干濕循環(huán)下膨脹土脹縮性能試驗(yàn)

吳珺華，袁俊平，楊 松，盧廷浩

(1.南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌 330063;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098;3.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇南京 210098;4.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電與建筑學(xué)院，云南昆明 650201)

干濕循環(huán)下膨脹土脹縮性能試驗(yàn)

吳珺華1，袁俊平2，3，楊 松4，盧廷浩2，3

(1.南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌 330063;2.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098;3.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇南京 210098;4.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電與建筑學(xué)院，云南昆明 650201)

采用壓縮儀和收縮儀，對(duì)重塑膨脹土進(jìn)行了無(wú)荷條件下的反復(fù)膨脹和收縮試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的最終膨脹率和最終收縮率逐漸減小;膨脹變形明顯減小，而收縮變形減小的幅度不大;試樣的最終高度均呈現(xiàn)減小趨勢(shì);收縮系數(shù)不斷減小，最終趨于穩(wěn)定;采用絕對(duì)膨脹率、相對(duì)膨脹率、絕對(duì)收縮率和相對(duì)收縮率等參數(shù)可以合理描述干濕循環(huán)作用下膨脹土的脹縮變形特征。

膨脹土;脹縮變形;干濕循環(huán);膨脹率;收縮率

膨脹土在我國(guó)分布廣泛。膨脹土中含有蒙脫石和伊利石等強(qiáng)親水性礦物，故具有強(qiáng)烈的濕脹干縮特性，在干濕循環(huán)作用下反復(fù)脹縮變形，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)松散，裂隙發(fā)育，工程性能差。研究表明，干濕循環(huán)作用是導(dǎo)致土體產(chǎn)生反復(fù)脹縮變形，既而形成裂隙的主要外界因素之一［1-2］。干濕循環(huán)表現(xiàn)為土體含水率的反復(fù)變化，導(dǎo)致膨脹土產(chǎn)生脹縮變形，而反復(fù)的不均勻脹縮變形即會(huì)導(dǎo)致裂隙的形成和發(fā)育。

膨脹土在某一上覆壓力作用至變形穩(wěn)定后，由于含水率的增加(或減少)而產(chǎn)生的附加變形稱為脹縮變形，包括膨脹變形和收縮變形。許多學(xué)者對(duì)膨脹土的一次浸水膨脹和失水收縮的脹縮變形特性進(jìn)行了大量研究［3-11］;筆者也曾對(duì)膨脹土脹縮過(guò)程中變形與含水率的變化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究［12］，試驗(yàn)過(guò)程只考慮了持續(xù)吸水或失水條件下試樣的脹縮變形，不能反映試樣的反復(fù)脹縮性能。實(shí)際工程中，不同干濕循環(huán)次數(shù)下膨脹土的脹縮變形也不一樣，即膨脹土的脹縮變形具有不可逆性［12］，而目前對(duì)膨脹土在干濕循環(huán)作用下的脹縮性能研究并不多見(jiàn)?；诖耍疚睦贸Ｒ?guī)壓縮儀和收縮儀分別進(jìn)行了重塑膨脹土的持續(xù)浸水膨脹和收縮試驗(yàn)，獲得了干濕循環(huán)條件下膨脹土的脹縮性能變化規(guī)律，為后續(xù)研究提供試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案

土樣和文獻(xiàn)［12］試驗(yàn)土樣相同，取自南水北調(diào)中線一期工程總干渠膨脹巖(土)試驗(yàn)段工程(潞王墳段)，基本參數(shù)為:液限42.7%，塑限19.2%，塑性指數(shù)24，自由膨脹率57.5%，最大干密度1.81g/cm3，相對(duì)密度2.74，試樣初始高度20 mm。采用常規(guī)壓縮儀和收縮儀對(duì)土樣進(jìn)行反復(fù)浸水膨脹和收縮試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程主要如下:試樣初始為低含水率狀態(tài)，首先進(jìn)行一次浸水膨脹試驗(yàn)，當(dāng)膨脹變形穩(wěn)定后，根據(jù)試樣的最終高度和質(zhì)量求得相應(yīng)的干密度和含水率，以該結(jié)果作為接下來(lái)收縮試驗(yàn)初始狀態(tài)的參數(shù);然后進(jìn)行收縮試驗(yàn)，待變形穩(wěn)定后根據(jù)試樣的最終高度和質(zhì)量求得相應(yīng)的干密度和含水率，再進(jìn)行下一次的浸水膨脹變形試驗(yàn)。如此進(jìn)行4次反復(fù)脹縮試驗(yàn)，試驗(yàn)操作參照GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，總共進(jìn)行了3種不同初始干密度和初始含水率方案的試驗(yàn)，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 反復(fù)脹縮試驗(yàn)試樣的基本參數(shù)

2 相關(guān)參數(shù)

為定量分析干濕循環(huán)過(guò)程中膨脹土的脹縮變形變化規(guī)律，采用絕對(duì)脹縮率和相對(duì)脹縮率的概念來(lái)描述試樣的脹縮程度和變化趨勢(shì)，故分別定義如下參數(shù):

a.第i級(jí)膨脹試驗(yàn)的絕對(duì)膨脹率δap。

式中:zpi為第i級(jí)膨脹后試樣高度，mm;z0為試樣初始高度，mm。

b.第i級(jí)膨脹試驗(yàn)的相對(duì)膨脹率δrp。

式中:Δzpi為第i級(jí)膨脹試驗(yàn)后的最終高度與第i-1級(jí)收縮試驗(yàn)的最終高度之差，mm;zs(i-1)為第i-1級(jí)收縮試驗(yàn)后試樣高度，mm。

c.第i級(jí)收縮試驗(yàn)的絕對(duì)收縮率δas。

式中:zp1為第1級(jí)收縮后試樣高度，mm;zsi為第i級(jí)收縮后試樣高度，mm。

d.第i級(jí)收縮試驗(yàn)的相對(duì)收縮率δrs。

式中:Δzsi為第i級(jí)收縮試驗(yàn)后的最終高度與第i級(jí)膨脹試驗(yàn)的最終高度之差，mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1為不同干濕循環(huán)次數(shù)下一次浸水膨脹試驗(yàn)的結(jié)果。由圖1可見(jiàn)，試樣的膨脹變形與浸水歷時(shí)的關(guān)系曲線呈典型的非線性特征。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同初始干密度試樣的最終膨脹率變小，試樣在較短時(shí)間內(nèi)即達(dá)到較大的膨脹變形，達(dá)到膨脹穩(wěn)定階段的時(shí)間也變短。相同干濕循環(huán)次數(shù)條件下，試樣的干密度越大，其最終膨脹率也越大。對(duì)于干密度較小的試樣，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)增加時(shí)，膨脹試驗(yàn)的后期土體體積不但沒(méi)有膨脹反而收縮，呈現(xiàn)濕陷狀態(tài)。對(duì)于體積一定的試樣，干密度小的孔隙比大，能夠吸收更多的水分，因而能溶解更多黏土顆粒之間的膠結(jié)物質(zhì)，導(dǎo)致土體團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的松散崩坍。另外，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣反復(fù)膨脹收縮，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸松散，產(chǎn)生細(xì)微裂隙。這兩方面的因素直接導(dǎo)致浸水后期的試樣呈現(xiàn)收縮態(tài)勢(shì)。

圖1 不同干濕循環(huán)次數(shù)下的膨脹時(shí)程曲線

圖2 不同干濕循環(huán)次數(shù)下的收縮曲線

圖2為不同干濕循環(huán)次數(shù)下收縮試驗(yàn)的結(jié)果(圖中Δw為初始含水率與某一時(shí)刻含水率之差)。由圖2可見(jiàn)，經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)的試樣，其收縮曲線的初期階段仍表現(xiàn)為線性特征。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，初始斜率逐漸減小，即收縮系數(shù)不斷變小，不同初始干密度試樣的最終收縮率減小;相同的干濕循環(huán)次數(shù)下，干密度越小的試樣，其最終收縮率越小。這與文獻(xiàn)［12］的常規(guī)收縮試驗(yàn)結(jié)果有所不同，這是由于失水路徑及初始狀態(tài)的不同而引起的。常規(guī)收縮試驗(yàn)采用的試樣是未經(jīng)任何擾動(dòng)而均勻脫濕的;而在反復(fù)脹縮試驗(yàn)中的收縮試驗(yàn)試樣是從浸水膨脹變形穩(wěn)定后再均勻脫濕的，即收縮試驗(yàn)開(kāi)始前已經(jīng)進(jìn)行了浸水膨脹變形試驗(yàn)。干密度越大，試樣在浸水膨脹變形階段產(chǎn)生的膨脹變形越大，在收縮階段時(shí)的收縮變形相應(yīng)也越大，導(dǎo)致試樣的最終收縮率越大，其值與常規(guī)收縮試驗(yàn)相比明顯偏大。另外，反復(fù)脹縮試驗(yàn)中，第一次收縮試驗(yàn)的收縮率與后3次的收縮率相比要明顯偏大，后3次收縮試驗(yàn)的收縮率相差不大，這表明土體在第一次干濕循環(huán)下的膨脹收縮變形最為明顯，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹變形有著明顯的降低，而收縮變形減小的幅度不大。

圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)下試樣的最終高度

將反復(fù)脹縮試驗(yàn)中試樣的最終高度繪于圖3?？梢钥闯觯S著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，對(duì)于膨脹過(guò)程，試樣的最終高度總體上逐漸減小，初始干密度越小，減小趨勢(shì)越明顯;對(duì)于收縮過(guò)程，試樣的最終高度先有小幅度的增加，且干密度越大，增加的幅度越大，隨后又減小?？傮w而言，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不論是膨脹試驗(yàn)還是收縮試驗(yàn)，試樣的最終高度都呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，這說(shuō)明經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后，土體的初始結(jié)構(gòu)遭到明顯破壞，土顆粒間原有的咬合和黏結(jié)作用被明顯削弱，土體抵抗膨脹和收縮變形的能力減弱，呈坍塌收縮態(tài)勢(shì)。

由于本研究進(jìn)行的膨脹試驗(yàn)為一次浸水膨脹試驗(yàn)，故不能求得膨脹系數(shù)。根據(jù)收縮系數(shù)的定義，可求得不同干濕循環(huán)次數(shù)下的收縮系數(shù)，見(jiàn)圖4。可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同干密度下試樣的收縮系數(shù)均有不同程度的減小，這表明試樣的收縮性能變?nèi)?，降低相同的含水率?duì)其收縮變形的影響減弱。試樣經(jīng)過(guò)反復(fù)脹縮變形后，土體顆粒重新調(diào)整和排列，其內(nèi)部孔隙被有效地充填，收縮的空間范圍減小，收縮性能也隨之降低。

圖4 不同干濕循環(huán)次數(shù)下的收縮系數(shù)

根據(jù)收縮系數(shù)αs與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線，可采用式(5)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)表2。

式中:n為干濕循環(huán)次數(shù);l、t、pres為待定系數(shù)。

表2 反復(fù)脹縮條件下擬合結(jié)果

將反復(fù)脹縮試驗(yàn)中試樣的絕對(duì)膨脹率δap和絕對(duì)收縮率δas與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系列于表3，它表征了整個(gè)干濕循環(huán)過(guò)程中試樣的脹縮程度及其變化規(guī)律。從表3可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的δap總體呈減小趨勢(shì)，干密度越小，減小的趨勢(shì)越明顯;試樣的δas一開(kāi)始減小，隨后逐漸增大，且隨著干密度的減小，增大的趨勢(shì)更明顯。絕對(duì)膨脹率變化率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，干密度越小，減小趨勢(shì)越明顯;絕對(duì)收縮率變化率均逐漸增大，干密度越大，增大趨勢(shì)越明顯。

表3 試樣絕對(duì)膨脹率δap和絕對(duì)收縮率δas

將反復(fù)脹縮試驗(yàn)中試樣的相對(duì)膨脹率δrp和相對(duì)收縮率δrs與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系列于表4(第一次干濕循環(huán)的相對(duì)膨脹率和相對(duì)收縮率無(wú)法由計(jì)算得出)，它表征了某次干濕循環(huán)過(guò)程中試樣的脹縮程度及其變化規(guī)律，反映了不同干濕循環(huán)次數(shù)后試樣脹縮性能的差異。由表4可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的δrp和δrs均逐漸減小;δrp的變化率比δrs的要大得多，這說(shuō)明干濕循環(huán)對(duì)膨脹變形的影響程度遠(yuǎn)比對(duì)收縮變形的要大;干密度越大，膨脹率變化率越小(為負(fù))。干濕循環(huán)次數(shù)增加到一定值時(shí)，試樣的δrs比δrp要大，干密度越小，差異越明顯。

表4 試樣相對(duì)膨脹率δrp和相對(duì)收縮率δrs

4 結(jié)論

a.隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同初始干密度試樣的最終膨脹率變小，試樣越能在較短時(shí)間內(nèi)即達(dá)到較大的膨脹變形，達(dá)到膨脹穩(wěn)定階段的時(shí)間也變短。相同的干濕循環(huán)次數(shù)下，試樣的干密度越大，其最終膨脹率也越大。對(duì)于干密度較小的試樣，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)較多時(shí)，膨脹試驗(yàn)的后期土體體積有所收縮，呈現(xiàn)濕陷狀態(tài)。

b.隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同初始干密度試樣的最終收縮率變小。相同的干濕循環(huán)次數(shù)下，干密度越小的試樣，其最終收縮率越小。由于試樣干密度越大，浸水膨脹變形階段產(chǎn)生的膨脹變形越大，在收縮階段時(shí)的收縮變形相應(yīng)也越大，導(dǎo)致試樣的最終收縮率越大。

c.試樣在第一次干濕循環(huán)下的膨脹收縮變形最大，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹變形明顯減小，而收縮變形減小的幅度不大。對(duì)于膨脹試驗(yàn)，試樣的最終高度總體上逐漸減小，初始干密度越小，減小趨勢(shì)越明顯;對(duì)于收縮試驗(yàn)，試樣的最終高度先有小幅度的增加，且干密度越大，增加的幅度越大，隨后又減小。可采用絕對(duì)膨脹率、相對(duì)膨脹率、絕對(duì)收縮率和相對(duì)收縮率等參數(shù)描述干濕循環(huán)作用下膨脹土的脹縮變形特征。

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Experimental study on swell-shrinking performance of expansive soil under wetting-drying cycles

WU Junhua1，YUAN Junping2，3，YANG Song4，LU Tinghao2，3(1.College of Civil Engineering and Architecture，Nanchang Hangkong University，Nanchang330063，China;2.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing210098，China;3.Geotechnical Research Institute，Hohai University，Nanjing210098，China;4.College of Hydraulic and Architectural Engineering，Yunnan Agricultural University，Kunming650201，China)

The repeated swell-shrinking tests on remolded expansive soils without loads are performed by means of compression apparatus and shrinkage apparatus.The results show that both the final expansion ratio and shrinkage ratio of specimens gradually decrease as wetting-drying cycles increase.The swelling deformation obviously decreases，while the shrinking one slightly decreases.The final height of the specimens has a tendency of decrease.The shrinkage coefficient continuously decreases and finally tends to be stable.The parameters such as absolute expansion ratio，relative expansion ratio，absolute shrinkage ratio and relative shrinkage ratio can rationally depict the swell-shrinking performance of expansive soil under wetting-drying cycles.

expansive soil;swell-shrinking deformation;wetting-drying cycle;expansion ratio;shrinkage ratio

TU443

A

1006-7647(2013)01-0062-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.01.014

南昌航空大學(xué)博士啟動(dòng)基金(EA201211115);國(guó)家自然科學(xué)基金(51008117)

吳珺華(1985—)，男，江西吉安人，講師，博士，主要從事膨脹土基本性質(zhì)及邊坡穩(wěn)定研究。E-mail:wjh0796@163.com

2012-04-12 編輯:熊水斌)