彌勒原狀及壓實(shí)膨脹土的土水特性及體變特性

王一博 ，陳鋒，潘高峰 ，何宗弈 ，鄭亦軒 ，袁勝洋 ,

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)工程實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；4.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

土水特征曲線是非飽和土力學(xué)中的基礎(chǔ)本構(gòu)關(guān)系，描述了土體吸力與土體含水量之間的關(guān)系[1?2]，通過土水特征曲線的2個(gè)特征值點(diǎn)：空氣進(jìn)氣值和殘余含水率[3]，將土水特征曲線分為3個(gè)階段：邊界效應(yīng)區(qū)、過渡區(qū)和非飽和殘余區(qū)。此外，通過土水特征曲線可以研究非飽和土的強(qiáng)度、變形和滲透特性[4?8]，因此，土水特征曲線是評價(jià)土體持水性能的重要指標(biāo)。針對膨脹土的土水特征問題，孫德安等[9-13]分別從應(yīng)力歷史、土體初始含水率、初始干密度、上覆應(yīng)力和應(yīng)力狀態(tài)角度研究膨脹土土水特征的影響因素。對于土顆粒而言，土體的孔隙尺寸小，那么對應(yīng)于土水特征曲線上的進(jìn)氣值高，土體的持水性強(qiáng)。為探討土體結(jié)構(gòu)對土水特征曲線的影響，鄭方等[14]通過比較原狀土和壓實(shí)土的土水特征曲線，發(fā)現(xiàn)二者并不重合。李華等[15]通過比較原狀和重塑黃土的土水特征曲線，得到原狀土進(jìn)氣值較小的結(jié)論。膨脹土具有失水收縮和吸水膨脹的特性，其土水特征特性與體積變化之間存在相互作用。劉麗等[16]通過試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)土體的變形會(huì)改變土體內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變土水特征曲線?，F(xiàn)有研究大多針對土水特征的影響因素展開，較少從微觀角度研究膨脹土在脹縮過程的體變特性與持水特性。為進(jìn)一步研究膨脹土在吸水失水的過程中其微觀結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而研究體變對土水特征的影響，本文以彌勒原狀及壓實(shí)膨脹土為研究對象，開展土水特性試驗(yàn)及微觀測試試驗(yàn)，對原狀及壓實(shí)膨脹土的持水特性和變形特性進(jìn)行對比分析。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

彌蒙鐵路北起彌勒站，南至蒙自站，建設(shè)全長107 km，沿線設(shè)8個(gè)車站，建造標(biāo)準(zhǔn)為250 km/h雙線電氣化鐵路。該區(qū)段膨脹土呈淺灰、褐黃、灰綠等色，硬塑狀，土質(zhì)不均，局部夾薄層粉細(xì)砂、細(xì)圓礫，偶夾鈣質(zhì)結(jié)核。廣泛分布于測段內(nèi)，厚度大于20 m，具中等強(qiáng)膨脹性。取測區(qū)28組土樣做膨脹性試驗(yàn)，陽離子交換量CEC(NH+4)為188.8～695.8 mmol/kg， 蒙 脫 石 含 量M=9.34～58.81%，自由膨脹率Fs=39～94%。據(jù)試驗(yàn)判定其強(qiáng)膨脹土13組，占46%，中等膨脹土13組，占46%，弱膨脹土2組，占8%，綜合判定為中等～強(qiáng)膨脹土。其中一組的基本物理特性指標(biāo)如表1所示，根據(jù)《鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)TB10077—2019》對彌勒膨脹土的指標(biāo)及膨脹勢的判別如表2所示。

表1 基本物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Basic physical properties

表2 膨脹土的指標(biāo)及膨脹勢的判別Table 2 Indicators of expansive soil and discrimination of expansive potential energy

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 制樣

原狀土樣直徑為25 mm，高度為10 mm。增濕路徑的土樣放置在密閉的增濕箱，通過加濕器產(chǎn)生蒸汽進(jìn)行增濕；而干燥路徑的試樣則放置在空氣進(jìn)行干燥。當(dāng)試樣到達(dá)目標(biāo)含水率后，用保鮮膜包裹，7 d穩(wěn)定后取出測量吸力、體積和含水率。

1.2.2 吸力量測

對原狀及壓實(shí)膨脹土的吸力測試采用高量程吸力計(jì)(HCT)及冷鏡露點(diǎn)水勢儀(WP4C)結(jié)合的方式對膨脹土的吸力值進(jìn)行量測。當(dāng)吸力低于1 000 kPa時(shí)，采用高量程吸力計(jì)(HCT)，當(dāng)吸力高于1 000 kPa時(shí)，采用WP4C進(jìn)行測量。

1.2.3 體積量測

通過使用高精度天平(1/10 000 g)和專門設(shè)計(jì)的土樣樣品架，浸入硅油中來確定樣品的總體積。在具體的測量過程中，先將樣品網(wǎng)浸入硅油中，再將土樣緩慢放入網(wǎng)中，浸入硅油中。平衡后，記錄天平的數(shù)字讀數(shù)moil(等于空氣中土壤樣品的重量與油中土壤樣品的重量之差)。樣品的總體積可以計(jì)算為：

式中：moil等于空氣中土樣的質(zhì)量與油中土樣的質(zhì)量之差；ρoil代表硅油的密度，大小為0.942 5 g/cm3。通過該方法測量土樣的體積，并且通過體積來計(jì)算土樣的孔隙比，可得到較為精確的土樣孔隙比。圖1為體積量測的裝置示意圖。

圖1 土樣體積量測圖Fig.1 Measure volume

1.2.4 環(huán)境掃描電鏡法(SEM)

掃描電子顯微鏡(SEM)是一種介于透射電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種觀察手段。利用高能電子束掃描樣品，成像得到物質(zhì)的微觀形貌。由于土樣不具備導(dǎo)電性，在進(jìn)行掃描電鏡測試前需要進(jìn)行噴金操作，之后利用JSM-IT500掃描電子顯微鏡，選擇合適的放大倍數(shù)，聚焦，拍照。

1.2.5 壓汞法(MIP)

壓汞儀(AutoPore IV 9500全自動(dòng)型)使用汞侵入法來測定總孔體積、孔徑分布、孔隙率、密度和傳輸性，用來分析粉末或塊狀固體的開放孔和裂隙的孔尺寸和孔體積及其他的參數(shù)。通過對膨脹計(jì)進(jìn)行密封、裝樣、低壓分析、高壓分析和清洗等一系列操作，得到膨脹土樣總孔體積和孔徑分布等數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 土水特性

膨脹土在干燥和增濕過程會(huì)發(fā)生明顯體積變化，因此，為了更好地表達(dá)其土水特性，考慮孔隙比的變化，通常采用體積含水率表示。質(zhì)量含水率與體積含水率具有如式(2)的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

圖2為原狀及壓實(shí)土體積含水率與吸力的關(guān)系曲線。原狀土初始點(diǎn)對應(yīng)的含水率為46.57%，吸力為98 kPa，壓實(shí)土初始點(diǎn)對應(yīng)的含水率為47.84%，吸力為200 kPa。從圖2可以看到，在飽和狀態(tài)時(shí)壓實(shí)土的體積含水率比原狀土大，原狀土的飽和體積含水率為52%，而壓實(shí)土的飽和體積含水率為59%。隨著吸力的逐漸增加，體積含水率先保持不變，然后逐漸降低，壓實(shí)土的體積含水率下降速率較原狀土更大。這說明在吸力變化的過程中，原狀土具有較好的持水特性。當(dāng)吸力大于20 MPa后，原狀土與壓實(shí)土的土水特征曲線基本重合。這說明在低于某一臨界含水率過后，土的宏觀顆粒對吸力的影響不明顯，此時(shí)影響吸力變化的主導(dǎo)機(jī)制為吸附作用。

圖2 原狀及壓實(shí)土體積含水率與吸力的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship of volume water content ratio and suction about intact soil and compacted soil

圖3為原狀及壓實(shí)土飽和度與吸力的關(guān)系曲線。原狀土初始點(diǎn)對應(yīng)的吸力為98 kPa，飽和度為0.966，壓實(shí)土初始點(diǎn)對應(yīng)的吸力為200 kPa，飽和度為1。從圖3可以看到，隨著吸力的增大，飽和度先保持不變，而后逐漸減小。對比原狀土和壓實(shí)土可以發(fā)現(xiàn)，原狀土在較大的吸力范圍內(nèi)保持飽和狀態(tài)，這主要是由于原狀土較好的持水特性導(dǎo)致。而后當(dāng)吸力大于10 MPa后呈線性減小。而壓實(shí)土則在較小的吸力范圍內(nèi)(40 kPa)保持飽和狀態(tài)，這主要是由于壓實(shí)土具有較多宏觀構(gòu)造孔隙，導(dǎo)致其持水特性較差所致。隨后先以較小的斜率逐漸減小，最后(20 MPa)以與原狀土相近的大斜率線性減小，飽和度與吸力近似呈三段式線性遞減規(guī)律。這主要是由于原狀土在自然環(huán)境中經(jīng)歷了多次干濕循環(huán)，形成了較為穩(wěn)定和均勻的土顆粒結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)吸力大于進(jìn)氣值后，飽和度能夠隨著吸力呈線性穩(wěn)定降低。而壓實(shí)土在壓實(shí)制樣過程中，形成了不同大小的構(gòu)造孔隙，因此在脫濕過程中飽和度呈分段式線性減小。

圖3 原狀及壓實(shí)土飽和度與吸力的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship of saturation and suction about intact soil and compacted soil

圖4為實(shí)測數(shù)據(jù)與2種經(jīng)典土水特征模型擬合曲線對比結(jié)果。從擬合結(jié)果可以看到，擬合曲線與實(shí)測數(shù)據(jù)在全吸力范圍內(nèi)幾乎重合，說明這2種經(jīng)典的土水特征模型對彌勒膨脹土土水特征具有較好的適用性。從飽和度的擬合曲線結(jié)果中，可以得到土水特征曲線的特征值：原狀土的進(jìn)氣值約為12 MPa，去飽和點(diǎn)的吸力約為2.2 MPa，殘余吸力值約為260 MPa，殘余飽和度約為0.05。壓實(shí)土的進(jìn)氣值約為10 MPa，去飽和點(diǎn)的吸力約為40 kPa，殘余吸力值約為320 MPa，殘余飽和度約為0.2。對比特征值數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，原狀土的去飽和點(diǎn)吸力與進(jìn)氣值的差值較小(9.8 MPa)，而壓實(shí)土相對較大(9.96 MPa)。而原狀土的殘余飽和度相對較小，但對應(yīng)的殘余吸力相對壓實(shí)土則更大。這再次說明了在極干狀態(tài)下，試樣的吸力與土顆粒結(jié)構(gòu)無關(guān)。

圖4 土水特征曲線模型擬合結(jié)果Fig.4 Fitting results of SWCC models

2.2 體變特性

為了更好地表示彌勒膨脹土隨含水率變化過程的體積變化，將質(zhì)量含水率與孔隙比e之間的關(guān)系繪于圖5。從圖5可以看出，隨著含水率的減小，收縮曲線主要分成3個(gè)部分：正常收縮、殘余收縮和極限收縮。在正常收縮階段，含水率與孔隙比e呈線性關(guān)系，此時(shí)試樣處于飽和狀態(tài)，收縮曲線軌跡與飽和線完全重合，隨著含水率的降低呈線性收縮。在殘余收縮階段，隨著含水率的降低收縮速率逐漸減緩，此階段試樣處于非飽和狀態(tài)。隨后試樣進(jìn)入極限收縮階段，此階段試樣孔隙比幾乎不變，即體積不再隨著含水率的減小而收縮。對比原狀土和壓實(shí)土可以發(fā)現(xiàn)，原狀土的正常收縮區(qū)間較壓實(shí)土大，能夠在較大的孔隙比變化區(qū)間保持飽和狀態(tài)；但原狀土的殘余收縮區(qū)間相對較小，即非飽和收縮區(qū)間較小，隨著含水率的減小能夠較快進(jìn)入極限收縮階段。同時(shí)不難發(fā)現(xiàn)，原狀土的極限收縮穩(wěn)定孔隙比壓實(shí)土的小，這主要是由于壓實(shí)土在壓實(shí)過程中形成了較多較大的構(gòu)造孔隙，且這些孔隙很難在收縮過程中完全消失所致。

圖5 原狀土與壓實(shí)土收縮曲線Fig.5 Shrinkage curves of intact soil and compacted soil

為了較好地對比原狀土與壓實(shí)土在全吸力范圍內(nèi)的變形特性，分析土水特征曲線上不同狀態(tài)的土樣膨脹變形規(guī)律，將變形情況與極干狀態(tài)(土樣含水率約1%)的尺寸進(jìn)行歸一化處理，得到不同持水狀態(tài)下的體變參數(shù)ΔV，徑向應(yīng)變參數(shù)ΔD及軸向應(yīng)變參數(shù)ΔH，其計(jì)算方式如式(3)～(5)所示：

其中：Vt，Dt和Ht分別表示試樣體積、直徑和高度；Vmin，Dmin和Hmin分別表示試樣在極干狀態(tài)下的體積、直徑和高度。

圖6為歸一化處理后的試樣體積變化率與含水率的關(guān)系。從圖6可以看出，原狀土與壓實(shí)土在含水率變化過程中表現(xiàn)出了不同的體變規(guī)律：原狀膨脹土的最大體變率較壓實(shí)土的小(原狀ΔVmax=0.61；壓實(shí)ΔVmax=0.80)。在增濕過程中，壓實(shí)土可以達(dá)到較大的飽和含水率值(原狀土wmax=42%，壓實(shí)土wmax=55%)，并且在全吸力范圍內(nèi)，相同的含水率下壓實(shí)土的體變率均相對原狀土更大(12%＜w＜35%)或者相等(w＜12%和w＞35%), 這主要是壓實(shí)土與原狀土中的土顆粒間存在較大區(qū)別所致，原狀土顆粒結(jié)構(gòu)致密，在含水率變化過程中體變相對較小。

圖6 體積變化率與含水率的關(guān)系Fig.6 Relationship of volume change ratio and water content ratio

這可以從微觀結(jié)構(gòu)得到驗(yàn)證，如圖7為原狀土和壓實(shí)土的飽和狀態(tài)下的SEM微觀結(jié)構(gòu)，從圖7可以看到，在相同放大倍數(shù)下(2 000倍)，原狀土的孔隙結(jié)構(gòu)較為均勻；而壓實(shí)土在飽和狀態(tài)下的孔隙均勻度較差，不僅具有小孔隙，還具有明顯的粒間大孔隙及裂隙。這也是造成壓實(shí)土往往隨著含水率的變化體積變化更大的原因。圖8為原狀土和壓實(shí)土的極干狀態(tài)下的SEM微觀結(jié)構(gòu)，從圖8可以看到，宏觀孔隙明顯減少，微觀孔隙逐漸增多，顆粒排列越來越緊密，與原狀土相比，壓實(shí)土的顆粒堆積方向性更為明顯。

圖7 原狀土及壓實(shí)土飽和狀態(tài)的SEM圖像Fig.7 SEM figures of intact soil and compacted soil in saturation condition

圖8 原狀土及壓實(shí)土極干狀態(tài)的SEM圖像Fig.8 SEM figures of intact soil and compacted soil in limit drying condition

圖9(a)為原狀土和壓實(shí)土的飽和狀態(tài)下進(jìn)行的壓汞試驗(yàn)的孔徑分布曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，飽和原狀土的孔徑分布為均為雙峰形態(tài)。若以0.3 μm為宏微觀臨界孔隙，可以看到原狀膨脹土的宏微觀孔隙密度相當(dāng)，而壓實(shí)土宏觀孔隙密度明顯大于微觀孔隙，即在相同孔隙比下，壓實(shí)土相對原狀土具有更多的宏觀大孔隙，從而導(dǎo)致原狀土具有更好的保水特性。另外，由于土體體積的變化主要是由宏觀孔隙的變化所導(dǎo)致，因此當(dāng)試樣充分飽和后，壓實(shí)土相對原狀土具有更大的體變率。

圖9(b)為原狀土和壓實(shí)土的極干狀態(tài)下進(jìn)行的壓汞試驗(yàn)的孔徑分布曲線，從圖中可以看出，當(dāng)含水率極低時(shí)，壓實(shí)土與原狀土的孔徑分布曲線的形態(tài)均為單峰形態(tài)，其峰值孔徑大小相當(dāng)(均為0.03 μm)，分布曲線基本重合，說明此時(shí)原狀土與壓實(shí)土的孔隙結(jié)構(gòu)相似，這也是導(dǎo)致原狀土與壓實(shí)土的土水特征曲線在高吸力區(qū)間重合的原因。

同時(shí)，通過對比圖9中原狀土在飽和狀態(tài)與極干狀態(tài)的孔徑分布，可以看出，孔徑分布曲線形態(tài)由雙峰變?yōu)閱畏澹椅⒂^孔隙向小孔徑移動(dòng)，峰值變小，說明在原狀土失水過程中，宏觀孔隙不斷收縮減小直到消失，而微觀主孔隙不斷減小，且微觀孔隙密度有所減小。壓實(shí)土宏觀孔隙變化規(guī)律與原狀膨脹土類似，但不同的是，微觀孔隙密度有所增加，這主要是由于壓實(shí)土中大量的宏觀孔隙在收縮過程將部分孔隙轉(zhuǎn)化成了微觀孔隙所致。

圖9 原狀膨脹土及壓實(shí)膨脹土的孔徑分布曲線Fig.9 Pore size distribution curves of intact soil and compacted soil

圖10分別是原狀和壓實(shí)膨脹土軸向應(yīng)變及徑向應(yīng)變與含水率的關(guān)系。從圖10可以看出，無論是原狀土還是壓實(shí)土，隨著含水率的變化，軸向和徑向上的應(yīng)變先是保持相同，隨后達(dá)到一定含水率后(原狀土25%，壓實(shí)土20%)軸向上的應(yīng)變更大，并且隨著含水率的增加逐漸明顯，最終原狀土的最大軸向應(yīng)變?yōu)?.225，最大徑向應(yīng)變?yōu)?.15；壓實(shí)土的最大軸向應(yīng)變?yōu)?.28，最大徑向應(yīng)變?yōu)?.18；對比原狀土與壓實(shí)土可以發(fā)現(xiàn)，隨著含水率的增加，原狀土的應(yīng)變曲線斜率逐漸增大，而壓實(shí)土的斜率逐漸減小，并且原狀土在軸向和徑向的應(yīng)變差異性相對較小(ΔHmax-ΔDmax=0.075)，而壓實(shí)土較大(ΔHmax-ΔDmax=0.1)。這也說明了原狀土在變形過程的各向異性效應(yīng)相對壓實(shí)土較弱。

圖10 軸向應(yīng)變及徑向應(yīng)變與含水率的關(guān)系Fig.10 Relationship of axial，radial change ratio and water content ratio

圖11為原狀土及壓實(shí)土軸向與徑向應(yīng)變率之間的關(guān)系，從圖11可以看出，原狀土在體變較小的時(shí)候，軸向與徑向應(yīng)變發(fā)展幾乎同步，而后在徑向應(yīng)變達(dá)到0.125過后，軸向應(yīng)變增加較快，相對增長斜率K1約為2.4。而壓實(shí)土軸向與徑向應(yīng)變的增加速率相對穩(wěn)定，在徑向應(yīng)變大于0.06后略有增大，軸向應(yīng)變占優(yōu)，相對增長斜率K2約為1.46。

圖11 原狀土及壓實(shí)土徑向與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系Fig.11 Relationship of radial change ratio and axial change ratio of intact soil and compacted soil

3 結(jié)論

1) 在相同初始含水率和干密度下，原狀膨脹土相對于壓實(shí)土具有更好的持水性能。吸力小于20 MPa時(shí)，相同含水率下原狀土具有更大的吸力值；吸力大于20 MPa后，原狀土與壓實(shí)土的土水特征曲線基本重合，且壓實(shí)土具有更高的飽和含水率。

2) 基于微觀試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原狀土的孔隙結(jié)構(gòu)較為均勻，而壓實(shí)土的顆粒堆積方向性更為明顯。在飽和狀態(tài)下原狀土和壓實(shí)土的孔徑分布為雙峰形態(tài)，壓實(shí)土的宏觀孔隙所占比例遠(yuǎn)大于原狀土，而二者在極干狀態(tài)下的孔隙分布情況接近。

3) 原狀膨脹土的最大體變率較壓實(shí)土的小(原狀ΔVmax=0.61；壓實(shí)ΔVmax=0.80)。在增濕過程中，壓實(shí)土可以達(dá)到較大的飽和含水率值(原狀土wmax=42%，壓實(shí)土wmax=55%)，且在相同的含水率下壓實(shí)土的體變率均相對原狀土更大。但二者在軸向和徑向上的應(yīng)變具有相似的規(guī)律，即在低含水率時(shí)候軸向和徑向應(yīng)變相差不大，當(dāng)達(dá)到一定含水率后(原狀土25%，壓實(shí)土20%)軸向上的應(yīng)變明顯占優(yōu)。