驗(yàn)解釋了SWCC的變化趨勢(shì)，主要結(jié)論有：

（1）膨脹土的土-水特征曲線呈現(xiàn)一定的反“S”形特征，但是過(guò)渡段和非飽和殘余段的區(qū)分不明顯，土樣在無(wú)明顯拐點(diǎn)的情況下持續(xù)地增濕。

（2）試驗(yàn)土體的微結(jié)構(gòu)類型為紊流結(jié)構(gòu)，土的孔隙分布曲線大致呈雙峰分布，根據(jù)孔徑的大小，孔隙可以分為大孔隙（＞5μm）、小孔隙（0.1～5μm）和微孔隙（＜0.1μm）；其中，微孔隙為集聚體內(nèi)孔隙。

（3）在高吸力部分，膨脹土在吸濕后，伊蒙混層水化，團(tuán)聚體分裂成的層疊體填充了集合體間的孔隙，使得小孔隙的體積含量減小，微孔隙體積含量增多。微孔隙的增多導(dǎo)致土體在高吸力部分吸水量的增多，而小孔隙的減少導(dǎo)致土體從非飽和殘余段到飽和狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程中吸水量減少。最終使膨脹土的SWCC的非飽和殘余段和過(guò)渡段的區(qū)分不明顯。