干湿循环作用下红黏土湿化特性试验研究

易 亮朱建群，龚 琰

(1.湖南科技大学 土木工程学院，湘潭 411201； 2.常州工学院 土木建筑学院，常州 213200)

参 考 文 献



干湿循环作用下红黏土湿化特性试验研究

易 亮1朱建群2，龚 琰1

(1.湖南科技大学 土木工程学院，湘潭 411201； 2.常州工学院 土木建筑学院，常州 213200)

将取自贵州黔东南地区的红黏土制备成不同含水率试样，通过自制的试验设备对红黏土的湿化崩解特性进行定量分析，探讨不同干湿路径及多次干湿循环条件下黏性土湿化崩解的一般规律.试验证明随着干湿循环次数的增加，试样的湿化崩解程度呈递增趋势，其中先经历脱湿处理的试样湿化崩解更为明显.

干湿循环；黏性土；湿化特性

0 前 言

根据地球科学词典中工程地质学中的记载，湿化特性对于黏土而言，是指由于土粒间的结构联结和强度的丧失，使得土体崩散解体的特性.土的湿化特性给实际工程带来的危害是经常且普遍的，如边坡滑塌、道路泥泞等.特别是对于路基工程而言，以黏性土为路基填料时，土的湿化会造成路堤下沉、翻浆冒泥等现象.

国内外很多学者对于岩土体的湿化特性进行了相关的研究工作，并取得一定成果.在1967年Terzaghi等[1]提出：岩土体脱水干缩使得吸湿能力增强，当浸水后，在吸湿力的作用下，水从岩土体干缩形成的裂隙通道中渗入，而孔隙中的空气因水的侵入而在岩土体内部被压缩，随着含水率的增加，内部压力增大，最终导致岩土体发生崩解破裂.Phienwej(1987)[2]通过试验也得出了上述观点.李喜安[2]等利用自制崩解仪对黄土的崩解性进行分析，得出黄土崩解以崩离、迸离和解离可分为形式，天然含水量越高可以减小黄土的崩解性.国内外学者对膨胀土、风化花岗岩等的湿化崩解性有较多的研究，但对红黏土的相关研究特别是多次干湿循环的影响涉及较少，需要学者对其做深入研究.

本文利用自制的改进称量法对不同干湿循环下红黏土的湿化特性进行试验研究，分析不同干湿循环次数及干湿路径对红黏土的湿化崩解特性的影响.

1 试验仪器及步骤

1.1 试验仪器

湿化崩解特性的试验方法主要有观察法、浮筒法.观察法主要是定性分析试样的湿化崩解，而运用较广的浮筒法在实际操作过程中存在浮筒晃动、水泡附着浮筒的情况，且当试验土体为黏性土时，湿化崩解过程较为缓慢，不利于长时间的观察.针对以上情况本文利用静水力电子天平及铁丝网自制湿化仪，通过称量浸泡在水中试样重量的变化，定量分析土体的湿化特性，试验设备照片及细节如图1所示.置放土样的网格板为10 cm×10 cm,网孔大小为1 cm×1 cm，试样采用标准环刀规格，体积V=60 cm3.该方法可适用于各种土质的湿化试验，且试验数据通过电子屏显示，测量方便，数据准确.

图1 改进的称量法

根据《公路土工试验规程》中的崩解率公式的定义及简文彬[4]所得出的公式，推导出改进称量法的崩解率公式如下：

式中：At-试样在时间t时的崩解量(%)，计算至0.01；m0-初始放入静水力天平水中的读数，g；mt-时间t所对应的读数,g；me-铁丝方格网空载时水力天平读数,ge.

1.2 试验步骤

(1)制备试样

试验所用土样均来自黔东南凯羊高速公路沿线，试验前需将土样风干、碾散且取出杂石和树枝，过2 mm筛，确保每组试样中土粒级配及风干程度一致.试验土样的基本物理力学性质如表1所示，击实试验所得到的红黏土最优含水率wop=32.09%、最大干密度ρdmax=1.412 g/cm3,土样的颗粒分析结果为粘粒(<5 μm)含量约为65%，其中胶粒(<2 μm)含量高达58%，而砂粒(>0.05 mm)含量约为13.5%.按照方案设定的不同含水率和压实度，计算所需的风干土量和需加水量，对土样进行增湿养料，称取定量的试样土料，通过击样法将重塑土制备成标准环刀尺寸.

表1 土样基本物理性质

(2)测定瞬时稳定读数

土样悬架空载放入水槽中，将电子天平读数置零.环刀土样放置在密封盒中，用绝缘胶带进行密封，如图2所示.放入水中的网格板，记录读数ma，此时的读数是由试样湿化的瞬时读数m0和试样与密封盒间隙中的空气产生的浮力共同作用得到的，需要进行修正.

图2 密封试样

将与环刀同尺寸的铁块放入水中的网格板上，记录此时读数m1.铁块取出放入密封盒中，并用绝缘胶带密封，一并放入水中的网格板上，记录此时读数m2.忽略土样在试样过程中的体积变化，利用不发生湿化崩解的铁块，可以测得试样与密封盒之间空气产生的误差值，即修正值mb，mb=m1-m2.综上可得瞬时稳定读数m0=ma+mb.获取瞬时稳定读数的方法还有蜡封法，密封法与之相比不会造成试样的破坏，且操作简单.

(3)崩解试验

制备好的试样测定m0后，将试样置于水槽中的网格板中央，土样悬架挂在静水力天平的底部挂钩处，然后迅速浸入水槽中，同时开动连拍照相设备.

(4)收集试验数据

将试样的在水中的初始崩解情况、崩解中情况及最终崩解情况拍摄下来.记录试验开始的前2 min中天平每秒的读数，以及5 min、8 min、15 min、20 min、40 min、60 min、90 min、120 min静水力天平显示的读数，可根据试验情况适当的缩短或延长测量时间.在实际试验操作过程中可以从以下两点来确定湿化崩解的完成：①气泡，当土样在湿化崩解过程中，会存在吸湿增重的过程，如果气泡停止产生且重量不在增加则试样湿化崩解基本完成；②根据试探试验及文献[5]，在不产生气泡后，崩解读数稳定至0.5 h不再改变即可，确保试验至少进行2 h.

1.3 试验方案

(1)不同循环次数试验方案

通过循环次数和幅度来控制干湿循环对于红黏土性质的影响.红黏土在实际工程中主要通过压实作为路基填料，将试验土样含水率分别设定为29%、32%、35%、38%，压实度K为90%.从零循环开始至三循环终止，土样共经历三次干湿作用，共四组土样，试验流程如图3所示.

图3 试验总流程图

干湿循环的操作方法：增湿是将制好的环刀土样编号放置，并借用三轴试验中的饱和器夹具进行稳固，相邻土样环之间放置透水石及滤纸，采用浸水的方式进行增湿，时长为两天；脱湿是将土样从饱和器夹具中取出，放置在30 ℃的烘箱中一天，然后移置天然条件下开动电风扇，小风吹两天，使试样水分均匀并产生裂缝，总时长为三天.由浸水增湿到风干脱湿如此反复，以达到多个往复循环的目的.根据称量法控制脱湿进度和增湿进度，用保鲜膜进行包裹，并放置在大密封盒中进行养料.

(2)不同干湿路径试验方案

试验流程如图3所示，对比压实度K=90 %、含水率w=32%的试验土样经历干线、湿线的试验结果，研究不同湿度路径对湿化崩解特性的影响.干线是指初始制作的土样先进行脱湿，然后再进行增湿，并依次循环往复；湿线则先进行增湿.

2 试验结果及分析

2.1 干湿循环次数对红黏土湿化崩解的影响

干湿循环的作用就是改变土体颗粒间的相对位置、胶结物状态、颗粒的直径及形状，而多次干湿循环会使得这些改变加剧，并将这些改变进行累积.本试验共进行三次干湿循环，对比各循环中不同含水率试样的未崩解率，研究干湿循环次数对红黏土湿化崩解的影响, 定义未崩解率为崩解后剩余固体土颗粒质量与试样原固体质量(压实度90%所对应的干土质量为76.24 g)的百分比.相关结果如表2、图4所示.

表2 不同含水率不同循环次数下同一压实度(90%)的试样结果

结果分析：由表2可知，不同循环次数土样，随着干湿循环次数的增加试验后土样剩余质量递减；四条曲线走势均呈凸形，即在最优含水率区间内(32%～35%)未崩解率最高

由此可知干湿循环对土样的湿化崩解有较为明显的影响，且随着次数的增加，土样受湿化崩解作用的影响增加，而处于最优含水率的试样能较好的抵御湿化崩解.干湿循环过程中土体随着含水率的变化而发生干缩、湿胀状态的更替，其发生的体变实质是土体内土团粒的相互错动，引起土中微小孔隙贯穿扩大及裂隙数目的增加，同时非水稳性胶结物随着湿胀过程中水的浸入而发生碎裂，遇水膨胀性矿物质的形态也发生着变化，经历以上改变后的土样进行湿化崩解试验时，累积在土样上的干湿循环效应使得湿化崩解进一步加强，即随着干湿循环次数的增加，湿化崩解程度逐渐加剧.

图4 不同循环次数、同一压实度下含水率与崩解关系曲线

2.2 干湿路径对红黏土湿化崩解的影响

进行湿度路径试验研究的目的是通过改变脱湿或增湿的先后次序，对比得出那种条件对土样的湿化崩解特性影响较大.结合现场施工的工况，本文用最优含水率32%下压实度为90%的试样进行试验.

通过对比不同循环次数下湿化崩解完后的试样图片及未崩解率，对干湿路径这一影响因素进行研究.表1中湿化崩解后的试样如图5、图6所示，从左至右依次为经历一、二、三循环后的湿化崩解完成土样.相关数据如表3所示.

表3 不同湿度控制路径试验结果

图5 干线下不同循环次数湿化崩解后的土样

图6 湿线下不同循环次数湿化崩解后的土样

由上可知：干线条件下(即土样先经历脱湿再经历增湿)，土样的湿化崩解进程较快，当循环次数达到三次时，干湿路径对应的试样湿化崩解程度相近.干线和湿线最主要影响的是土体裂隙的发育，干线的土样先经历脱湿至彻底，此时由于水分的丧失，使得原有的胶结能力被破坏，直接导致裂隙增加和扩大，随后的增湿水分便沿着发育的裂隙浸入土体内部，进而使得土体快速的崩解；随着干湿循环次数的增加，当循环达到三次后，由于循环过程中的脱湿和增湿的交替，土中胶结物已被逐渐溶解，孔隙被贯通和扩张，使得土样的结构被改变，土体的持水性能降低，此时湿度路径对土体的湿化崩解影响不再明显.

3 结 论

综合上述内容可得到以下结论：

(1)采用自制的湿化仪进行试验，该方法操作简单，数据读取方便.以密封法代替蜡封法测定瞬时稳定读数，操作简单，且避免对试验土样造成损害.

(2)分析干湿路径、干湿循环次数对红黏土湿化崩解特性的影响.干线条件下试样的湿化崩解较快，当达到三次干湿循环后，湿度路径的影响效果被削弱；在零循环阶段，湿化崩解程度随着初始含水率的增大而递增；随着干湿循环次数的增加，试样的湿化崩解程度逐渐加剧，但在最优含水率附近的试样受干湿循环的影响较小.

参 考 文 献

[1] 颜 波,汤连生,胡 辉,等.花岗岩风化土崩岗破坏机理分析[J].水文地质工程地质,2009(6): 68-71.

[2] Phienwej N. Ground Response and Support Performance in a Sheared Shale. Ph. D. Thesis, 1987.

[3] 李喜安,黄润秋,彭建兵.黄土崩解性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(增1):3207 -3213.

[4] 简文彬,陈文庆,郑登贤.花岗岩残积土的崩解试验研究[J].中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术.北京:建筑工业出版社,2003.

[5] 李喜安,黄润秋,彭建兵.黄土崩解性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(增1):3207 -3213.

[6] 张 泽,马 巍,PENDIN Vadim V,张中琼,何瑞霞.不同含水量亚黏土的崩解特性实验研究[J].水文地质工程地质,2014(4):104-107.

Study on Wetting Properties of Red Clay Under Drying and Wetting Cycles

YI Liang1,ZHU Jian-qun2,GONG Yan1

(1.School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China;2.Institute of Civil Engineering and Construction,Changzhou Institute of Technology, Changzhou 213200,China)

In this paper,by making the unsaturated red clay taken from the southeast of Guizhou province in to samples with different water contents their wetting properties are stadied,By doing the quantitative analysis of the wetting disintegration properties of the red clay through the self-made test equipment,the general rules of disintegration properties under various drying and wetting path and cycle condition are disacssed. The result turns out that with the increase of the drying and wetting cycle times,the degree of the sample disintegration increases,and the sample disintegration is more obvious for the sample which undergoes the drying process first.

drying-wetting cycle; cohesive soil;wetting property

2015-04-09

湖南科技大学研究生创新基金资助项目(S130013).

易 亮(1988-)，男，硕士研究生,研究方向:岩土工程.

TU411

A

1671-119X(2015)03-0087-04