干濕循環作用下膨脹土變形特性

段尚磊，徐國元，董均貴，錢慧良

(1.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510641；2.桂林理工大學 土木與建筑工程學院，廣西 桂林 541004)

0 引 言

膨脹土是一種特殊的非飽和土，在我國廣西、云南、四川、內蒙古等20多個地區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性[2]。膨脹土的膨脹特性受到密實度、礦物組成、含水率、結構、裂隙等眾多因素的影響。其中，含水率因素受外界環境影響最大。大自然的降雨和蒸發作用導致淺層膨脹土存在干濕循環現象，經歷多次干濕循環作用后，土體裂隙發育、顆粒破碎、強度降低，導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]。眾多專家學者已對膨脹土及其災害防治進行近60年的研究，然而由于對干濕變化的敏感性及其結構的復雜性，膨脹土災害仍時有發生。據相關統計，我國膨脹土地區每年有數百萬平方米的建筑物受損，直接經濟損失高達數億元，膨脹土地區對建成構筑物的維護費用也高達數千萬[8-9]。吸水膨脹是膨脹土成災的主要形式之一，造成破壞也最嚴重[10-11]。因為對含水率變化敏感的特性，膨脹土災害屬于具有顯著的突發性的地質災害[12-13]。

隨著全球范圍內工程建設的全面展開，膨脹土的研究也取得許多新進展。主流研究認為，干濕循環作用對膨脹土來說是弊大于利的，貫入阻力、彈性模量、抗剪強度等各項指標會因干濕循環而出現不同程度的衰減[14-18]。Nicolai David Jablonowski等研究發現，干濕循環作用可促進無機物在土壤中富集，形成具有一定粘結力的膠結物，膠結物的擴容作用會提高膨脹率。經歷不同循環次數，富集程度是不同的，其膨脹特性也存在顯著差異[19]。Sai K.Vanapall等學者注意到，由于應力狀態變化和軟化特性，膨脹土的變形很難用當前的一般非飽和土模型進行推算[20]。膨脹率的測試和預測的方法較多，通過初始含水率、塑性指數、初始干密度等簡單指標可對膨脹能力進行簡單的預測[21-23]。礦物成分、基質吸力、PH值等因素與膨脹性能有良好的線性關系，也可以對膨脹率的大小進行預估[24]。膨脹率常用于表征土體膨脹量的大小，膨脹量與時間的關系往往不是線性的，膨脹的不同階段都有各自特殊性，而干濕循環作用下不同膨脹階段的特征及其影響機理尚不明了。

結合前人研究成果，以膨脹土為研究對象，研究不同干濕循環次數下重塑膨脹土吸水膨脹變形能力，探究膨脹過程不同階段的膨脹特性及其影響機理，從過程角度初步揭示干濕循環對膨脹特性的影響。

1 試驗方案設計

1.1 試驗用土基本物性

試驗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，其主要物性參數見表1.根據相關規程[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個試樣為一組，取3個試樣變形讀數平均值作為該時刻豎向膨脹量。

表1 膨脹土特性參數

1.3 膨脹試驗

試驗利用固結儀完成，為防止試樣膨脹時超出環刀限制范圍，試驗中環刀直徑為61.8 mm，高度為25.0 mm.參照公路土工試驗規程(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，加蒸餾水至稍稍沒過試樣下底面。試驗開始20 min內每隔5 min記錄一次百分表讀數，開始2 h內每10 min記錄一次百分表讀數，之后根據試樣膨脹速率調整讀數時間。當間隔2 h時，2次讀數之差小于0.01 mm時，可認為試樣膨脹變形達到穩定。拆除百分表，將試樣置于40 ℃的烘箱內烘干至恒重，測量干試樣高度，如此完成一次干濕循環過程。試樣后續膨脹測量及干濕循環過程與第一次操作相同。

2 試驗結果及分析

2.1 不同循環次數下膨脹曲線

以試樣吸水時間為橫坐標，以試樣豎向累計變形量(膨脹量)為縱坐標，對比分析0～4次干濕循環下試樣膨脹特性曲線(圖1)。

圖1 不同循環次數下豎向變形與時間關系曲線Fig.1 Relationships between vertical deformation and time under different cycles

2.2 曲線總體走勢

試樣橫向受到環刀的固定約束，只能發生豎向膨脹，豎向累計變形也即是膨脹量。不同干濕循環次數下，試樣吸水膨脹趨勢相同，隨吸水時間增加試樣先迅速膨脹，之后膨脹速率減慢，最后膨脹達到穩定。第0次循環時，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次循環后，試樣均在約100 min后就完成膨脹量的90%，之后緩慢達到變形穩定。0次循環試樣的吸水過程中，試樣初始狀態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毛細作用上升的速度較為均勻且緩慢。待較大孔隙充滿水并實現一定膨脹后，水分才能進入顆粒之間的細小孔隙，完成后續約10%的膨脹量。

完成第1次干濕循環過程后，試樣經歷了脫水過程。脫水時毛細管內水分與試樣的浸潤角要小于吸水過程的浸潤角[27]，從而使試樣土粒間距減小，孔隙收縮變小。水分在孔隙內進出流動，使得部分粘粒隨之遷移并在孔徑縮小位置停留形成孔喉。當試樣再次吸水時，細小孔徑具有更大的吸力，水分迅速沿細孔上升，使試樣在不到2 h內就完成超過90%的膨脹量。孔喉對水分進入存在一定阻擋作用，其內部的孔隙吸水膨脹過程存在一定滯后現象。

各次干濕循環下，膨脹量與時間關系曲線(膨脹曲線)無法用1條曲線進行擬合。以3次干濕循環后吸水膨脹數據為例，根據不同時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，相關系數都大于0.9.根據擬合關系式，由不同時間點推算第3次循環后吸水膨脹過程中不同階段膨脹量，并與實測膨脹量進行誤差分析由圖3可知，分為3段進行擬合的膨脹數據與實測數據符合良好，其最大誤差約為0.1 mm.不同干濕循環次數下，試樣吸水膨脹量隨時間的變化膨脹曲線用3段直線進行擬合較為合理。

圖2 擬合數據與實測數據對比Fig.2 Comparison of the fitted and measured data

2.3 各階段膨脹速率

試樣在各個時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之后緩慢穩定階段。將不同干濕循環次數下3階段膨脹速率曲線列于圖3中，橫坐標為膨脹階段，縱坐標為對應圖2中各膨脹階段擬合直線的斜率。

圖3 不同循環次數下各階段膨脹速率Fig.3 Swelling rate at each stages under different cycles

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個階段膨脹速率較為接近。對于未經歷干濕循環的試樣(第0次循環)，膨脹速率隨時間增加而逐漸降低，但其各個階段膨脹速率差距不大。經歷干濕循環的試樣(第1～4次循環)，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。經歷干濕循環試樣膨脹速率與吸水階段之間可近似用對數回歸方程來表示，本試驗中，k為膨脹速率，x為吸水階段(取值1，2，3)。

k=-0.0558ln(x)+0.058 4

(1)

試樣吸水膨脹過程是孔隙逐漸充滿水的過程，也是從非飽和狀態逐漸過度到飽和狀態的過程。水分從試樣底部往上逐漸擴散至整個試樣飽和，在達到整體飽和之前總是存在處于非飽和的部分。根據飽和度的不同，俞培基等學者將非飽和土歸納為3種系統階段，水封閉系統、雙開敞系統、氣封閉系統[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。此時由于毛細水的遷移，土粒與少量孔隙水接觸而迅速發生膨脹并形成水膜[29]，孔徑收縮將孔隙氣壓縮并驅趕出試樣，使水分可以迅速向深處流動，外部水分可迅速進入孔隙。此階段試樣吸水膨脹迅速，與文中膨脹曲線的第1階段相對應。隨著飽和度的逐漸增加而到達雙開敞系統階段，此時孔隙水與孔隙氣都成為連通狀態，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，試樣中水分繼續增加到達水封閉系統，孔隙中的空氣將被分割和包圍，以氣泡的形式存在。此時只有孔隙水是連通的，氣泡之間不連通且量很少，試樣繼續緩慢膨脹的同時也會將部分氣泡排除，試樣膨脹已經趨于穩定。

2.4 干濕循環對膨脹變形的影響

經歷不同干濕循環次數之后，試樣吸水膨脹總變形量明顯不同(圖4)。經歷1次干濕循環后試樣吸水膨脹量增加約20%，之后隨著循環次數的增加膨脹量依次減小。分析認為，試樣徑向尺寸大于豎向尺寸，脫水過程中徑向收縮量大于豎向收縮量，對土粒形成豎向擠壓，導致完成脫水時試樣的高度大于20.0 mm，徑向尺寸小于61.8 mm.脫水過程中，液體排出孔徑收縮，加之液體內部張力作用，對孔壁施加一個收縮力，加大了孔徑縮小程度[30]。加之脫水過程試樣產生一定量的不可恢復變形，因而試樣經歷1次干濕循環后，豎向膨脹能力遠大于徑向。而第2～4次循環后吸水膨脹都是以經歷脫水收縮后作為初始狀態進行的，不同循環次數之間豎向、徑向變形能力差距減小，試樣總變形量依次減小。

圖4 膨脹量與干濕循環次數關系Fig.4 Relation between the amount of expansion and the number of cycles

試樣顆粒破碎也是造成不同干濕循環次數下試樣膨脹量差異的重要原因。圖5(a)是1次干濕循環后的電鏡掃描圖像，圖5(b)是4次干濕循環之后的電鏡掃描圖像。1次干濕循環后，試樣處于脫水收縮狀態，土顆粒間呈堆疊狀緊密接觸。4次干濕循環后，試樣出現明顯的裂隙，且大部分裂隙都是沿試樣高度方向發展的。裂隙面上的土粒之間橫向失去了粘結強度，遇水時即會發生橫向膨脹的約束力變小。隨著干濕循環次數的增加，試樣破碎化程度進一步加重，豎向膨脹變形能力逐漸降低。另外，粘粒表面負電荷密度較大，吸水膨脹時雙電層厚度也較大。而隨著水分反復流出試樣，部分粘粒會隨水流失，一定程度上造成豎向膨脹量的損失。

圖5 不同循環次數電鏡掃描結果Fig.5 Scanning electron microscope of different cycles

非飽和土的基質吸力是水分遷移的重要動力，經歷不同干濕循環后基質吸力也存在差異[31]。為進一步探究干濕循環與膨脹特性的關系，測試不同循環次數下試樣的土-水特征曲線(SWCC)。文中使用飽和鹽溶液法，僅對高吸力條件下吸濕曲線進行測試，借以分析干濕循環對基質吸力的影響。試驗使用飽和鹽溶液及對應吸力值見表2，土-水特征曲線中水分以質量含水率ω表示(圖6)。

圖6顯示了不同飽和鹽溶液提供的蒸汽壓，經歷不同干濕循環次數后試樣吸濕路徑下，質量含水率與基質吸力的變化關系。當含水率小于3%時，土水特征曲線趨于穩定，不同循環次數的試樣吸力值較為接近。試驗說明了經歷不同干濕循環之后，試樣的基質吸力是不同的，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。

表2 飽和鹽溶液及對應吸力值(25 ℃)

圖6 飽和鹽溶液法測定土-水特征曲線Fig.6 Soil-water characteristic curves by saturated salt solution method

3 結 論

1)不同干濕循環次數下，試樣吸水膨脹變形的趨勢相同。膨脹土遇水反應迅速，在較短時間內即可完成總膨脹量的90%，之后膨脹減緩并最終趨于穩定。

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、緩慢穩定階段。不同干濕循環次數下的膨脹曲線用3段直線進行擬合較為合理，其擬合最大誤差約為0.1 mm.

3)非飽和土水封閉系統、雙開敞系統、氣封閉系統等3種狀態的特征差異，是造成膨脹曲線不同階段膨脹速率差異的主要原因。

4)不同干濕循環次數下，試樣的破碎化程度和基質吸力都存在一定差異，導致膨脹曲線及總膨脹量不盡相同。