北疆某工程膨脹土的力學(xué)特性及微觀機制試驗研究

崔子晏，張凌凱

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830052； 2.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點實驗室, 新疆 烏魯木齊 830052)

北疆某工程是以輸水明渠為主的跨流域調(diào)水工程，其中部分明渠段通過膨脹土地區(qū)，在渠道歷年夏季通水、冬季停水的運行方式作用下，極易產(chǎn)生滑坡或局部坍塌，成為工程災(zāi)害的多發(fā)地、易發(fā)地，嚴(yán)重影響輸水渠道的運行安全。

膨脹土作為一種特殊的高液限黏土，具有顯著的脹縮性[1]，在天然干燥條件下強度較高，遇水會發(fā)生膨脹軟化，強度降低，再次失水會收縮，表面出現(xiàn)裂縫，極大地?fù)p失土體強度。因此，對膨脹土強度、變形與滲透等力學(xué)特性的研究成為膨脹土地區(qū)工程建設(shè)的關(guān)鍵問題[2]。目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者關(guān)于膨脹土的主要研究成果如下： Dong 等[3]、李新明等[4]通過直剪試驗，研究干密度、含水率、上覆壓力與地域差異等外在因素對抗剪強度的影響及其變化規(guī)律；Hotineanu 等[5]、陳永等[6]、蔡正銀等[7]開展室內(nèi)濕干-凍融耦合循環(huán)作用下的直剪試驗，認(rèn)為其抗剪強度損失主要來源于循環(huán)作用產(chǎn)生的裂隙；Keller 等[8]、Bag 等[9]研究顆粒大小與分布、溫度、控制吸力與壓實度等因素對壓縮指標(biāo)的影響，認(rèn)為膨脹土的壓縮特性主要受初始孔隙比控制；劉寬等[10]、戴元志等[11]通過壓汞試驗、顯微觀測與SEM 掃描電鏡試驗，研究膨脹土微觀孔隙結(jié)構(gòu)與壓縮特性之間的關(guān)系；周葆春等[12]研究滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系，認(rèn)為滲透系數(shù)主要受粒度、密度、濕度等的影響；劉宏泰等[13]、黨發(fā)寧等[14]考慮結(jié)合水膜對黏性土滲透特性的影響，定義黏性土的無效孔隙比和有效孔隙比，對常用粗粒土滲透系數(shù)經(jīng)驗公式進(jìn)行修正，得出同時適用粗粒土與黏性土的經(jīng)驗公式；周建等[15]對膨脹土在滲透作用下的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，系統(tǒng)總結(jié)了膨脹土的微觀試驗的測試、觀察及圖片處理技術(shù)。

1 試驗材料與試驗方案

試驗所用膨脹土取自北疆某工程總干渠某挖方段的黃色泥巖，具有中膨脹性，顏色呈土黃色，帶有少量青色雜質(zhì)，具有較好的代表性。通過室內(nèi)試驗測得膨脹土的粒徑分布如圖1 所示，物理性質(zhì)及礦物成分如表1 和2 所示。

圖1 膨脹土粒徑分布Fig.1 Particle size distribution of expansive soil

表1 膨脹土基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Basic physical properties

表2 膨脹土礦物組成Tab.2 Composition of expansive soil

為深入研究膨脹土的宏觀力學(xué)特性與微觀物理機制，主要進(jìn)行直剪試驗、側(cè)限壓縮試驗、變水頭滲透試驗和SEM 試驗。直剪、壓縮試驗試樣控制指標(biāo)見表3，具體試驗方案如下所述。

表3 直剪壓縮試樣控制指標(biāo)Tab.3 Control index of direct shear compression specimen

直剪試驗環(huán)刀樣共36 個，每組4 個試樣分別施加100、200、300、400 kPa 的軸向壓力，固結(jié)24 h 后進(jìn)行快剪試驗，剪切速率為0.8 mm/min，剪切至水平位移6 mm 后停止試驗。

側(cè)限壓縮試驗環(huán)刀樣共10 個，加壓方式采用逐級增壓，加壓等級采用25、50、100、200、400、800、1 200、1 600 kPa，加載荷載直至1 600 kPa 后卸載。

變水頭滲透試驗取最優(yōu)含水率18.9%，控制土樣干密度分別為1.35、1.45、1.60、1.65、1.70、1.73 g/cm3，使得試樣孔隙比接近0、100、200、400、800、1 600 kPa 壓力下固結(jié)土樣。制樣完成后，采用真空抽氣法對試樣進(jìn)行抽氣2 h、飽水24 h 的處理，充分飽和后測定滲透系數(shù)ks。

SEM 試驗使用 S-3400N II 型掃描電子顯微鏡進(jìn)行，試驗過程如圖2 所示，選取0、100、200、400、800、1 600 kPa 壓力下固結(jié)及滲透試驗完成的土樣，經(jīng)烘干、切樣后選取有代表性的截面進(jìn)行試驗，試驗時用掃描電子顯微鏡在放大10 000 倍情況下進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析。

圖2 膨脹土試樣微觀試驗處理流程Fig.2 Micro-test process for expansive soil test specimen

2 膨脹土的剪切特性

2.1 含水率對膨脹土抗剪強度的影響分析

圖3 為不同含水率膨脹土的剪切特性。圖3(a)為不同含水率膨脹土在100 kPa 壓力下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，顯示含水率15.8%與19.1%的剪應(yīng)力近似線性變化，這說明在含水率較低時，峰值不明顯，強度相對較高；含水率由22.1%增加至飽和含水率時，剪應(yīng)力迅速增加，達(dá)到峰值后保持不變直至剪切結(jié)束，峰值剪應(yīng)力隨含水率增加明顯下降。圖3(b)為不同含水率下的峰值剪應(yīng)力分布，顯示峰值剪應(yīng)力隨含水率的增加呈先增后減的變化趨勢，含水率接近最優(yōu)（ ω=19.1%）時達(dá)到最大值，之后逐步減小，接近飽和時（ ω=27.8%）時最小。圖3(c)為含水率與剪切強度的關(guān)系，顯示隨含水率增大，黏聚力呈線性遞減趨勢，可用線性函數(shù)來表示，相關(guān)系數(shù)R2=0.944；內(nèi)摩擦角受含水率的影響較小，整體變化規(guī)律呈先增加后減小趨勢，最優(yōu)含水率為拐點，可用二次函數(shù)曲線表示，相關(guān)系數(shù)R2=0.947，如式（1）、（2）所示：

統(tǒng)計方法：用dps軟件中的LSD法進(jìn)行顯著性測驗，在本試驗中的差異顯著性測驗均在α=0.05水平上進(jìn)行。

圖3 不同含水率膨脹土的剪切特性Fig.3 Shear strength of expansive soils with different moisture contents

式中：c為土的黏聚力；φ為土的內(nèi)摩擦角； ω為土的含水率。

2.2 干密度對膨脹土抗剪強度的影響分析

圖4 為不同干密度膨脹土的剪切特性。由圖4 可見：（1）剪應(yīng)力為“硬化”型曲線，峰值剪應(yīng)力隨干密度的增加呈增加趨勢(圖4(a))；（2）不同上覆壓力間的峰值剪應(yīng)力隨壓力的增加而增加(圖4(b))；（3）相較含水率而言，干密度對黏聚力與內(nèi)摩擦角的影響較小，隨著干密度的增大，黏聚力呈緩慢上升趨勢，可用線性函數(shù)來表示，相關(guān)系數(shù)R2=0.964；內(nèi)摩擦角呈曲線形式逐漸增加，可用二次函數(shù)曲線來表示，相關(guān)系數(shù)R2=0.969，如式（3）、（4）所示：

圖4 不同干密度膨脹土的剪切特性Fig.4 Shear strength of expansive soil with different dry densities

式中： ρd為土的干密度。

2.3 膨脹土的剪切特性機理分析

含水率對黏聚力影響較大，隨含水率的增大黏聚力呈穩(wěn)定線性減小。主要原因是：含水率增大，顆粒間距變大，水膜連接變?nèi)?，削弱了庫侖力、范德華力和膠結(jié)作用，顯著減小土體黏聚力。內(nèi)摩擦角在含水率較小時小幅增加，隨著含水率的增大，水在土體間填補孔隙，減小顆粒間的相互摩擦作用，內(nèi)摩擦角迅速下降，整體呈現(xiàn)二次函數(shù)曲線形式，最優(yōu)含水率為曲線拐點。

干密度對黏聚力影響較大，隨干密度的增大黏聚力呈穩(wěn)定線性增大。主要原因是膨脹土具有多裂隙性，在剪應(yīng)力的作用下會首先從裂隙較多的薄弱面產(chǎn)生破壞，而干密度增大，顆粒之間更為密實，通過減小裂隙率來增強薄弱面的抗剪能力，從而增大黏聚力。內(nèi)摩擦角隨干密度的增大整體呈緩慢增大趨勢，干密度的增大主要增加顆粒間有效接觸面積，對咬合作用幾乎不產(chǎn)生影響，通過增加滑動摩擦增大內(nèi)摩擦角。

3 膨脹土的壓縮特性

3.1 含水率對膨脹土壓縮特性的影響分析

圖5 為不同含水率下孔隙比隨垂直壓力p的變化曲線?？梢姡煌实膲嚎s曲線具有相似性，基本呈下降趨勢。在固結(jié)前期，孔隙比減小明顯，隨著上覆壓力增加到400 kPa，下降趨勢逐漸減緩。由于孔隙水和空氣的排出及孔隙閉合，土體壓縮程度達(dá)到上限，孔隙比趨向穩(wěn)定。相對而言，較高的含水率最終所達(dá)到的穩(wěn)定孔隙比要低于較低含水率。

圖5 不同含水率下膨脹土壓縮曲線Fig.5 Compression curve of expansive soil under different moisture contents

由表4 可知，土樣壓縮系數(shù)介于0.1～0.5，屬于中壓縮性土，隨含水率的增大，壓縮系數(shù)呈上升趨勢，壓縮模量與壓縮系數(shù)呈反比。含水率較低時壓縮性較低，孔隙比變化幅度較小；含水率增加到22.0%時，孔隙比產(chǎn)生明顯變化；含水率在22.0%～27.6%時，孔隙比變化引起壓縮系數(shù)與壓縮指數(shù)穩(wěn)步上升。這說明在含水率較高時，土樣表現(xiàn)為較高的壓縮性，在浸水受壓時沉降量明顯增大。

表4 膨脹土的不同含水率下壓縮性指標(biāo)Tab.4 Compressibility index of expansive soil

3.2 干密度對膨脹土壓縮特性的影響分析

圖6 為不同干密度下孔隙比隨垂直壓力p變化曲線，不同干密度的壓縮曲線初始孔隙比不同，下降趨勢相似。固結(jié)前期孔隙比減小明顯，隨著上覆壓力增加到400 kPa，孔隙比保持穩(wěn)定，壓縮性相對較低。干密度較小時顆粒松散堆積，粒間孔隙較大，孔隙比下降明顯；干密度較大時，孔隙基本閉合，壓縮性較低。因此，不同干密度試樣初始孔隙比不同，但最終達(dá)到的穩(wěn)定孔隙比相近。

圖6 不同干密度下膨脹土壓縮曲線Fig.6 Compression curve of expansive soil under different dry densities

由表5 可知，隨干密度的增大，壓縮系數(shù)呈下降趨勢，壓縮模量逐漸增加。干密度較低時壓縮性較大，孔隙比變化幅度大；干密度增加到1.61 g/cm3時，孔隙比與壓縮系數(shù)逐漸穩(wěn)定，壓縮系數(shù)與壓縮指數(shù)均隨干密度的增加而下降。這說明在干密度較高時土樣的孔隙比下降明顯，表現(xiàn)為較低的壓縮性。

表5 不同干密度下膨脹土的壓縮性指標(biāo)Tab.5 Compressibility index of expansive soil under different dry densities

3.3 壓縮作用下膨脹土微觀結(jié)構(gòu)分析

圖7 為不同固結(jié)壓力下膨脹土的SEM 圖像。由圖7 可見：（1）可觀察到的分散顆粒以細(xì)小的黏粒居多，多為片狀、扁平狀顆粒疊聚體，其面層帶有正電荷，邊角處帶有負(fù)電荷，在電荷作用下產(chǎn)生絮凝作用，形成松散堆積的絮凝結(jié)構(gòu)，部分聚集體呈波浪狀或花朵狀，形成近似流水形態(tài)的紊流結(jié)構(gòu)；（2）隨著固結(jié)壓力的增大，顆粒趨于扁平狀，聚集現(xiàn)象明顯，片狀顆粒間彼此平行排列，形成接觸面以面-面結(jié)合、高度定向的層流狀結(jié)構(gòu)，此時絮凝結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)化為紊流與層流狀結(jié)構(gòu)，膨脹土在固結(jié)作用下孔隙比降低，壓縮性降低。

圖7 不同壓力下試樣放大10 000 倍SEM 圖像Fig.7 SEM images magnified 10 000 times under different pressures

通過Image-J 軟件進(jìn)行微觀信息處理，結(jié)果如表6 所示。由表6 可知：（1）黏粒顆粒在壓力作用下，密度逐漸增大，顆粒總數(shù)下降，但總面積、平均尺寸和面積占比增加。（2）當(dāng)固結(jié)壓力在0～200 kPa 的范圍內(nèi)時，聚集體間的孔隙縮小為壓縮性變化的主要因素，顆粒聚集效應(yīng)為次要因素，宏觀表現(xiàn)為孔隙比減小明顯，壓縮曲線斜率陡峭，壓縮指標(biāo)變化顯著，壓縮性較強。固結(jié)壓力增大到400 kPa 時，聚集體邊緣緊密咬合，小孔隙基本閉合，由于土顆粒不可壓縮，顆?？倲?shù)的下降實質(zhì)上是固結(jié)壓力造成較小的顆粒聚集成團(tuán)，使得可觀察的團(tuán)聚體數(shù)量下降。由于固結(jié)過程中受力方向單一，形成垂直于壓力方向的片狀疊聚體，孔隙比趨向于穩(wěn)定，壓縮指標(biāo)變化較少，壓縮性較弱。（3）平均周長受顆粒形狀、礦物成分和掃描選區(qū)等多因素影響，無明顯的規(guī)律性。以上結(jié)果表明，低壓力下粒間孔隙減少，壓縮性較強；較高壓力下孔隙基本閉合，聚集體緊密結(jié)合，壓縮性較低。受限于烘干法的制樣方式，高含水率試樣難以保持原有微觀結(jié)構(gòu)，因此含水率對微觀結(jié)構(gòu)的影響有待進(jìn)一步研究。

表6 顆粒參數(shù)Tab.6 Particle parameters

4 膨脹土的滲透特性

4.1 不同壓力下滲透試驗參數(shù)分析

通過控制試樣干密度分別為1.35、1.45、1.60、1.65、1.70、1.73 g/cm3，使孔隙比接近0、100、200、400、800、1 600 kPa 壓力下飽和固結(jié)土樣，通過飽和固結(jié)試驗獲得固結(jié)系數(shù)，由太沙基一維固結(jié)理論（式（5））可推算出飽和滲透系數(shù)并與實測值進(jìn)行對比。

式中：Cv為土的豎向固結(jié)系數(shù)；mv為體積壓縮系數(shù)；γw為水的重度。

圖8 為孔隙比與滲透系數(shù)的擬合曲線。由圖8可知，隨壓力的減小孔隙比逐漸增大，滲透系數(shù)隨之增大，實測滲透系數(shù)在200～1 600 kPa 固結(jié)壓力下相較計算所得滲透系數(shù)小0.5～1 數(shù)量級，在0～100 kPa固結(jié)壓力下則遠(yuǎn)小于實測值（表7），此時土顆粒以松散堆積的聚集體為主，在砂礫顆粒邊緣分布大量孔隙，連接貫通形成滲流通道，此范圍內(nèi)膨脹土表現(xiàn)出較強透水性。對不同壓力下的滲透系數(shù)進(jìn)行擬合，相關(guān)系數(shù)為R2=0.924，擬合效果不佳。低壓力下的孔隙比受制樣擾動較大，因此剔除掉0～100 kPa 固結(jié)壓力下的滲透系數(shù)再進(jìn)行擬合，其關(guān)系可用冪函數(shù)來描述，相關(guān)系數(shù)R2=0.976，擬合效果良好，如式（6）所示：

圖8 lgks-e 關(guān)系曲線Fig.8 Relationship curves between lgks-e

表7 滲透系數(shù)與孔隙比關(guān)系Tab.7 Permeability characteristic relationship

式中：ks為土的滲透系數(shù)；e為土的孔隙比。

4.2 不同壓力下滲透試樣的微觀特征分析

圖9 為固結(jié)壓力0～1 600 kPa 土樣在滲透作用下的SEM 圖像。由圖9 可知：（1）滲透作用下顆粒飽滿，聚集體結(jié)構(gòu)以絮凝結(jié)構(gòu)居多，紊流結(jié)構(gòu)為輔，聚集體間結(jié)構(gòu)松散，邊-面接觸及縱向孔隙明顯多于未經(jīng)滲流的壓縮試樣，且孔隙半徑較大，為自由水提供良好的滲流通道，滲透水以重力水為主，這種微觀結(jié)構(gòu)使得膨脹土表現(xiàn)出較強透水性。（2）隨著固結(jié)壓力的增大，聚集體以層流狀與紊流結(jié)構(gòu)居多，層次感分明，孔隙數(shù)量減少，不同層間形成的滲流通道較細(xì)，自由水吸附在土顆粒上，靠毛細(xì)作用緩慢滲透，結(jié)合水所占比重逐漸增加，膨脹土表現(xiàn)出較低滲透性。

圖9 滲透作用下放大10 000 倍試樣掃描電鏡SEM 圖像Fig.9 SEM image of 10 000 times magnification sample under infiltration

通過Image-J 軟件進(jìn)行微觀信息處理，結(jié)果如表8 所示。由表8 可知：（1）滲透系數(shù)與孔隙平均面積相關(guān)性較小，與總體孔隙面積的變化規(guī)律基本一致。（2）當(dāng)固結(jié)壓力在0～200 kPa 的范圍內(nèi)時，壓力作用下大孔隙半徑減小，部分區(qū)域內(nèi)消失成為多個小孔隙；固結(jié)壓力增大到400 kPa 時，小孔隙逐漸閉合，總體孔隙面積隨壓力增大呈先快速下降后逐漸穩(wěn)定的變化趨勢。以上結(jié)果表明，固結(jié)壓力對滲透系數(shù)的影響是通過孔隙面積的減少來實現(xiàn)的。由于蒙脫石形成的聚集體連接較弱，在水的作用下易于分散，導(dǎo)致粒間孔隙增大，土顆粒與弱結(jié)合水間的電場作用減弱，弱結(jié)合水膜變薄，不受電場引力作用的非結(jié)合水占比增加，故此時膨脹土滲透水以非結(jié)合水為主，滲透系數(shù)較大。隨著壓力增大，非結(jié)合水不斷排出，土顆粒間距減小，電場作用力增強，在聚集體顆粒表面形成較厚的結(jié)合水膜，此時膨脹土滲透水以弱結(jié)合水為主，滲透系數(shù)較小。

表8 微觀試驗結(jié)果Tab.8 Micro-test results

5 結(jié) 語

（1）黏聚力與含水率呈線性負(fù)相關(guān)，內(nèi)摩擦角隨含水率的增加呈先增后減趨勢，在最優(yōu)含水率時達(dá)到峰值；黏聚力與干密度呈線性正相關(guān)，內(nèi)摩擦角隨著干密度的增大呈逐步增大的趨勢。

（2）隨著含水率的增加，穩(wěn)定孔隙比呈下降趨勢，表明土體的壓縮性增強；隨著干密度的增加，初始孔隙比減小，穩(wěn)定孔隙比趨于定值。電鏡掃描結(jié)果顯示：土體顆粒多為片狀顆粒疊聚體，結(jié)構(gòu)類型以絮凝結(jié)構(gòu)和紊流結(jié)構(gòu)為主，低壓力下壓縮性主要受孔隙數(shù)量與大小下降的影響，膨脹土壓縮性較高，隨著固結(jié)壓力增加，土體的結(jié)構(gòu)類型由絮凝結(jié)構(gòu)逐漸向紊流和層流狀結(jié)構(gòu)演化，顆粒聚集效應(yīng)明顯，膨脹土壓縮性降低。

（3）隨著固結(jié)壓力的增加，膨脹土滲透系數(shù)呈下降趨勢，在低固結(jié)壓力下滲透性較強，在較高壓力（200～1 600 kPa）下較小，量級為10?6～10?8，滲透系數(shù)與孔隙比呈正比，可用冪函數(shù)的形式表達(dá)。電鏡掃描結(jié)果顯示，較低固結(jié)壓力下，顆粒間距較大，孔隙形成滲流通道，膨脹土的滲透系數(shù)較大。隨著固結(jié)壓力的增加，松散堆積結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫o密結(jié)合的層流狀結(jié)構(gòu)，孔隙面積減小，滲透系數(shù)顯著降低。