NaCl溶液改良膨脹土滯回曲線形態特征

李寶平， 支梟雄， 張玉,2*， 平高權

(1. 西安工業大學建筑工程學院， 西安 710021; 2. 西安理工大學陜西省黃土力學與工程重點實驗室， 西安 710048)

膨脹土廣泛分布于中國各地，是一種漲縮性的塑性黏土。隨著基礎交通建設的快速發展，越來越多的公路、鐵路都不可避免地遭遇到膨脹土地層[1-2]。由于膨脹土漲縮特性與交通動荷載的聯合累計作用，發生諸多上部結構開裂、路基邊坡失穩等事故，實際工程中常采用改良膨脹土路基的方法減少工程事故[3-4]。在改良膨脹土方面，NaCl溶液改良法由于其簡單易行、用量節約、環境污染小等優點引起了眾多學者的關注，于海浩等[5]研究膨脹土在不同NaCl溶液濃度條件下的膨脹特性，發現NaCl溶液對膨脹特性的抑制與擴散雙電層相關；楊周潔等[6]通過對不同干密度和NaCl溶液濃度的膨脹土進行一系列膨脹力試驗，發現NaCl溶液對膨脹力有明顯的抑制作用，隨著濃度的增加，膨脹力顯著降低。因此研究改良膨脹土在交通循環動荷載作用下的動力學特性有重要的工程價值。在土體動力學研究方面，滯回曲線闡述一個循環周期內動應力和動應變的關系，反映出動應變相對于動應力的一種滯后能力，因此研究滯回曲線就成為研究土體動力特性的核心之一[7-9]。

目前，國內外關于滯回曲線的研究多見于巖石材料，并取得了大量的研究成果[10-12]。土體材料的滯回曲線研究相對較少，且大多見于黃土、凍土、砂土、泥質炭土等土體。魏新江等[13]對凍融土進行動三軸試驗，研究表明滯回曲線面積在加載過程中由大變小，面積及不閉合程度與凍融溫度和固結度呈負相關；黃娟等[14-15]通過動三軸試驗，研究圍壓、加載頻率、固結比等因素對泥炭質土滯回曲線參數的影響；胡仲有等[16]通過動扭剪試驗對比分析3個不同地區黃土滯回曲線的形狀變化，發現滯回曲線形狀與動剪應變有密切關系；莊心善等[17-18]分別對風化砂改良膨脹土和重塑弱膨脹土在不同圍壓、振動頻率和固結比的情況下滯回曲線的變化規律進行研究，并對滯回曲線形態特征進行定量描述。目前,針對膨脹土及改良膨脹土滯回曲線的研究極為少見，并且不同地區膨脹土滯回曲線有明顯的區域化差異，因此有必要對陜南地區改良膨脹土滯回曲線的形態特征進行試驗研究。

綜上所述，現以NaCl溶液改良陜南膨脹土為研究對象，通過GDS動三軸儀分析膨脹土在循環動荷載作用下滯回曲線的演化規律，在不同圍壓和NaCl溶液濃度條件下對膨脹土滯回曲線的形態特征參數進行定量分析，并通過對比分析膨脹土改良前后的滯回曲線各參數，評價NaCl溶液改良效果。為進一步探究NaCl溶液改良膨脹土的動力特性奠定基礎，同時為陜南及相關膨脹土地區實際工程建設提供合理有效的參考依據。

1 試驗簡介

試驗土樣取自陜西漢中一處滑坡監測點，取土深度約5 m，膨脹土自由膨脹率為65%，屬于中膨脹土。具體物理參數見表1。

試驗采用GDS動三軸儀，如圖1所示。

動三軸試驗設定為固結不排水試驗，加載頻率為1 Hz，對土體分級施加正弦波型循環動荷載，分10級等差依次加載，每級荷載循環10個周期。取NaCl溶液濃度分別為0(蒸餾水)、0.1、0.5、1.0 mol/L和圍壓為50、100、200、300 kPa以探究不同條件下陜南膨脹土滯回曲線的演化規律。具體試驗方案見表2。

圖1 GDS動三軸儀Fig.1 GDS dynamic triaxial

表2 試驗方案Table 2 Experimental scheme

動三軸試驗步驟：將不同濃度的NaCl溶液改良膨脹土放入飽和器中進行真空飽和，待真空飽和及養護完成，將試樣裝進GDS動三軸儀壓力室，進行反壓飽和，當試樣孔隙水壓與圍壓比值達到0.98以上時，利用圍壓控制器使小主應力達到試驗方案要求，然后施加圍壓并進行排水固結，當反壓體積逐漸達到平穩，即固結完成。然后逐級施加正弦波荷載，當土樣達到特定破壞標準或設定總循環振動次數，試驗終止。

2 試驗結果及分析

2.1 改良膨脹土滯回曲線k的演化規律

滯回曲線上下頂點的動應力和動應變的差值比為長軸斜率k。k值越大，表明膨脹土剛度越大，彈性性能越強，計算公式為

(1)

式(1)中：σB和σC分別為膨脹土在一個循環內最大和最小動應力；εB和εC分別為最大和最小動應變。

取第5級到第8級循環周期下的平均動應力-動應變σd-εd分析，得到0.5 mol/L濃度的NaCl溶液改良膨脹土在不同加載圍壓下的滯回曲線如圖2所示；加載圍壓為200 kPa時不同NaCl溶液濃度改良膨脹土的滯回曲線如圖3所示。

由圖2、圖3可得，未改良膨脹土及NaCl溶液改良膨脹土滯回曲線均為明顯的斜橢圓形狀；相同NaCl溶液濃度條件下，隨著加載圍壓的增大，膨脹土滯回曲線傾斜角度變化越大，即k也越大。這是因為圍壓的增大使土顆粒被逐漸壓實，進而增加了膨脹土顆粒之間的相互作用力，土體抵抗動變形的能力得到提高。NaCl溶液濃度改良作用下，滯回曲線傾斜角度相對不同圍壓條件時變化程度較小，但隨著NaCl溶液濃度的增大，膨脹土的滯回曲線傾斜角度也有小幅度的增大，即NaCl溶液濃度與k也呈正相關。分析認為NaCl溶液向膨脹土內部擴散，由于膨脹土顆粒表面大量雙電層的存在，孔隙內負電荷和Na+發生化學中和反應，從而降低雙電層的排斥力，且隨著NaCl溶液濃度的增加，土體的膨脹力減小愈加明顯，內部飽和孔隙比減小，動彈性性能隨之增強。

圖2 0.5 mol/L NaCl溶液改良膨脹土滯回曲線Fig.2 Improved hysteresis curve of expansive soil with 0.5 mol/L sodium chloride solution

圖3 200 kPa圍壓下改良膨脹土滯回曲線Fig.3 Hysteresis curve of improved expansive soil under 200 kPa confining pressure

不同加載圍壓條件下NaCl溶液膨脹土滯回曲線k與平均動應變關系如圖4所示。

由圖4可知，在不同加載圍壓條件下，隨著平均動應變的增大，k呈現出不同程度的非線性減小，先快速衰減，后逐漸緩慢。說明NaCl溶液改良膨脹土在加載前期剛度較大，而隨著循環動荷載的不斷增加，土體逐漸失去抵抗動變形的能力。相同平均動應變和NaCl溶液濃度時，加載圍壓增大，k與動應變曲線向上偏移，k增大，在1.0 mol/L NaCl溶液濃度下，加載圍壓300 kPa較200 kPa時，k最大增長程度為7.2%。造成這種現象的主要原因是：隨著加載圍壓的增大，膨脹土土體原生結構逐漸被破壞，次生結構不斷生成，土顆粒向內部孔隙移動，土體孔隙減小，內部結構不斷增強，顆粒間受到的擠密作用相應增大，其內部咬合力和摩擦力增大，增強了土體抵抗動變形的能力。不同NaCl溶液濃度條件下滯回曲線k與平均動應變關系如圖5所示。

由圖5可知，相同加載圍壓，不同NaCl溶液濃度下的k，隨著動應變的增加而呈非線性減小；相同平均動應變和加載圍壓時，NaCl溶液濃度越大，k越大，其中1.0 mol/L NaCl溶液對其影響較為顯著。這是由于土顆粒表面的負電荷和其周圍陽離子形成大量的擴散雙電層，而NaCl溶液濃度的增加使土顆粒表面的擴散雙電層厚度減小，土體膨脹力降低，土顆粒間的接觸面增大，相互作用增大，土體抵抗因交通動荷載發生變形破壞的能力增強。相比未改良土樣，1.0 mol/L濃度的NaCl溶液改良膨脹土k與動應變曲線呈明顯的上升，即k增大，改良膨脹土彈性性能變好。進一步說明NaCl溶液引起膨脹土內部微觀應力變化，進而展現為宏觀性質的增強。

2.2 改良膨脹土滯回曲線內面積S的演化規律

滯回曲線內面積S反映膨脹土在一個循環周期內因阻尼所耗散能量的大小，S值越大說明膨脹土耗散能量越多，同時抗震性能越強，計算公式為

(2)

式(2)中：Si為不閉合滯回曲線內多邊形面積，循環加載次數i從第1級到第n級。

不同加載圍壓條件下NaCl溶液改良膨脹土滯回曲線S值與平均動應變關系如圖6所示；不同NaCl溶液濃度作用下S值與平均動應變關系如圖7所示。

圖4 不同圍壓下滯回曲線斜率k與動應變關系Fig.4 The relationship between the slope k of the hysteretic curve and the dynamic strain under different confining pressures

圖5 不同NaCl溶液濃度下滯回曲線斜率k與動應變關系Fig.5 The relationship between the slope k of the hysteresis curve and the dynamic strain in different sodium chloride solution concentrations

圖6 不同加載圍壓下滯回曲線面積S與動應變關系Fig.6 The relationship between hysteretic curve areaS and dynamic strain under different loading confining pressures

圖7 不同NaCl溶液濃度下滯回曲線面積S與動應變關系Fig.7 The relationship between hysteresis curve area S and dynamic strain under different sodium chloride solution concentration

由圖6、圖7可得，滯回曲線S隨著NaCl溶液濃度的增大而增大，隨著圍壓的增大而降低。 在不同加載圍壓和NaCl溶液濃度條件下，動應變發展初期(應變小于0.1%時)膨脹土滯回曲線S較小且無明顯變化；隨著平均動應變的不斷增加，曲線出現較明顯分離，S呈指數形式快速增大。 這是由于在加載循環動應力前期，改良膨脹土有較好的黏性和彈性能力，形變能較好回彈，阻尼比也較小，土樣在此階段的能量消耗較低，圍壓和NaCl溶液濃度對土體抗震和耗能性能的作用不明顯；隨著平均動應變繼續增加，不同條件下的曲線呈指數形式增長，土體細觀損傷程度和殘余塑性變形不斷積累，其消耗的能量迅速增加，表現為S的快速增長。

由圖7可知，NaCl溶液改良后膨脹土相比于未改良膨脹土(0 mol/L)，S的增大有顯著的作用，且濃度越大，S增長幅度越大，改良效果越明顯。造成這種現象的主要原因是：相比未改良膨脹土，當顆粒內的孔隙為NaCl溶液時，有許多正電荷存在，孔隙內負電荷將與Na+發生化學中和反應，從而顯著降低顆粒間擴撒雙電層的排斥力，同時表面的水膜厚度減小，顆粒間阻礙作用也隨之降低，從而顯著增強膨脹土的抗震性能。

2.3 改良膨脹土滯回曲線殘余應變εp的演化規律

滯回曲線的不閉合大小εp反映膨脹土發生不可恢復形變的大小和程度，計算公式為

εp=|ε0-εm|

(3)

式(3)中：ε0和εm分別為一個循環動荷載作用下土體滯回曲線起點動應變和終點動應變。

不同加載圍壓下改良膨脹土滯回曲線εp與平均動應變關系如圖8所示；不同NaCl溶液濃度下滯回曲線εp與平均動應變關系如圖9所示。

由圖8、圖9可知，εp在不同加載圍壓和NaCl溶液濃度條件下與平均動應變呈非線性增加變化；這是因為小應變時，膨脹土以彈性變形為主，滯回曲線閉合程度高，εp基本趨于定值0；隨著循環動應變的不斷增加，εp增長速度加快，土體顆粒之間黏聚力減弱，滯回曲線越疏松，越不閉合，一個循環動荷載下膨脹土的不可恢復變形越大。εp均與加載圍壓和NaCl溶液濃度呈負相關。說明隨著圍壓和NaCl溶液濃度的增大，土體更為緊密，抗剪強度更高，土體抵抗循環動應力作用產生形變的能力也隨之提高，滯回曲線越閉合，故εp隨之減小。

由圖9可知，NaCl溶液濃度對相同圍壓下的膨脹土滯回曲線εp有不同的抑制效果，且濃度越大，抑制作用越明顯。說明NaCl溶液使土顆粒表面雙電層厚度的減小，膨脹性被抑制，從而抵抗塑性變形的能力增強，有利于削弱膨脹土地基因交通動荷載產生的沉降危害，進一步說明NaCl溶液起到很好的改良效果。

圖8 不同加載圍壓下滯回曲線殘余應變εp與動應變關系Fig.8 The relationship between residual strain εp and dynamic strain of hysteretic curve under different loading confining pressure

圖9 不同NaCl溶液濃度下滯回曲線殘余應變εp與動應變關系Fig.9 The relationship between residual strain εp and dynamic strain in hysteresis curve under different sodium chloride solution concentration

2.4 改良膨脹土滯回曲線飽滿度α的演化規律

滯回曲線飽滿度α反映膨脹土的黏滯性大小，α越大，表明膨脹土滯回曲線越寬，黏滯性能越強，計算公式為

(4)

式(4)中：a和b分別為滯回曲線的長軸和短軸長度。

圖10為不同加載圍壓條件下NaCl溶液改良膨脹土滯回曲線α與平均動應變關系曲線；圖11為不同NaCl溶液濃度條件下α與平均動應變關系曲線。

由圖10、圖11可以得到，隨著加載圍壓的增大，α增長速率明顯降低；在動應變小于0.1%時，其滯回曲線α與動應變關系曲線基本重合且趨近于0，而當動應變大于0.1%時，隨著動應變的增加，α增長速率顯著加快且呈指數形式。這是由于在應變較小時，土體形變為彈性變形，細觀損傷不明顯，其滯回曲線的短軸值增長較小，此時α變化很小，隨著動應變的繼續增大，土體開始對不同圍壓和NaCl溶液濃度表現出敏感性，彈性性能降低，逐漸發生不可恢復的塑性形變，膨脹土內部結構發生變形破壞，其黏滯性也隨之增大，短軸明顯增大，α隨之增大。

對比分析圖11，發現α與NaCl溶液濃度呈正相關，在相同加載圍壓條件下，不同濃度的NaCl溶液改良膨脹土與未改良膨脹土α相比更大，說明滯回曲線更厚實，NaCl溶液改良膨脹土的黏滯性更強，其對土體動力特性的提高起到了好的增強效果。

3 結論

(1)不同條件下，膨脹土滯回曲線均呈斜橢圓形狀；滯回曲線斜率k值與動應變為非線性負相關，且隨NaCl溶液濃度和加載圍壓的增大而變大，其中1.0 mol/L NaCl溶液對k影響最為顯著。

(2)滯回曲線殘余動應變量εp與動應變呈非線性正相關，與圍壓和NaCl溶液濃度呈負相關；滯回曲線內面積S和飽和度α隨加載圍壓的增大呈非線性衰減，隨NaCl溶液濃度的增大呈非線性增加。

(3)不同加載條件下，滯回曲線內面積S和飽和度α有類似的變化關系；當動應變小于0.1%時，滯回曲線S和α基本無變化，而當動應變大于0.1%，隨著動應變逐漸增大，S和α呈指數形式迅速增大。

圖10 不同加載圍壓下滯回曲線飽滿度α與動應變關系Fig.10 The relationship between fullness α of hysteretic curve and dynamic strain under different loading confining pressures

圖11 不同NaCl溶液濃度下滯回曲線飽滿度α與動應變關系Fig.11 The relationship between fullness α of hysteresis curve and dynamic strain in different sodium chloride solution concentration

(4)NaCl溶液改良膨脹土與未改良膨脹土相比，增強了土體剛度和彈性模量，滯回曲線k增大；增強了土體的黏滯性，α增大；增強了土體的抗震能力和能量耗散性能，S增大；減弱了殘余塑性應變，εp減小。