利用最大面積收縮率對膨脹土進行判別與分類的試驗研究

韓少陽，王保田

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學 江蘇省巖土工程技術工程研究中心，江蘇 南京 210098)

膨脹土是一種高塑性、強親水性的特殊黏土[1]。不同地區膨脹土的脹縮性質差別很大，對具體工程的影響大小不同。因此，對膨脹土脹縮等級進行判別分類尤為重要。目前，膨脹土的判別與分類方法主要有兩類，一類是直接指標法，該方法的操作方案較為復雜，且需要精密的儀器，不適合常規的工程實踐。另一類是間接指標法，該方法簡單易行，具有一定的科學依據，在工程建設中經常被使用[2-3]。膨脹土地區建筑技術規范(GB 50112—2013)[4]提出的按自由膨脹率劃分膨脹土膨脹潛勢的方法是目前最常用的判別方法之一，這種方法的主要缺點是操作復雜，對操作人員的要求相對較高，試驗時間較長。公路路基設計規范(JTG30—2015)[5]提出了將標準吸濕含水率作為判別膨脹土等級的依據。標準吸濕含水率指標具有較高的可信度。但是測試方法需要嚴格的試驗條件，在工程中難以大范圍實踐。眾所周知，膨脹土具有顯著的干縮開裂特性[6]。膨脹土的失水收縮開裂現象主要與其中富含黏土礦物及其強親水性有關。許多研究表明，膨脹土的收縮性隨黏粒含量尤其是蒙脫石含量的增加而顯著增強[7-8]。因此，研究土體的收縮特性對分析土體的礦物組成和膨脹性有著重要的意義。縮限和Liner Shrinkage[9]是兩種用于表征黏土收縮特性的指標。Holtz等[10]和Altmeyer[11]通過大量試驗提出了利用縮限對膨脹土進行分類和判別的標準。但是縮限的測量對操作人員有著很強的依賴性。Liner Shrinkage是指土樣干燥后的長度與初始長度的比值(土樣的初始狀態為泥漿)，與縮限相比線縮率試驗更容易進行，且重復性極高，可以更加準確地描述土體的收縮特性。然而土體的收縮同時會產生很多裂隙，線性收縮試驗中僅通過測量土樣的長度變化而忽略了裂隙的面積會低估真實的收縮量。

基于上述理論，本文通過對Liner Shrinkage方法進行改進，引入了一種對膨脹土進行判別分類的新指標，即最大面積收縮率(Maximum area shrinkage-cracking ratio,SCR)。此外，本文還討論了SCR試驗的影響因素，并對SCR的可信度和可靠性進行了分析。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗用土及材料

試驗所用膨脹土分別取自中國8個不同地區(圖1)以及美國科羅拉多州的2個不同地區，土樣基本性質如表1所示。試驗所用收縮圓盤為金屬材質，直徑為152 mm，高度為24 mm(圖2)。圓盤表面為黑色啞光、光滑、耐高溫的噴涂鐵氟龍涂料，可以降低圓盤內腔側面對土體粘結力，黑色材料可以提高土體與圓盤的對比度，啞光特性可以有效地避免相機采集圖像數據時產生反光而引起的誤差。

圖1 試驗用土分布圖Fig.1 Locations of sampling areas

表1 膨脹土的基本性質

圖2 收縮試驗圓盤Fig.2 The test disc

1.2 試驗方法

本試驗以初始飽和的泥漿作為研究對象，主要因為泥漿質地均勻，操作簡單，易于制備，且試驗的重復性強。試驗的具體步驟為：(1)將取回的土樣風干敲碎，稱取一定量的膨脹土碎塊，按液限的1.1～2.0倍加入蒸餾水，充分攪拌均勻，配制初始飽和泥漿。值得注意的是，為保證泥漿試樣不受土體初始干密度影響，在每次試驗稱取干土時，應保證干土質量和體積一致；(2)攪拌均勻后稱取定量的泥漿，緩緩倒入收縮圓盤，輕輕震動圓盤以排除氣泡并使試樣表面平整；(3)將制作好的試樣水平放入控溫烘箱烘干至不再收縮；(4)將烘干試樣取出，放置于光照條件充足的試驗臺上。將數碼相機固定在試樣正上方，對試樣表面進行拍照。拍照后通過圖像處理軟件ImageJ對圖像進行分析，并根據公式(1)對最大面積收縮率指標進行計算。試驗過程如圖3所示。

圖3 試驗過程示意圖Fig.3 Testing procedures

(1)

式中：SCR—土體的最大面積收縮率(%)；S0—土體初始面積(cm2)；Sn—烘干后土塊的面積(cm2)。

為了研究初始含水率對試驗結果的影響，試驗選取編號為S3，S4，S5以及S7的土樣，分別配制初始含水率為1.1，1.2，1.4，1.5，1.6，1.7，1.8 以及 2.0倍液限的飽和泥漿試樣進行試驗，其中每個含水率條件下分別設置2個平行試樣，根據試驗結果選定合適的初始含水率對其他影響因素進行研究。

為了研究試樣厚度對試驗結果的影響，試驗挑選編號為S3，S5，S7以及S10的土樣，每個編號的土樣分別配制5，6，7，8，10，12 mm以及14 mm 厚度的泥漿試樣，其中每個厚度條件下設置2個平行試樣，根據試驗結果選定合適的初始試樣厚度對其他影響因素進行研究。

為了探究溫度對試驗結果的影響，選取編號為S4的土樣，共配制6組試樣，分別放置于溫度為25 ℃、60 ℃和105 ℃的烘箱中進行烘干，其中每個溫度條件下同時放置2個平行試樣，根據試驗結果選定合適的烘干溫度對其他影響因素進行研究。

2 試驗結果

2.1 初始含水率對SCR的影響

圖4給出了編號為S3，S4，S5以及S7的土樣在不同初始含水率條件下(1.1～2.0倍液限)的試驗結果及統計數據(均值和標準差)。結果顯示，在不同初始含水率條件下，SCR值均無明顯變化，四組土樣中標準差最大(試樣S7)僅為2.27%，體現出數據較小的離散性，可以認為，初始含水率對SCR幾乎沒有影響。值得注意的是，初始含水率不同導致SCR數值的微小波動對膨脹土的判別和分類(見下文)均沒有影響。

圖4 不同初始含水率下最大面積收縮率試驗結果Fig.4 Results of maximum area shrinkage-cracking ratio test with different initial water content.

2.2 初始厚度對SCR的影響

利用圖像處理技術只能對膨脹土試樣表面收縮和開裂進行分析，而試樣的收縮實際上是由兩部分組成的：橫向面積的收縮和垂直方向的收縮。因此，研究試樣厚度對判別結果的影響至關重要。本文根據唐朝生[12]提出的填充法對4組土樣干燥后的收縮和裂隙體積進行測量。圖5給出了不同初始厚度下干燥結束后試樣的平均最大體積收縮率δv和最大面積收縮率SCR。從圖5中可以看出，當初始試樣厚度限制在8 mm以內時，平均最大體積收縮率δv和平均最大面積收縮率SCR值非常接近，可以忽略厚度對試驗結果的影響。這主要是因為當試樣初始厚度小于8 mm時，樣品厚度較薄，因此假設裂隙可以貫穿整個土層，且裂隙沿深度方向截面呈矩形。而當試樣土層厚度較大時，會產生頂部較寬、底部較窄的裂隙，此時體積收縮不能簡化為面積收縮。綜上所述，當試樣初始厚度在8 mm以內時，試樣的收縮開裂特征可通過測量表面的最大面積收縮率SCR來對膨脹土進行判別。

圖5 不同初始厚度下最大面積收縮率試驗結果Fig.5 Results of maximum area shrinkage-cracking ratio test with different initial thickness

2.3 界面粗糙度對SCR的影響

為了分析接觸條件對試驗結果的影響，選取編號為S6的土樣，通過在試驗收縮圓盤底部涂抹凡士林來減少界面摩擦，研究界面接觸特性對最大面積收縮率判別結果的影響。圖6和圖7分別給出了兩種不同粗糙度下試樣的收縮開裂過程。從試樣收縮過程可以看出，當圓盤底部未涂抹凡士林時，土體在干燥過程中表面會率先出現一些裂隙，隨著干燥的持續進行，裂隙會逐漸擴展直至相交，最終形成裂隙網絡。而在圓盤底部涂抹了凡士林的土樣在干燥過程中呈整體均勻收縮，未在土體中形成常規裂隙。根據公式(1)計算可得涂抹凡士林的試樣SCR為“29.25”，未涂抹凡士林的試樣SCR為“30.97”。顯然，無論是否使用凡士林，得到的平均最大面積收縮率SCR值均在30%左右，說明接觸條件對土樣表面收縮開裂的幾何結構有一定影響，但對最大面積收縮率SCR指標的影響不大。

圖6 圓盤底部未涂抹凡士林Fig.6 Mold surface without Vaseline

圖7 圓盤底部涂抹凡士林Fig.7 Mold surface with Vaseline

2.4 溫度環境對SCR的影響

為了研究溫度環境對SCR的影響，選取編號為S4的土樣配制泥漿，分別在3種不同溫度(105 ℃、60 ℃和25 ℃)下進行烘干。試驗結果表明：105 ℃、60 ℃和25 ℃下的平均SCR分別為23.39%、21.17%和19.32%，最大收縮率隨溫度的升高而明顯增大。這主要是由于在較高溫度下孔隙中的殘余含水量較小，導致顆粒間距減小，裂紋擴展增大。通常認為，在105 ℃下烘干的試樣最終殘余含水量為0，試樣已經達到收縮極限，因此，選取105 ℃作為最大面積收縮率試驗的烘干溫度。

3 判別與分類標準

通過自由膨脹率指標δef對膨脹土進行判別是目前工程實踐中最廣泛使用的方法。因此，本文參考自由膨脹率δef與最大面積收縮率SCR的關系，對膨脹土的分類界限值進行確定，自由膨脹率試驗按《土工試驗方法標準》[13]進行。

自由膨脹率δef與最大面積收縮率SCR的關系如圖7所示。為了提高試驗的準確性，除上述S1—S10試樣外，本文又添加了82組樣本進行試驗。由圖8可知，隨著δef增加，SCR增大，SCR與δef呈現較好的線性關系。本文在自由膨脹率δef分類基礎上建立了最大面積收縮率SCR的分類標準，結果如表2所示。

表2 膨脹土膨脹潛勢等級判定標準

圖8 最大面積收縮率與自由膨脹率的關系Fig.8 Maximum area shrinkage-cracking ratio versus free swelling index

4 討論和驗證

4.1 最大面積收縮率可信度分析

從礦物學角度出發，膨脹土的脹縮性主要取決于黏土礦物的種類和含量，其中蒙脫石含量是膨脹土脹縮的物質基礎；而陽離子交換量可以反應膨脹土晶格的吸附能力，是膨脹土脹縮的外在影響因素[14]。所以，研究最大面積收縮率與蒙脫石含量以及陽離子交換量的關系具有重要意義。

圖9與圖10分別給出了土樣SCR與蒙脫石含量以及陽離子交換量的關系。可以看出，SCR與蒙脫石含量線性關系較好，其相關系數為R2=0.86；SCR與陽離子交換量之間也呈線性關系，相關系數R2=0.82。由此可見，SCR與蒙脫石含量以及陽離子交換量具有良好的相關性，這說明最大面積收縮率可以反映膨脹土的本質特性，作為膨脹土判別和分類的指標具有較高的可信度。

圖9 最大面積收縮率與陽離子交換量之間的關系Fig.9 Relationship between maximum area shrinkage ratio and cation exchange capacity (CEC)

圖10 最大面積收縮率與蒙脫石含量之間的關系Fig.10 Relationship between maximum area shrinkage ratio and montmorillonite content

4.2 最大面積收縮率與其他判別方法的比較

《公路路基設計規范》(JTGD20—2015)提出了按標準吸濕含水率和塑性指數進行判別和分類的方法。其中塑性指數可以反映土顆粒與水的相互作用，在一定程度上反映了土體的親水性[15]；而標準吸濕含水率與比表面積、陽離子交換量和蒙脫石含量之間存在線性關系，這兩項指標也經常用于工程實踐中。為了研究最大面積收縮率SCR作為分類指標的準確性，本文研究了最大面積收縮率SCR與塑性指數和標準吸濕含水率之間的關系。

圖11與圖12為SCR與塑性指數和標準吸濕含水率之間的關系圖。可以看出，SCR與塑性指數Ip、標準吸濕含水率線性關系良好，其相關系數接近于1(相關系數分別為R2=0.93與R2=0.97)，說明最大面積收縮率作為膨脹土判別和分類指標的可靠度很高。

圖11 最大面積收縮率與塑性指數之間的關系Fig.11 Relationship between maximum area shrinkage ratio and plasticity index

圖12 最大面積收縮率與標準吸濕含水率之間的關系Fig.12 Relationship between maximum area shrinkage ratio and standard moisture

5 結論

本文提出利用最大面積收縮率SCR指標對膨脹土進行判別及分類，該方法具有簡便、可靠、重復性高、周期短、對試驗環境無限制且不需要復雜儀器的優點。通過大量的平行室內試驗和統計分析，研究了試驗的影響因素，驗證了該指標的可行性，可以得到如下幾點結論：

1)初始含水率和界面粗糙度對最大面積收縮率用于膨脹土的判別和分類沒有影響。當初始厚度限制在8 mm以內時，可以忽略厚度對試驗結果的影響。建議試驗條件為：初始含水率為1.8倍液限，初始試樣厚度為5 mm，烘干溫度為105 ℃。

2)最大面積收縮率與蒙脫石含量和陽離子交換量相關性良好，線性相關系數分別為0.82和0.86，說明最大面積收縮率可以反映膨脹土的本質屬性。

3)最大面積收縮率與塑性指數和標準吸濕含水率呈良好的線性關系，其相關系數分別為0.93與0.97，說明最大面積收縮率方法具有很強的可靠性。