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

摘 要：為探究自然界干濕循環(huán)作用下膨脹土的膨脹變形特性及其影響機(jī)理，以南寧膨脹土為研究對(duì)象，分別測(cè)定0～4次干濕循環(huán)后試樣膨脹量與時(shí)間的關(guān)系曲線，分析了膨脹曲線不同階段特征及其影響機(jī)理，研究了不同干濕循環(huán)次數(shù)下的土水特征曲線，分析了基質(zhì)吸力在膨脹變形中的作用。研究發(fā)現(xiàn)不論是否經(jīng)歷干濕循環(huán)作用，膨脹量與時(shí)間的關(guān)系曲線（膨脹曲線）都是非線性的;未經(jīng)歷循環(huán)的試樣的膨脹速率最低，約在230 min后完才成總膨脹量的90%;經(jīng)歷了1～4次循環(huán)后，試樣均在約100 min就完成膨脹量的90%，之后緩慢達(dá)到穩(wěn)定值;不同循環(huán)次數(shù)下，膨脹速率隨時(shí)間增加而逐漸降低，膨脹曲線大致分為快速膨脹、減緩膨脹和緩慢穩(wěn)定3個(gè)階段，膨脹曲線可用3段直線進(jìn)行近似擬合;經(jīng)歷1次循環(huán)后，試樣總膨脹量增加約20%，之后隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小;在低含水率下（ω<3%），不同循環(huán)試樣的基質(zhì)吸力較為接近，隨著含水率增大，基質(zhì)吸力的差異也增大。非飽和土吸水過(guò)程中的水封閉、雙開(kāi)敞、氣封閉等3個(gè)階段的三相特征差異，是造成膨脹速率變化的主要原因。經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)后，試樣破碎化程度和基質(zhì)吸力的差異，是導(dǎo)致膨脹曲線及總膨脹量差別的重要因素。

關(guān)鍵詞：膨脹土;干濕循環(huán);膨脹速率;基質(zhì)吸力

中圖分類號(hào)：TU 443 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：To explore the swelling characteristics of expansive soil when experiencing natural wet-dry cycle and its influencing mechanism，expansive soil of Nanning was taken as the object and the swelling relation between the expansion and time（swelling curve）was measured after 0～4 cycles.Stage characteristic of each swelling curve and their influencing mechanism were analyzed;soil-water characteristic curves under different wet-dry cycles were studied，and the effect of matrix suction on expansion deformation was analyzed.It is found that the swelling curves are all non-linear whether wet-dry cycle is experienced;a lowest expansion rate is observed on the specimens undergo no cycles，in which 90% of the total expansion deformation is achieved after about 230 minutes.After 1～4 cycles，however，the 90% deformation is completed in about 100 minutes.For all swelling curves，the expansion rate decreases with an increasing time;these curves are roughly divided into three stages：rapid expansion，slow expansion and slow stabilization，and 3 straight lines are used to fit the swelling curves.After cycle one，the total expansion deformation increases by about 20%，and it then decreases gradually with cycle number increased.With lower moisture content（less than 3%），the matrix suctions of specimens experienced various wet-dry cycles are relatively close，and the gap of matrix suctions increases as the moisture content increased.Differences in the three stages，unsaturated soil-water sealing，double opening and gas sealing，is the main reason for the difference of expansion rate.The distinction between fragmentation and matrix suction is an important factor leading to the difference of swelling curve and expansion deformation.

Key words：expansive soil;wet-dry cycle;rate of swelling;matrix suction

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。

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）。

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。孔喉對(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。

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。

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）。

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。

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。

非飽和土的基質(zhì)吸力是水分遷移的重要?jiǎng)恿?，?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。

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。

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