干濕循環(huán)作用下膨脹土變形特性

段尚磊，徐國(guó)元，董均貴，錢(qián)慧良

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引 言

膨脹土是一種特殊的非飽和土，在我國(guó)廣西、云南、四川、內(nèi)蒙古等20多個(gè)地區(qū)均有不同范圍的分布[1]。因其含有蒙脫石、伊利石等親水性礦物，表現(xiàn)出明顯的吸水膨脹和失水收縮特性，且這種隨含水率變化而脹縮變形具有反復(fù)性[2]。膨脹土的膨脹特性受到密實(shí)度、礦物組成、含水率、結(jié)構(gòu)、裂隙等眾多因素的影響。其中，含水率因素受外界環(huán)境影響最大。大自然的降雨和蒸發(fā)作用導(dǎo)致淺層膨脹土存在干濕循環(huán)現(xiàn)象，經(jīng)歷多次干濕循環(huán)作用后，土體裂隙發(fā)育、顆粒破碎、強(qiáng)度降低，導(dǎo)致膨脹土地基上的各種工程建筑物存在重大安全隱患[3-7]。眾多專家學(xué)者已對(duì)膨脹土及其災(zāi)害防治進(jìn)行近60年的研究，然而由于對(duì)干濕變化的敏感性及其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，膨脹土災(zāi)害仍時(shí)有發(fā)生。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)膨脹土地區(qū)每年有數(shù)百萬(wàn)平方米的建筑物受損，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)億元，膨脹土地區(qū)對(duì)建成構(gòu)筑物的維護(hù)費(fèi)用也高達(dá)數(shù)千萬(wàn)[8-9]。吸水膨脹是膨脹土成災(zāi)的主要形式之一，造成破壞也最嚴(yán)重[10-11]。因?yàn)閷?duì)含水率變化敏感的特性，膨脹土災(zāi)害屬于具有顯著的突發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害[12-13]。

隨著全球范圍內(nèi)工程建設(shè)的全面展開(kāi)，膨脹土的研究也取得許多新進(jìn)展。主流研究認(rèn)為，干濕循環(huán)作用對(duì)膨脹土來(lái)說(shuō)是弊大于利的，貫入阻力、彈性模量、抗剪強(qiáng)度等各項(xiàng)指標(biāo)會(huì)因干濕循環(huán)而出現(xiàn)不同程度的衰減[14-18]。Nicolai David Jablonowski等研究發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)作用可促進(jìn)無(wú)機(jī)物在土壤中富集，形成具有一定粘結(jié)力的膠結(jié)物，膠結(jié)物的擴(kuò)容作用會(huì)提高膨脹率。經(jīng)歷不同循環(huán)次數(shù)，富集程度是不同的，其膨脹特性也存在顯著差異[19]。Sai K.Vanapall等學(xué)者注意到，由于應(yīng)力狀態(tài)變化和軟化特性，膨脹土的變形很難用當(dāng)前的一般非飽和土模型進(jìn)行推算[20]。膨脹率的測(cè)試和預(yù)測(cè)的方法較多，通過(guò)初始含水率、塑性指數(shù)、初始干密度等簡(jiǎn)單指標(biāo)可對(duì)膨脹能力進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)[21-23]。礦物成分、基質(zhì)吸力、PH值等因素與膨脹性能有良好的線性關(guān)系，也可以對(duì)膨脹率的大小進(jìn)行預(yù)估[24]。膨脹率常用于表征土體膨脹量的大小，膨脹量與時(shí)間的關(guān)系往往不是線性的，膨脹的不同階段都有各自特殊性，而干濕循環(huán)作用下不同膨脹階段的特征及其影響機(jī)理尚不明了。

結(jié)合前人研究成果，以膨脹土為研究對(duì)象，研究不同干濕循環(huán)次數(shù)下重塑膨脹土吸水膨脹變形能力，探究膨脹過(guò)程不同階段的膨脹特性及其影響機(jī)理，從過(guò)程角度初步揭示干濕循環(huán)對(duì)膨脹特性的影響。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)用土基本物性

試驗(yàn)所用膨脹土取自廣西南寧市西南部地表以下2～4 m之間，為灰白色弱膨脹土，其主要物性參數(shù)見(jiàn)表1.根據(jù)相關(guān)規(guī)程[25]可知，該土為弱膨脹土。

1.2 試樣制取

為保證試樣均勻性，采取靜壓制樣方式。取過(guò)2 mm篩的烘干土，分層噴水配制含水率約為12.0%的濕土，密封保存48 h以上使水分均勻后用烘干法測(cè)定含水率。按相同干密度1.7 g/cm3，采用千斤頂靜壓制樣，試樣直徑為61.8 mm，高度為20.0 mm.密度差小于0.2 g/cm3的3個(gè)試樣為一組，取3個(gè)試樣變形讀數(shù)平均值作為該時(shí)刻豎向膨脹量。

表1 膨脹土特性參數(shù)

1.3 膨脹試驗(yàn)

試驗(yàn)利用固結(jié)儀完成，為防止試樣膨脹時(shí)超出環(huán)刀限制范圍，試驗(yàn)中環(huán)刀直徑為61.8 mm，高度為25.0 mm.參照公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTG E40—2007)[26]的要求安裝好試樣，試樣豎向不施加荷載。記錄百分表初讀數(shù)，加蒸餾水至稍稍沒(méi)過(guò)試樣下底面。試驗(yàn)開(kāi)始20 min內(nèi)每隔5 min記錄一次百分表讀數(shù)，開(kāi)始2 h內(nèi)每10 min記錄一次百分表讀數(shù)，之后根據(jù)試樣膨脹速率調(diào)整讀數(shù)時(shí)間。當(dāng)間隔2 h時(shí)，2次讀數(shù)之差小于0.01 mm時(shí)，可認(rèn)為試樣膨脹變形達(dá)到穩(wěn)定。拆除百分表，將試樣置于40 ℃的烘箱內(nèi)烘干至恒重，測(cè)量干試樣高度，如此完成一次干濕循環(huán)過(guò)程。試樣后續(xù)膨脹測(cè)量及干濕循環(huán)過(guò)程與第一次操作相同。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同循環(huán)次數(shù)下膨脹曲線

以試樣吸水時(shí)間為橫坐標(biāo)，以試樣豎向累計(jì)變形量(膨脹量)為縱坐標(biāo)，對(duì)比分析0～4次干濕循環(huán)下試樣膨脹特性曲線(圖1)。

圖1 不同循環(huán)次數(shù)下豎向變形與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.1 Relationships between vertical deformation and time under different cycles

2.2 曲線總體走勢(shì)

試樣橫向受到環(huán)刀的固定約束，只能發(fā)生豎向膨脹，豎向累計(jì)變形也即是膨脹量。不同干濕循環(huán)次數(shù)下，試樣吸水膨脹趨勢(shì)相同，隨吸水時(shí)間增加試樣先迅速膨脹，之后膨脹速率減慢，最后膨脹達(dá)到穩(wěn)定。第0次循環(huán)時(shí)，試樣膨脹速率最低，約在230 min后完才成膨脹量的90%.而第1～第4次循環(huán)后，試樣均在約100 min后就完成膨脹量的90%，之后緩慢達(dá)到變形穩(wěn)定。0次循環(huán)試樣的吸水過(guò)程中，試樣初始狀態(tài)為靜壓低含水率試樣，孔隙大小和分布都較為均勻，水分從試樣底部通過(guò)毛細(xì)作用上升的速度較為均勻且緩慢。待較大孔隙充滿水并實(shí)現(xiàn)一定膨脹后，水分才能進(jìn)入顆粒之間的細(xì)小孔隙，完成后續(xù)約10%的膨脹量。

完成第1次干濕循環(huán)過(guò)程后，試樣經(jīng)歷了脫水過(guò)程。脫水時(shí)毛細(xì)管內(nèi)水分與試樣的浸潤(rùn)角要小于吸水過(guò)程的浸潤(rùn)角[27]，從而使試樣土粒間距減小，孔隙收縮變小。水分在孔隙內(nèi)進(jìn)出流動(dòng)，使得部分粘粒隨之遷移并在孔徑縮小位置停留形成孔喉。當(dāng)試樣再次吸水時(shí)，細(xì)小孔徑具有更大的吸力，水分迅速沿細(xì)孔上升，使試樣在不到2 h內(nèi)就完成超過(guò)90%的膨脹量?？缀韺?duì)水分進(jìn)入存在一定阻擋作用，其內(nèi)部的孔隙吸水膨脹過(guò)程存在一定滯后現(xiàn)象。

各次干濕循環(huán)下，膨脹量與時(shí)間關(guān)系曲線(膨脹曲線)無(wú)法用1條曲線進(jìn)行擬合。以3次干濕循環(huán)后吸水膨脹數(shù)據(jù)為例，根據(jù)不同時(shí)段試樣吸水特性采用3段直線近似擬合。

如圖2所示，各膨脹階段均可用直線擬合，不同階段擬合直線的斜率不同。用分段擬合符合性較好，相關(guān)系數(shù)都大于0.9.根據(jù)擬合關(guān)系式，由不同時(shí)間點(diǎn)推算第3次循環(huán)后吸水膨脹過(guò)程中不同階段膨脹量，并與實(shí)測(cè)膨脹量進(jìn)行誤差分析由圖3可知，分為3段進(jìn)行擬合的膨脹數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合良好，其最大誤差約為0.1 mm.不同干濕循環(huán)次數(shù)下，試樣吸水膨脹量隨時(shí)間的變化膨脹曲線用3段直線進(jìn)行擬合較為合理。

圖2 擬合數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.2 Comparison of the fitted and measured data

2.3 各階段膨脹速率

試樣在各個(gè)時(shí)間段的膨脹速率存在較大差異，0～30 min快速膨脹階段，30～90 min減緩膨脹階段，90 min之后緩慢穩(wěn)定階段。將不同干濕循環(huán)次數(shù)下3階段膨脹速率曲線列于圖3中，橫坐標(biāo)為膨脹階段，縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)圖2中各膨脹階段擬合直線的斜率。

圖3 不同循環(huán)次數(shù)下各階段膨脹速率Fig.3 Swelling rate at each stages under different cycles

從圖3可以看出，第1階段于第2，3階段的膨脹速率差距較大，第二、三2個(gè)階段膨脹速率較為接近。對(duì)于未經(jīng)歷干濕循環(huán)的試樣(第0次循環(huán))，膨脹速率隨時(shí)間增加而逐漸降低，但其各個(gè)階段膨脹速率差距不大。經(jīng)歷干濕循環(huán)的試樣(第1～4次循環(huán))，各階段膨脹速率相差較大；第1階段膨脹速率最大，約為第2階段膨脹速率的4倍。經(jīng)歷干濕循環(huán)試樣膨脹速率與吸水階段之間可近似用對(duì)數(shù)回歸方程來(lái)表示，本試驗(yàn)中，k為膨脹速率，x為吸水階段(取值1，2，3)。

k=-0.0558ln(x)+0.058 4

(1)

試樣吸水膨脹過(guò)程是孔隙逐漸充滿水的過(guò)程，也是從非飽和狀態(tài)逐漸過(guò)度到飽和狀態(tài)的過(guò)程。水分從試樣底部往上逐漸擴(kuò)散至整個(gè)試樣飽和，在達(dá)到整體飽和之前總是存在處于非飽和的部分。根據(jù)飽和度的不同，俞培基等學(xué)者將非飽和土歸納為3種系統(tǒng)階段，水封閉系統(tǒng)、雙開(kāi)敞系統(tǒng)、氣封閉系統(tǒng)[28]。試樣吸水膨脹的第1階段，飽和度較小，只有孔隙氣是連通的，而孔隙水則被氣和土粒隔開(kāi)。此時(shí)由于毛細(xì)水的遷移，土粒與少量孔隙水接觸而迅速發(fā)生膨脹并形成水膜[29]，孔徑收縮將孔隙氣壓縮并驅(qū)趕出試樣，使水分可以迅速向深處流動(dòng)，外部水分可迅速進(jìn)入孔隙。此階段試樣吸水膨脹迅速，與文中膨脹曲線的第1階段相對(duì)應(yīng)。隨著飽和度的逐漸增加而到達(dá)雙開(kāi)敞系統(tǒng)階段，此時(shí)孔隙水與孔隙氣都成為連通狀態(tài)，兩者都有各自通向土粒的通道。與水接觸的土粒已基本完成膨脹，孔隙氣的量減小，局部孔隙堵塞，孔隙氣的排除需要更大的壓力。故而此階段試樣膨脹速率減緩，與文中膨脹曲線的第2階段相符。膨脹曲線處于第3階段時(shí)，試樣中水分繼續(xù)增加到達(dá)水封閉系統(tǒng)，孔隙中的空氣將被分割和包圍，以氣泡的形式存在。此時(shí)只有孔隙水是連通的，氣泡之間不連通且量很少，試樣繼續(xù)緩慢膨脹的同時(shí)也會(huì)將部分氣泡排除，試樣膨脹已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

2.4 干濕循環(huán)對(duì)膨脹變形的影響

經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)之后，試樣吸水膨脹總變形量明顯不同(圖4)。經(jīng)歷1次干濕循環(huán)后試樣吸水膨脹量增加約20%，之后隨著循環(huán)次數(shù)的增加膨脹量依次減小。分析認(rèn)為，試樣徑向尺寸大于豎向尺寸，脫水過(guò)程中徑向收縮量大于豎向收縮量，對(duì)土粒形成豎向擠壓，導(dǎo)致完成脫水時(shí)試樣的高度大于20.0 mm，徑向尺寸小于61.8 mm.脫水過(guò)程中，液體排出孔徑收縮，加之液體內(nèi)部張力作用，對(duì)孔壁施加一個(gè)收縮力，加大了孔徑縮小程度[30]。加之脫水過(guò)程試樣產(chǎn)生一定量的不可恢復(fù)變形，因而試樣經(jīng)歷1次干濕循環(huán)后，豎向膨脹能力遠(yuǎn)大于徑向。而第2～4次循環(huán)后吸水膨脹都是以經(jīng)歷脫水收縮后作為初始狀態(tài)進(jìn)行的，不同循環(huán)次數(shù)之間豎向、徑向變形能力差距減小，試樣總變形量依次減小。

圖4 膨脹量與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.4 Relation between the amount of expansion and the number of cycles

試樣顆粒破碎也是造成不同干濕循環(huán)次數(shù)下試樣膨脹量差異的重要原因。圖5(a)是1次干濕循環(huán)后的電鏡掃描圖像，圖5(b)是4次干濕循環(huán)之后的電鏡掃描圖像。1次干濕循環(huán)后，試樣處于脫水收縮狀態(tài)，土顆粒間呈堆疊狀緊密接觸。4次干濕循環(huán)后，試樣出現(xiàn)明顯的裂隙，且大部分裂隙都是沿試樣高度方向發(fā)展的。裂隙面上的土粒之間橫向失去了粘結(jié)強(qiáng)度，遇水時(shí)即會(huì)發(fā)生橫向膨脹的約束力變小。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣破碎化程度進(jìn)一步加重，豎向膨脹變形能力逐漸降低。另外，粘粒表面負(fù)電荷密度較大，吸水膨脹時(shí)雙電層厚度也較大。而隨著水分反復(fù)流出試樣，部分粘粒會(huì)隨水流失，一定程度上造成豎向膨脹量的損失。

圖5 不同循環(huán)次數(shù)電鏡掃描結(jié)果Fig.5 Scanning electron microscope of different cycles

非飽和土的基質(zhì)吸力是水分遷移的重要?jiǎng)恿Γ?jīng)歷不同干濕循環(huán)后基質(zhì)吸力也存在差異[31]。為進(jìn)一步探究干濕循環(huán)與膨脹特性的關(guān)系，測(cè)試不同循環(huán)次數(shù)下試樣的土-水特征曲線(SWCC)。文中使用飽和鹽溶液法，僅對(duì)高吸力條件下吸濕曲線進(jìn)行測(cè)試，借以分析干濕循環(huán)對(duì)基質(zhì)吸力的影響。試驗(yàn)使用飽和鹽溶液及對(duì)應(yīng)吸力值見(jiàn)表2，土-水特征曲線中水分以質(zhì)量含水率ω表示(圖6)。

圖6顯示了不同飽和鹽溶液提供的蒸汽壓，經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)后試樣吸濕路徑下，質(zhì)量含水率與基質(zhì)吸力的變化關(guān)系。當(dāng)含水率小于3%時(shí)，土水特征曲線趨于穩(wěn)定，不同循環(huán)次數(shù)的試樣吸力值較為接近。試驗(yàn)說(shuō)明了經(jīng)歷不同干濕循環(huán)之后，試樣的基質(zhì)吸力是不同的，尤其是在高含水率下差異更大[32]。故試樣膨脹過(guò)程中，第1階段膨脹速率和膨脹量差距較小，而第2階段和第3階段的差距較大。

表2 飽和鹽溶液及對(duì)應(yīng)吸力值(25 ℃)

圖6 飽和鹽溶液法測(cè)定土-水特征曲線Fig.6 Soil-water characteristic curves by saturated salt solution method

3 結(jié) 論

1)不同干濕循環(huán)次數(shù)下，試樣吸水膨脹變形的趨勢(shì)相同。膨脹土遇水反應(yīng)迅速，在較短時(shí)間內(nèi)即可完成總膨脹量的90%，之后膨脹減緩并最終趨于穩(wěn)定。

2)膨脹曲線各階段膨脹速率不同，可大致分為快速膨脹階段、減緩膨脹階段、緩慢穩(wěn)定階段。不同干濕循環(huán)次數(shù)下的膨脹曲線用3段直線進(jìn)行擬合較為合理，其擬合最大誤差約為0.1 mm.

3)非飽和土水封閉系統(tǒng)、雙開(kāi)敞系統(tǒng)、氣封閉系統(tǒng)等3種狀態(tài)的特征差異，是造成膨脹曲線不同階段膨脹速率差異的主要原因。

4)不同干濕循環(huán)次數(shù)下，試樣的破碎化程度和基質(zhì)吸力都存在一定差異，導(dǎo)致膨脹曲線及總膨脹量不盡相同。