不同初始含水率下廣西膨脹土膨脹變形規(guī)律及劣化機(jī)理研究

關(guān)鍵詞：膨脹土；初始含水率；膨脹變形；結(jié)構(gòu)劣化；強(qiáng)度劣化

中圖分類號(hào)：TV21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-9235（2024）11-0115-09

膨脹土是一種有問題的特殊土，因含有蒙脫石、伊利石、高嶺石等親水性礦物成分，表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸水膨脹、軟化、崩解與失水收縮、干裂特性，對溫度、濕度以及應(yīng)力場變化極端敏感［1-4］。在工程建設(shè)過程中，經(jīng)常遇到膨脹土遇水膨脹軟化導(dǎo)致的路基上拱、邊坡失穩(wěn)等問題［5-7］，因此深入研究膨脹土吸水膨脹變形及強(qiáng)度劣化特性，對解決膨脹土地區(qū)的工程問題具有十分重要的意義。

在膨脹土吸水膨脹特性研究方面，諸多學(xué)者開展了初始含水率、干密度、上覆荷載、干濕循環(huán)等影響因素對膨脹土膨脹特性的研究，如徐永福等［8］提出在其他條件不變的情況下，含水率越低，膨脹量越大，呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)性。馬英潔等［9］提出經(jīng)過干濕循環(huán)作用后膨脹土膨脹率隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小。在膨脹土強(qiáng)度劣化特性研究方面，凌時(shí)光等［10］認(rèn)為影響膨脹土抗剪強(qiáng)度的主要原因是膨脹土自身的脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)膨脹土強(qiáng)度衰減的微觀機(jī)制是膨脹土固相顆粒在晶格膨脹作用下產(chǎn)生破碎與分離，使得顆粒級配發(fā)生改變；張波等［11］深入談?wù)摿损ぞ哿湍Σ翉?qiáng)度的物理意義，闡釋了膨脹土的力學(xué)特性；羅曉倩等［12］指出膨脹土的黏聚力、內(nèi)摩擦角隨著膨脹土吸水飽和穩(wěn)定而逐漸減小。張琦等［13］通過對不同初始含水率的非飽和膨脹土開展三軸剪切試驗(yàn)得出非飽和膨脹土的抗剪強(qiáng)度隨初始含水率的增加呈線性下降趨勢。文獻(xiàn)［ 14-16］中飽和度對膨脹土的抗剪強(qiáng)度具有很大的影響。文獻(xiàn)［17-18］研究表明，膨脹土經(jīng)過干濕-凍融循環(huán)后裂隙的產(chǎn)生導(dǎo)致黏聚力變小。以上研究均表明膨脹土的膨脹性、強(qiáng)度均與土中水具有很大關(guān)系。本質(zhì)上，膨脹土的吸水膨脹軟化過程是水與土中礦物成分的相互作用過程，膨脹變形、強(qiáng)度劣化是土中礦物顆粒大小、排列等細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化的宏觀體現(xiàn)，但目前的研究成果在系統(tǒng)分析膨脹土膨脹劣化特性及機(jī)理方面還需進(jìn)一步完善。

土中水分為強(qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水及自由水，隨著初始含水率的不同，土中水的種類及水膜厚度將發(fā)生變化，導(dǎo)致土中親水性礦物的吸水性發(fā)生變化，從而影響土體吸水膨脹變形特性及強(qiáng)度特性。基于此，本文基于已有研究成果，選取廣西膨脹土為研究對象，開展了不同初始含水率條件下膨脹土膨脹變形及強(qiáng)度特性試驗(yàn)，基于電鏡掃描、圖像處理技術(shù)，研究膨脹土的膨脹變形特征、結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度劣化規(guī)律，揭示了膨脹土膨脹軟化機(jī)理，以期為膨脹土地區(qū)工程設(shè)計(jì)、施工提供依據(jù)。

1材料與試驗(yàn)

1. 1試驗(yàn)材料與試樣制備

試驗(yàn)用土取自廣西區(qū)境內(nèi)，天然含水率下土樣呈堅(jiān)硬塊狀，顏色呈褐黃色，見圖1。利用X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）方法進(jìn)行礦物成分測試，結(jié)果見表1。從表中可以看出，土中石英占比81%，黏土礦物占比19%，黏土礦物主要由伊利石、高嶺石、伊蒙混層組成。

按照GB／T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定開展土樣基本物性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn)，土樣自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果見表2，其他物理性質(zhì)指標(biāo)見表3。由表2可知土樣自由膨脹率平均值為50. 93%，介于40%～65%，按照GB 50112—2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定，該土樣為膨脹土，具有弱膨脹潛勢。

試樣制備前，將土樣進(jìn)行簡單清理，去除土中雜草和石子，根據(jù)GB／T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定，將土樣風(fēng)干碾碎，過2 mm的篩，將篩分后的土樣放置于105°烘箱烘烤至少8 h后取出。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)定的初始含水率值加水配置土樣，制備好的土樣放置密封袋中密封24 h后，取密封袋中3個(gè)不同位置進(jìn)行含水率測定，3個(gè)位置的誤差不超過1%。然后采用靜壓法制樣，把配制好的土樣放入直徑6. 18 cm，高2 cm的不銹鋼環(huán)刀中。每種含水率土樣配置12 個(gè)試樣，多余的1～2個(gè)樣備用。

1. 2試驗(yàn)方法

含水率對土樣膨脹性及強(qiáng)度均有影響，根據(jù)表3中液限、塑限及飽和含水率值，設(shè)計(jì)初始含水率見表4，試樣干密度與原狀樣干密度相同。

為獲得不同初始含水率土樣膨脹前后的強(qiáng)度特性及細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，開展以下試驗(yàn)。

a）膨脹前土樣的直剪試驗(yàn)及SEM（Scanning Electron Microscope）試驗(yàn)。利用四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀（圖2a）測定不同初始含水率土樣的抗剪強(qiáng)度，利用Prisma E環(huán)境掃描電鏡（圖2b）進(jìn)行SEM電鏡掃描，獲取膨脹前土樣的強(qiáng)度指標(biāo)及細(xì)觀結(jié)構(gòu)。

b）膨脹穩(wěn)定后土樣的直剪試驗(yàn)及SEM 試驗(yàn)。首先將不同初始含水率土樣放入膨脹儀（圖2c），嚴(yán)格按照GB／T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行無上覆荷載作用下的側(cè)限膨脹試驗(yàn)，當(dāng)百分表的讀數(shù)每2 h不超過0. 01 mm時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。然后，將膨脹穩(wěn)定后的試樣取出，放入四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀測定抗剪強(qiáng)度，并同步進(jìn)行含水率測試、SEM電鏡掃描。其中，直剪試驗(yàn)剪切速率控制在0. 8 mm/min，垂直壓力為50、100、150、200 kPa。SEM電鏡掃描倍數(shù)分別為500、1500倍。

2土樣膨脹變形特性

不同初始含水率試樣膨脹時(shí)程曲線試驗(yàn)結(jié)果見圖3。由圖可知，膨脹曲線具有明顯的時(shí)間效應(yīng)，隨浸水時(shí)間的增加呈現(xiàn)出明顯的快速膨脹、減速膨脹及膨脹穩(wěn)定三階段特征。快速膨脹階段時(shí)長在0～1 h，此階段內(nèi)試樣遇水產(chǎn)生急劇膨脹變形；減速膨脹階段時(shí)長在1～15 h，此階段膨脹速度相比于快速膨脹階段有所減緩；膨脹穩(wěn)定階段時(shí)間較長，膨脹曲線趨近于一條平穩(wěn)的直線。在相同初始干密度的情況下，膨脹變形的快速膨脹，含水率越低土樣膨脹速率越大，初始含水率為11. 54%時(shí)膨脹率最高；隨著初始含水率的增加，膨脹率越來越低，當(dāng)初始含水率為34. 9%時(shí)，膨脹率變?yōu)樨?fù)值，試樣最終呈現(xiàn)出壓縮變形特性。試樣初始含水率與最終穩(wěn)定膨脹率之間的關(guān)系見表5、圖4，兩者之間可以用Asymptoticl 函數(shù)進(jìn)行較好的擬合，擬合度為0. 967，見式（1）。

δef = -7.187 + 20.246 × 0.969^w （1）

考慮膨脹過程的時(shí)間效應(yīng)，劉曉麗等［19］在Huder- Amberg 膨脹本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上建立了修正的一維膨脹本構(gòu)關(guān)系，見式（2）：

ε_t = ε_∞ （1 - e^-kt ） （2）

式中：ε_t 為t 時(shí)刻土樣的軸向膨脹率；ε_∞ 為土樣軸向最終穩(wěn)定膨脹率；k為土樣的吸水膨脹系數(shù)。

利用式（2）對圖3中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，見圖3。研究發(fā)現(xiàn)，不同初始含水率試樣的吸水膨脹系數(shù)值k 并不是一個(gè)恒定值，而是隨初始含水率的增加逐漸衰減，結(jié)果見圖5。由圖可知，在初始含水率小于16. 54%時(shí)，衰減速率較快，呈現(xiàn)直線型下降；初始含水率在16. 54%～30. 21%時(shí)，吸水膨脹系數(shù)衰減速度逐漸變小；初始含水率大于30. 21%后，吸水膨脹系數(shù)衰減速度趨近于0。吸水膨脹系數(shù)與初始含水率之間的擬合關(guān)系見式（3）：

k = 0.162 + 176.751 ? e^-w/4.445 （3）

式（2）為考慮恒定含水率的膨脹本構(gòu)關(guān)系，未考慮含水率對膨脹土膨脹變形特性的影響，不同初始含水狀態(tài)下，膨脹土吸水膨脹變形特性不同。因此，對式（2）進(jìn)行改進(jìn)，引入w 與ε∞，以及w 與k 的關(guān)系，可建立考慮初始含水率影響的膨脹土膨脹變形公式，見式（4）：

ε_t = ε_∞ （w）（1 - e^{-k（w）t ）} （4）

將式（1）、（3）代入式（4）中，可建立土體膨脹變形隨時(shí)間的發(fā)展變化關(guān)系見式（5）：

ε_t = （-7.187 + 20.246 × 0.969^w ）*（1 -^{e（-t）*[0.162 + 176.751*e（-w/4.445） ]} ） （5）

利用式（5）對土樣試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，見圖6，擬合度均大于0. 95，擬合效果更好。

3土樣膨脹前后強(qiáng)度特性

為了探究膨脹前和膨脹穩(wěn)定后2種狀態(tài)的強(qiáng)度指標(biāo)差異，利用Mohr-Coulomb強(qiáng)度公式對不同初始含水率條件下的直剪試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，獲取土樣吸水膨脹前后抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c 和內(nèi)摩擦角φ。見圖7。據(jù)圖可知，吸水膨脹前的土樣c、φ均隨初始含水率增加逐漸減小，說明初始含水率變化對土樣抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響。

膨脹穩(wěn)定后，試樣含水率發(fā)生了改變，見圖8。從圖中可以看出，膨脹穩(wěn)定后含水率總體上呈現(xiàn)不斷上升的趨勢；初始含水率越大，吸水膨脹穩(wěn)定后含水率越大。膨脹吸水量隨初始含水率的增加呈現(xiàn)出先增后減的規(guī)律。膨脹穩(wěn)定后的試樣，c、φ 值隨著最終穩(wěn)定含水率的增加逐漸減小。這是由于初始含水率對土體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)影響較大，吸水膨脹對土體強(qiáng)度的影響，不僅取決于初始含水率，還與土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。

4土樣膨脹前后SEM

膨脹前后土樣的SEM電鏡掃描圖及二值化見圖9、10。二值化圖中黑色區(qū)域?yàn)榭紫叮咨珔^(qū)域?yàn)橥亮！Ｓ蓤D可知，對于膨脹前的土樣，在初始含水率較低時(shí)，土體內(nèi)裂隙、孔隙分布廣泛，土顆粒之間的接觸形式以“點(diǎn)-邊”“邊-邊”為主；隨著含水率的升高，土顆粒逐漸聚集在一起，土體內(nèi)部裂隙、孔隙逐漸變少，土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部無明顯裂隙，孔隙由最初的中、大孔隙逐漸演變成小孔隙，顆粒之間接觸形式由“點(diǎn)-邊”“邊-邊”為主轉(zhuǎn)化為“面-面”接觸為主。試樣吸水膨脹穩(wěn)定后，其內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的改變。吸水后，土樣內(nèi)部的大裂隙明顯減少，內(nèi)部微小裂隙逐漸發(fā)育，且分布趨于均勻。

為定量分析土樣中孔隙特性，基于計(jì)算機(jī)圖像處理軟件IPP，將土樣孔隙按照最小定向徑進(jìn)行定義［20］，用像素面積的大小來表示孔隙的大小，由于本次試驗(yàn)SEM掃描圖所選取倍數(shù)不同，將膨脹前土樣孔隙按照最小定向徑定義如下：①微孔隙，直徑小于4；②小孔隙，直徑4～16；③中孔隙，直徑16～64；④大孔隙，直徑大于64。膨脹飽和穩(wěn)定后土樣孔隙最小定向徑定義如下：①微孔隙，直徑小于12；②小孔隙，直徑12～48；③中孔隙，直徑48～192；④大孔隙，直徑大于192。膨脹前后土樣中各類型孔隙數(shù)量及孔隙面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖11—13。

從圖11可以看出，吸水膨脹前，試樣中以小孔隙為主，微孔隙和中孔隙次之。吸水膨脹后，試樣中以微孔隙為主，小孔隙次之；當(dāng)試樣初始含水量低于26. 54%時(shí)，試樣中微孔隙數(shù)量明顯增加，但隨著含水率的增加，小孔隙增加量變得不明顯。說明土樣吸水后，由于親水性礦物吸水膨脹，導(dǎo)致土體中黏土礦物顆粒的大小、排列方式發(fā)生了較大變化。

由圖12、13可知，在土體含水率較低時(shí)小孔隙和大孔隙面積占比較高，隨著初始含水率的升高，微孔隙和中孔隙面積呈現(xiàn)先增后減的趨勢，小孔隙面積總體呈現(xiàn)下降趨勢，大孔隙面積變化并不顯著。膨脹穩(wěn)定后的土樣，孔隙由小孔隙轉(zhuǎn)為微孔隙，這是因?yàn)榕蛎浲猎谖蛎涍^程中，水與土體的親水性礦物結(jié)合，礦物晶胞間吸水膨脹后，水又進(jìn)入晶胞疊聚體之間，引起疊聚體的分離，進(jìn)而導(dǎo)致礦物顆粒體積變小，孔隙變小，但面積增大。

5土樣吸水膨脹及強(qiáng)度劣化機(jī)理分析

土體吸水膨脹前為固、液、氣三相體系，固體顆粒中既有黏土顆粒也有非黏土顆粒，膨脹土的膨脹性主要是由于土中含有蒙脫石、伊利石、高嶺石等親水性黏土礦物成分，見圖14。黏土顆粒為粒徑為小于0. 005 mm的細(xì)粒，顆粒表面帶有負(fù)電荷，晶格構(gòu)造為2∶1型、1∶1型晶胞，晶胞表面及邊緣吸附有可交換陽離子，晶胞之間的聯(lián)結(jié)力較弱。遇水時(shí)，可交換陽離子的水化作用會(huì)導(dǎo)致晶層之間的膨脹，進(jìn)而引起黏土礦物晶胞疊置數(shù)量減小。隨著水化作用的逐漸完成，在黏土顆粒電場引力作用下，極性水分子和水化陽離子吸附于黏土顆粒周圍，層疊體變得更加不穩(wěn)定，繼續(xù)裂解，進(jìn)而變成更薄的層疊體甚至單晶體，黏土顆粒集合體膨脹。膨脹完成后，大的黏土顆粒會(huì)分解為小的黏土顆粒，顆粒與顆粒之間的排列方式也發(fā)生變化，土中小孔隙變多，孔隙面積變大。伴隨著膨脹作用的逐漸發(fā)揮，在基質(zhì)吸力作用下，水會(huì)繼續(xù)進(jìn)入土體孔隙之中，促使土體孔隙中吸附毛細(xì)水，毛細(xì)水首先占據(jù)土樣中的小孔隙，然后再填充大孔隙。隨著含水率的增加，土體中基質(zhì)吸力逐漸降低，土體慢慢趨于飽和，土體吸水膨脹完成，見圖15。土體吸水后，土顆粒與顆粒之間的膠結(jié)作用變?nèi)酰馏w強(qiáng)度變低。

理想情況下，當(dāng)土體干密度一定、體積一定時(shí)，土中固相顆粒質(zhì)量一定，孔隙率一定，土體吸水膨脹穩(wěn)定后，含水率恒定。但由于初始含水率的不同，土樣中黏土礦物顆粒大小、排列方式發(fā)生變化，所以吸水膨脹穩(wěn)定后，土樣中含水率大小、孔隙的分布形式均發(fā)生了變化。因此膨脹土宏觀上吸水后膨脹軟化，本質(zhì)上受黏土礦物控制，其次是黏土礦物與非黏土礦物之間的結(jié)合形式，即細(xì)觀的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)。

6結(jié)論

a）膨脹土吸水膨脹時(shí)程曲線具有明顯的時(shí)效性，呈現(xiàn)出快速膨脹、減速膨脹及穩(wěn)定膨脹三階段特征；土樣膨脹穩(wěn)定后最終膨脹率隨初始含水率增加逐漸減小；土體吸水膨脹系數(shù)隨初始含水率增加呈指數(shù)函數(shù)形式遞減，并最終趨于穩(wěn)定；考慮初始含水狀態(tài)的膨脹變形公式可更好地模擬不同初始含水狀態(tài)下土樣的膨脹過程。

b）土樣的c、φ值隨初始含水率的增加逐漸減小；吸水膨脹后土樣含水率增加，c、φ 值降低，但膨脹吸水量隨初始含水率的增加先增加后減小。

c）初始含水狀態(tài)下，土樣中以小、中孔隙為主，膨脹穩(wěn)定后以微、小孔隙為主，孔隙面積增加。說明吸水膨脹改變了土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)橥翗又杏H水性礦物吸水后，晶胞變大，晶胞與晶胞之間聯(lián)結(jié)力變?nèi)酰B聚體中晶胞數(shù)量變少，甚至變?yōu)閱尉О令w粒之間的結(jié)合方式改變，進(jìn)而影響了土體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)組合形態(tài)，引起土體吸水后膨脹，并最終導(dǎo)致土體強(qiáng)度劣化。