復(fù)雜邊界條件下膨脹土的體變特性與抗壓強(qiáng)度研究

李 燕，王斯海, ，朱 銳,

(1. 江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 江蘇 南通 226007； 2. 南京工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇 南京 211816； 3. 南京水利科學(xué)研究院, 江蘇 南京 210029)

膨脹土是一種以膨脹性黏土礦物成分為主的高塑性黏土。在自然環(huán)境中，濕度的變化易造成膨脹土反復(fù)的脹縮變化及強(qiáng)度的衰減，這對(duì)膨脹土地區(qū)的建筑物構(gòu)成了極大的安全隱患[1-3]。鑒于此，諸多學(xué)者對(duì)膨脹土的體變特性和力學(xué)特性展開了試驗(yàn)研究[4-6]。唐朝生等[7]開展了干濕循環(huán)過程中膨脹土脹縮變形室內(nèi)試驗(yàn)研究，認(rèn)為隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹速率逐漸增大，而脹縮變形趨于穩(wěn)定。魏星等[8]基于非飽和土BBM模型，提出了一個(gè)膨脹土本構(gòu)模型，通過對(duì)擊實(shí)膨脹土脹縮變形試驗(yàn)的模擬，驗(yàn)證了所提模型的有效性和優(yōu)越性。Lu等[9-10]通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討了凍融循環(huán)對(duì)膨脹土物理力學(xué)特性的影響，認(rèn)為在凍融循環(huán)過程中，含水率較高的膨脹土體變特性為“凍脹融縮”，含水率較低的膨脹土體變特性則為“凍縮融脹”，第一次凍融循環(huán)過程對(duì)膨脹土的力學(xué)性能有著顯著影響。

上述研究較好地揭示了濕干循環(huán)或凍融循環(huán)條件下膨脹土的脹縮特性和力學(xué)特性，但是工程現(xiàn)場膨脹土并非處于單一循環(huán)邊界條件下，有時(shí)是復(fù)雜的多場耦合邊界。如蔡正銀等[11]所研究的北疆供水渠道，渠基土每年經(jīng)歷濕干交替、凍融循環(huán)的往復(fù)過程，即濕干凍融耦合循環(huán)（下文簡稱為耦合循環(huán)），造成了輸水渠道顯著破壞[12-13]。然而，目前關(guān)于耦合循環(huán)條件下膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)的研究仍然較少，針對(duì)耦合循環(huán)條件下渠基膨脹土體變特性及力學(xué)特性的研究更是鮮見報(bào)道。

鑒于此，開展?jié)窀裳h(huán)、凍融循環(huán)及耦合循環(huán)條件下渠基膨脹土體變特性和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究，探討不同循環(huán)邊界條件、不同循環(huán)次數(shù)等條件下渠基膨脹土的體積變化和強(qiáng)度衰減規(guī)律，以期為北疆膨脹土輸水渠道的建設(shè)與維護(hù)提供依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)土料取自新疆阿勒泰地區(qū)供水工程建設(shè)工地，經(jīng)過一系列室內(nèi)試驗(yàn)及測(cè)試，土體基本特性如表1所示。按照規(guī)范[14]進(jìn)行分類，該土料屬于中等脹縮性膨脹土。

表1 土樣基本特性Tab. 1 Basic properties of soils

試驗(yàn)共分為9組，每組包含15個(gè)試樣。為減小試驗(yàn)誤差，每組中3個(gè)試樣用于每次濕干、凍融及耦合循環(huán)后的變形量測(cè)，12個(gè)試樣用于不同循環(huán)次數(shù)后的渠道基土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試樣制備過程中，依據(jù)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[15]，首先將取回的土料風(fēng)干后測(cè)定初始含水率，隨后碾碎過2 mm篩并按試驗(yàn)方案配制土料，配制好的土料攪拌均勻后密封48 h，以使土體含水率更加均勻。依據(jù)所施加的邊界條件差異，土料配制方式分為兩種：（1）施加濕干循環(huán)或耦合循環(huán)邊界，試樣的不同飽和度變幅由干燥至目標(biāo)飽和度（St）實(shí)現(xiàn)，此時(shí)由于每次循環(huán)的初始過程為濕潤過程，試樣的初始含水率不影響隨后的循環(huán)過程，故按照最優(yōu)含水率計(jì)算土料質(zhì)量及加水量；（2）施加凍融循環(huán)邊界，循環(huán)過程中僅有凍結(jié)過程和融化過程時(shí)，試樣的不同飽和度變幅由設(shè)置不同初始飽和度（Si）實(shí)現(xiàn)，應(yīng)依據(jù)試驗(yàn)方案按照不同初始含水率（初始飽和度Si）分別計(jì)算土料質(zhì)量及加水量。為便于下文分析，將濕干和耦合循環(huán)中的目標(biāo)飽和度和凍融循環(huán)中的初始飽和度統(tǒng)一采用S表示。

試樣均為高80 mm、直徑39.1 mm的圓柱形重塑樣，分3層擊實(shí)，初始干密度參考現(xiàn)場渠道基土實(shí)測(cè)干密度，即1.60 g/cm3。制備好的試樣分別需經(jīng)歷0、1、3、7次濕干、凍融和耦合循環(huán)，如圖1所示。濕潤、干燥、凍結(jié)和融化邊界的施加如下：（1）濕潤過程對(duì)應(yīng)渠道的通水期，此時(shí)基土處于飽和或接近飽和狀態(tài)，故試樣的濕潤過程采用抽氣飽和法進(jìn)行模擬；（2）干燥過程對(duì)應(yīng)渠道停水期，此時(shí)渠道基土處于持續(xù)失水過程，故將試樣置于恒溫恒濕環(huán)境中自然風(fēng)干（(20±0.5)℃ 和 (50±3)%），期間采用稱重法監(jiān)測(cè)試樣的飽和度變化，至目標(biāo)飽和度（St）終止干燥；（3）凍結(jié)過程對(duì)應(yīng)渠道現(xiàn)場低于0℃的階段，采用低溫環(huán)境箱進(jìn)行模擬[16-17]，即將試樣置于環(huán)境箱中凍結(jié)24 h，凍結(jié)溫度設(shè)為?20 ℃（現(xiàn)場凍結(jié)期平均溫度）；（4）融化過程對(duì)應(yīng)渠道現(xiàn)場淺層基土解凍的階段，將試樣置于恒溫環(huán)境（20 ℃）中自然解凍，融化時(shí)間為24 h。為防止凍結(jié)過程和融化過程中試樣水分損失，采用保鮮膜包裹試樣并裝入密封袋后施加溫度場，經(jīng)稱重法測(cè)量并反算，單次凍融循環(huán)過程中試樣水分損失小于0.5%。同時(shí)，在每次循環(huán)結(jié)束后，采用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣的高度和直徑[9-10]，以獲取試樣的體積變化量。

圖1 循環(huán)過程及體變量測(cè)方法Fig. 1 Cyclic process and measurement method of volume changes

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用YSH-2型無側(cè)限壓力儀，豎向加載速率設(shè)定為1 mm/min，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度取3個(gè)平行樣的均值。需要說明的是，為便于表示，下文圖中WD、FT、WDFT分別代表濕干、凍融、耦合循環(huán)，C代表循環(huán)次數(shù)，如WD-Ca-Sb表示S為b的試樣經(jīng)歷a次濕干循環(huán)，下文不再贅述。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 體變特性

為更好地表征試樣的體積變化規(guī)律，引入無量綱參數(shù)（體積變化率），定義為試樣體積相對(duì)于初始體積的變化量（脹為正、縮為負(fù)）與初始體積的百分?jǐn)?shù)。

2.1.1 濕干循環(huán) 圖2為試樣體積變化率隨濕干循環(huán)次數(shù)變化的曲線?？梢钥闯?，試樣在濕潤過程中吸水膨脹，在干燥過程中失水收縮，表現(xiàn)出“濕脹干縮”的典型特性。隨著濕干循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的體積均呈脹縮交替變化的特征。具體而言，S為30%的試樣的體積變幅（每次濕干、凍融或耦合過程中的體積變化量，下同）較為穩(wěn)定，在4次循環(huán)后，濕脹及干縮造成的體積變化量趨于恒定；S為70%的試樣的體積變化幅度也較為穩(wěn)定，但濕潤過程中的試樣體積變化量逐漸減小，造成每次循環(huán)后試樣的體積變化率呈逐漸減小的趨勢(shì)。與上述試樣不同的是，隨著濕干循環(huán)次數(shù)的增長，S為90%的試樣在濕潤過程和干燥過程中的體積變化量均顯著減小，造成每次循環(huán)過程中的試樣體積變幅呈下降的趨勢(shì)，第7次循環(huán)過程中的試驗(yàn)體積變幅僅約為第1次循環(huán)過程的34.2%。

此外，S分別為30%、70%、90%的試樣的飽和度在干燥過程中分別由100%降低至30%、70%和90%，代表了不同的干燥幅度。從圖2中還可以看出，S為30%的試樣的體積變幅最大，這表明試樣的體變特征隨著干燥幅度增大而更為顯著，這與文獻(xiàn)[18-19]中的結(jié)論是相符合的。對(duì)于這一現(xiàn)象，分析其原因?yàn)椋涸诟稍镞^程中，具有一定脹縮性的試樣會(huì)出現(xiàn)失水收縮現(xiàn)象，由此產(chǎn)生的裂隙破壞了試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，造成試樣內(nèi)部膠結(jié)能力的下降，在隨后的濕潤過程中，試樣的吸水膨脹也愈發(fā)顯著。在反復(fù)的濕干循環(huán)過程中，較大的干燥幅度代表著更加明顯的濕干效應(yīng)，S為30%的試樣的體積變化幅度也因此較大。

圖2 試樣體積變化率隨濕干循環(huán)次數(shù)變化的曲線Fig. 2 Curve of volume changes with wetting-drying cycles

2.1.2 凍融循環(huán) 圖3為試樣體積變化率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的曲線?？梢钥闯?，S分別為70%、90%的試樣均表現(xiàn)出“凍脹融縮”的特征；而S為30%的試樣在凍融循環(huán)過程中則表現(xiàn)出“凍縮融脹”的特征。從土體持水性質(zhì)的角度來看，原因在于：飽和度較低的土體含水率較低，內(nèi)部孔隙含較多空氣。當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，少量孔隙水凍結(jié)造成的體積增長小于膨脹土顆粒失水造成的體縮，故土樣在凍結(jié)過程中出現(xiàn)了“凍縮”的現(xiàn)象；與之相反的是，當(dāng)環(huán)境溫度上升時(shí)，孔隙水融化造成的體縮又小于膨脹土顆粒的濕化膨脹量，故土樣在融化過程中出現(xiàn)了“融脹”的現(xiàn)象。另外，從圖3還可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增長，試樣的體積變幅均有小幅下降的趨勢(shì)，3組試樣的體積變幅最大值分別在第3次、第2次、第1次循環(huán)過程中，將3組試樣在第7次過程中的體積變幅與其體積變幅最大值相比，分別下降了18.5%、38.4%和35.3%，這主要是因?yàn)閮鼋Y(jié)過程中土體的體積變化是由土體孔隙內(nèi)水分相變引起的，但這種變形是無法恢復(fù)的塑性變形[20]，實(shí)質(zhì)上是對(duì)土體的一種損傷，故隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的體積變幅逐漸減小。

圖3 試樣體積變化率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的曲線Fig. 3 Curve of volume changes with freezing-thawing cycles

2.1.3 耦合循環(huán) 圖4為試樣體積變化率隨耦合循環(huán)次數(shù)變化的曲線?？梢钥闯?，試樣在耦合循環(huán)過程中的體積變化率不盡相同，但均呈波動(dòng)變化的特征。其中，S為30%的試樣的體積變化率變化趨勢(shì)較為穩(wěn)定，且在第3次循環(huán)后基本保持不變，而S分別為70%、90%的試樣的體積變化率均呈下降趨勢(shì)。

圖4 試樣體積變化率隨耦合循環(huán)次數(shù)變化的曲線Fig. 4 Curve of volume changes with coupled wetting-drying-freezing-thawing cycles

此外，由于S為30%的試樣在干燥過程中的目標(biāo)飽和度為30%，較大的干燥幅度造成耦合循環(huán)過程中的濕干循環(huán)效應(yīng)較為顯著，試樣的體積變化幅度在濕潤過程和干燥過程中較大，顯著高于凍結(jié)過程和融化過程。與之相反的是，在S為90%的試樣的耦合循環(huán)過程中存在著較為明顯的凍融循環(huán)效應(yīng)，即凍結(jié)過程和融化過程中的體積變幅顯著高于濕潤過程和干燥過程，這種凍融循環(huán)效應(yīng)隨著耦合循環(huán)次數(shù)的增長逐漸弱化，宏觀表現(xiàn)為S為90%的試樣在每次耦合循環(huán)過程中的體積變幅逐漸減小，這與試樣在凍融循環(huán)過程中的體積變化規(guī)律相一致。S為70%的試樣在干燥過程中的目標(biāo)飽和度為70%，處于S為30%和S為90%的試樣之間。在循環(huán)初期（第1~4次），S為30%的試樣的體積變幅在濕潤過程和干燥過程中較大，隨著循環(huán)次數(shù)的增長（第4次往后），其體積變幅在濕潤、干燥、凍結(jié)和融化過程中較為接近，可以認(rèn)為試樣S為30%的試樣在耦合循環(huán)過程中受到濕干循環(huán)效應(yīng)和凍融循環(huán)效應(yīng)的耦合作用，它的體積變化過程存在一個(gè)疊加效應(yīng)，這在之前的研究中未見報(bào)道。

2.1.4 渠基膨脹土體變規(guī)律分析 為便于定量分析試樣在濕潤、干燥、凍結(jié)和融化過程中的體積變化規(guī)律，計(jì)算試樣在濕干、凍融和耦合循環(huán)過程中的體變，結(jié)果見圖5。

圖5 不同S值下濕、干、凍、融過程中試樣體積變化曲線Fig. 5 Curves of volume changes in wetting, drying, freezing and thawing processes with disserent S

從圖5可以看出，當(dāng)S為30%時(shí)，試樣在濕潤、干燥、凍結(jié)、融化這4個(gè)過程中的體變規(guī)律相似。在濕潤過程和干燥過程中，經(jīng)歷耦合循環(huán)的試樣和經(jīng)歷濕干循環(huán)的試樣的體積變化趨勢(shì)較為接近，在第4次循環(huán)過后，試樣在濕潤和干燥過程的體積變化率均趨于穩(wěn)定。在凍結(jié)和融化過程中，經(jīng)歷耦合和凍融循環(huán)的試樣均呈現(xiàn)“凍縮融脹”的特征，但在第2次循環(huán)過后，經(jīng)歷耦合循環(huán)的試樣的體積變化率顯著減小，宏觀上表現(xiàn)為“凍縮融脹”現(xiàn)象減弱，與僅經(jīng)歷凍融循環(huán)的試樣有一定的差異，這表明耦合循環(huán)過程中的濕干過程對(duì)試樣在隨后的凍結(jié)、融化過程的體變有一定的弱化作用。與之類似的是，當(dāng)S為90%時(shí)，試樣在濕潤、干燥、凍結(jié)、融化這4個(gè)過程中均呈現(xiàn)出相似的體積變化趨勢(shì)。在濕潤過程中，經(jīng)歷濕干和耦合循環(huán)的試樣的體積變化率均在1次循環(huán)后驟降，并隨著循環(huán)次數(shù)的增長逐漸趨于0。在干燥過程中，經(jīng)歷濕干和耦合循環(huán)的試樣所呈現(xiàn)的體積變化趨勢(shì)與圖5（b1）相近，但由于試樣干燥幅度較小，因而體積變化率顯著低于圖5（b1）中的試樣。在凍結(jié)和融化過程中，經(jīng)歷凍融和耦合循環(huán)的試樣均呈現(xiàn)出“凍脹融沉”的特征，但隨著循環(huán)次數(shù)的增長，經(jīng)歷耦合循環(huán)的試樣的體積變化率逐漸小于經(jīng)歷凍融循環(huán)的試樣，這與S為30%的試樣（經(jīng)歷耦合循環(huán)）所呈現(xiàn)的“體變?nèi)趸爆F(xiàn)象較為一致。

對(duì)于這種“體變?nèi)趸爆F(xiàn)象，分析其原因?yàn)椋合啾扔趦鋈谘h(huán)條件下的試樣，耦合循環(huán)條件下的試樣首先經(jīng)歷濕干過程，在這一過程中，試樣內(nèi)部出現(xiàn)微裂隙，這些微裂隙會(huì)發(fā)生豎向拓展，隨后偏轉(zhuǎn)并在一定深度處匯聚，造成試樣內(nèi)部部分顆粒間的距離增大[21]。在此基礎(chǔ)上，溫度場的變化所造成的凍脹融沉變形及水分相變引起的土體吸水膨脹、失水收縮都略有衰減，宏觀上表現(xiàn)為耦合循環(huán)過程中的濕干過程對(duì)試樣在隨后的凍結(jié)、融化過程的體變有一定的弱化作用。

另外，當(dāng)S為70%時(shí)，試樣在濕潤、干燥、凍結(jié)、融化這4個(gè)過程中的體變規(guī)律并不完全一致。在濕潤過程中，經(jīng)歷濕干循環(huán)的試樣所呈現(xiàn)體變趨勢(shì)與圖5（a1）相似，而經(jīng)歷耦合循環(huán)的試樣的體積變化率在1次循環(huán)后驟降，并隨著循環(huán)次數(shù)的增長，出現(xiàn)一定的波動(dòng)；在干燥過程中，經(jīng)歷濕干和耦合循環(huán)的試樣均呈現(xiàn)出與圖5（b1）一致的體積變化趨勢(shì)，但經(jīng)歷耦合循環(huán)的試樣的體縮顯著小于僅經(jīng)歷濕干循環(huán)的試樣。在凍結(jié)和融化過程中，經(jīng)歷凍融循環(huán)的試樣呈現(xiàn)出“凍脹融沉”的特征，經(jīng)歷耦合循環(huán)的試樣在循環(huán)前期也出現(xiàn)了“凍脹融沉”的現(xiàn)象，但隨著循環(huán)次數(shù)的增長，經(jīng)歷耦合循環(huán)的試樣則呈現(xiàn)出“凍縮融脹”的特征，這表明70%左右的飽和度可能為試樣發(fā)生“凍脹融沉”和“凍縮融脹”的臨界飽和度。

2.2 強(qiáng)度特性

2.2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 圖6和7分別為不同邊界條件和不同S下試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線?？梢钥闯觯跐窀?、凍融以及耦合循環(huán)條件下，具有相同S試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線變化特征較為一致，均為軟化型。依據(jù)吳旭陽等[22]的研究，不同邊界條件和S下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線類型可分別劃分為強(qiáng)軟化型、一般軟化型和弱軟化型，這與S值有較大關(guān)聯(lián)。當(dāng)S取30%時(shí)，無論是濕干循環(huán)、凍融循環(huán)，還是耦合循環(huán)條件下，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均為強(qiáng)軟化型，即在較小的應(yīng)變內(nèi)保持較高的強(qiáng)度；當(dāng)S取70%或90%時(shí)，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系多呈一般軟化型和弱軟化型。

圖7 不同S下試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig. 7 Curves of strain-stress relationship with different S

2.2.2 抗壓強(qiáng)度 圖8為不同邊界條件和不同S下試樣抗壓強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線?？梢钥闯?，在濕干、凍融以及耦合循環(huán)條件下，具有相同S的試樣的抗壓強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的變化趨勢(shì)較為相似，均隨著循環(huán)次數(shù)的增長而下降，隨后逐漸趨于穩(wěn)定。當(dāng)S取30%時(shí)，經(jīng)歷7次濕干循環(huán)、凍融循環(huán)、耦合循環(huán)后，試樣的抗壓強(qiáng)度分別降低了37.2%、25.3%、46.9%。當(dāng)S取70%和90%時(shí)，第1次循環(huán)過程造成了試樣的抗壓強(qiáng)度大幅下降，這與文獻(xiàn)[9-10,21]中所報(bào)道的一致。經(jīng)歷7次濕干循環(huán)、凍融循環(huán)、耦合循環(huán)后，試樣的抗壓強(qiáng)度分別降低了53.2%、48.2%、55.7%和48.2%、55.1%、59.1%。

圖8 不同邊界條件下試樣抗壓強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig. 8 Curves of strength variation with cycles under different boundary conditions

從圖8還可以看出，耦合循環(huán)條件下試樣的抗壓強(qiáng)度衰減最為顯著，而濕干循環(huán)和凍融循環(huán)條件下試樣的抗壓強(qiáng)度衰減程度則與S值相關(guān)。當(dāng)S取30%和70%時(shí)，相比于凍融循環(huán)，濕干循環(huán)條件下試樣抗壓強(qiáng)度的衰減更為明顯；當(dāng)S取90%時(shí)，凍融循環(huán)條件下試樣抗壓強(qiáng)度的衰減則比濕干循環(huán)條件下要顯著?？梢哉J(rèn)為，對(duì)于S值較大的試樣，凍融循環(huán)造成的強(qiáng)度損傷更為突出。

3 結(jié) 語

（1）在濕干循環(huán)過程中，試樣的體積均呈脹縮交替變化的特征，在4次濕干循環(huán)后，濕脹及干縮造成的體積變幅趨于恒定。在凍融循環(huán)過程中，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增長，試樣的體積變幅逐漸減小。

（2）在耦合循環(huán)過程中，試樣的體變呈波動(dòng)變化的特征。飽和度較小的試樣由濕干循環(huán)效應(yīng)產(chǎn)生的體變更為明顯，飽和度較大的試樣由凍融循環(huán)效應(yīng)產(chǎn)生的體變更為顯著，也就是說試樣的體變特性受到濕干效應(yīng)和凍融效應(yīng)的綜合影響，試樣發(fā)生“凍脹融沉”和“凍縮融脹”的臨界飽和度約為70%。

（3）相比于僅經(jīng)歷凍融循環(huán)的試樣，經(jīng)歷耦合循環(huán)的試樣在凍結(jié)和融化過程中的體積變化率均顯著減小，可以認(rèn)為耦合循環(huán)中的濕干過程對(duì)于試樣在后續(xù)凍結(jié)、融化過程的體變有一定的弱化作用。

（4）耦合循環(huán)條件下試樣的抗壓強(qiáng)度衰減最為顯著，7次耦合循環(huán)后，試樣的抗壓強(qiáng)度降低了46.9%~59.1%。而濕干循環(huán)和凍融循環(huán)條件下試樣的抗壓強(qiáng)度衰減程度則與飽和度相關(guān)。