干湿循环作用下膨胀土变形特性

段尚磊，徐国元，董均贵，钱慧良

(1.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510641；2.桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004)

0 引 言

膨胀土是一种特殊的非饱和土，在我国广西、云南、四川、内蒙古等20多个地区均有不同范围的分布[1]。因其含有蒙脱石、伊利石等亲水性矿物，表现出明显的吸水膨胀和失水收缩特性，且这种随含水率变化而胀缩变形具有反复性[2]。膨胀土的膨胀特性受到密实度、矿物组成、含水率、结构、裂隙等众多因素的影响。其中，含水率因素受外界环境影响最大。大自然的降雨和蒸发作用导致浅层膨胀土存在干湿循环现象，经历多次干湿循环作用后，土体裂隙发育、颗粒破碎、强度降低，导致膨胀土地基上的各种工程建筑物存在重大安全隐患[3-7]。众多专家学者已对膨胀土及其灾害防治进行近60年的研究，然而由于对干湿变化的敏感性及其结构的复杂性，膨胀土灾害仍时有发生。据相关统计，我国膨胀土地区每年有数百万平方米的建筑物受损，直接经济损失高达数亿元，膨胀土地区对建成构筑物的维护费用也高达数千万[8-9]。吸水膨胀是膨胀土成灾的主要形式之一，造成破坏也最严重[10-11]。因为对含水率变化敏感的特性，膨胀土灾害属于具有显著的突发性的地质灾害[12-13]。

随着全球范围内工程建设的全面展开，膨胀土的研究也取得许多新进展。主流研究认为，干湿循环作用对膨胀土来说是弊大于利的，贯入阻力、弹性模量、抗剪强度等各项指标会因干湿循环而出现不同程度的衰减[14-18]。Nicolai David Jablonowski等研究发现，干湿循环作用可促进无机物在土壤中富集，形成具有一定粘结力的胶结物，胶结物的扩容作用会提高膨胀率。经历不同循环次数，富集程度是不同的，其膨胀特性也存在显著差异[19]。Sai K.Vanapall等学者注意到，由于应力状态变化和软化特性，膨胀土的变形很难用当前的一般非饱和土模型进行推算[20]。膨胀率的测试和预测的方法较多，通过初始含水率、塑性指数、初始干密度等简单指标可对膨胀能力进行简单的预测[21-23]。矿物成分、基质吸力、PH值等因素与膨胀性能有良好的线性关系，也可以对膨胀率的大小进行预估[24]。膨胀率常用于表征土体膨胀量的大小，膨胀量与时间的关系往往不是线性的，膨胀的不同阶段都有各自特殊性，而干湿循环作用下不同膨胀阶段的特征及其影响机理尚不明了。

结合前人研究成果，以膨胀土为研究对象，研究不同干湿循环次数下重塑膨胀土吸水膨胀变形能力，探究膨胀过程不同阶段的膨胀特性及其影响机理，从过程角度初步揭示干湿循环对膨胀特性的影响。

1 试验方案设计

1.1 试验用土基本物性

试验所用膨胀土取自广西南宁市西南部地表以下2～4 m之间，为灰白色弱膨胀土，其主要物性参数见表1.根据相关规程[25]可知，该土为弱膨胀土。

1.2 试样制取

为保证试样均匀性，采取静压制样方式。取过2 mm筛的烘干土，分层喷水配制含水率约为12.0%的湿土，密封保存48 h以上使水分均匀后用烘干法测定含水率。按相同干密度1.7 g/cm3，采用千斤顶静压制样，试样直径为61.8 mm，高度为20.0 mm.密度差小于0.2 g/cm3的3个试样为一组，取3个试样变形读数平均值作为该时刻竖向膨胀量。

表1 膨胀土特性参数

1.3 膨胀试验

试验利用固结仪完成，为防止试样膨胀时超出环刀限制范围，试验中环刀直径为61.8 mm，高度为25.0 mm.参照公路土工试验规程(JTG E40—2007)[26]的要求安装好试样，试样竖向不施加荷载。记录百分表初读数，加蒸馏水至稍稍没过试样下底面。试验开始20 min内每隔5 min记录一次百分表读数，开始2 h内每10 min记录一次百分表读数，之后根据试样膨胀速率调整读数时间。当间隔2 h时，2次读数之差小于0.01 mm时，可认为试样膨胀变形达到稳定。拆除百分表，将试样置于40 ℃的烘箱内烘干至恒重，测量干试样高度，如此完成一次干湿循环过程。试样后续膨胀测量及干湿循环过程与第一次操作相同。

2 试验结果及分析

2.1 不同循环次数下膨胀曲线

以试样吸水时间为横坐标，以试样竖向累计变形量(膨胀量)为纵坐标，对比分析0～4次干湿循环下试样膨胀特性曲线(图1)。

图1 不同循环次数下竖向变形与时间关系曲线Fig.1 Relationships between vertical deformation and time under different cycles

2.2 曲线总体走势

试样横向受到环刀的固定约束，只能发生竖向膨胀，竖向累计变形也即是膨胀量。不同干湿循环次数下，试样吸水膨胀趋势相同，随吸水时间增加试样先迅速膨胀，之后膨胀速率减慢，最后膨胀达到稳定。第0次循环时，试样膨胀速率最低，约在230 min后完才成膨胀量的90%.而第1～第4次循环后，试样均在约100 min后就完成膨胀量的90%，之后缓慢达到变形稳定。0次循环试样的吸水过程中，试样初始状态为静压低含水率试样，孔隙大小和分布都较为均匀，水分从试样底部通过毛细作用上升的速度较为均匀且缓慢。待较大孔隙充满水并实现一定膨胀后，水分才能进入颗粒之间的细小孔隙，完成后续约10%的膨胀量。

完成第1次干湿循环过程后，试样经历了脱水过程。脱水时毛细管内水分与试样的浸润角要小于吸水过程的浸润角[27]，从而使试样土粒间距减小，孔隙收缩变小。水分在孔隙内进出流动，使得部分粘粒随之迁移并在孔径缩小位置停留形成孔喉。当试样再次吸水时，细小孔径具有更大的吸力，水分迅速沿细孔上升，使试样在不到2 h内就完成超过90%的膨胀量。孔喉对水分进入存在一定阻挡作用，其内部的孔隙吸水膨胀过程存在一定滞后现象。

各次干湿循环下，膨胀量与时间关系曲线(膨胀曲线)无法用1条曲线进行拟合。以3次干湿循环后吸水膨胀数据为例，根据不同时段试样吸水特性采用3段直线近似拟合。

如图2所示，各膨胀阶段均可用直线拟合，不同阶段拟合直线的斜率不同。用分段拟合符合性较好，相关系数都大于0.9.根据拟合关系式，由不同时间点推算第3次循环后吸水膨胀过程中不同阶段膨胀量，并与实测膨胀量进行误差分析由图3可知，分为3段进行拟合的膨胀数据与实测数据符合良好，其最大误差约为0.1 mm.不同干湿循环次数下，试样吸水膨胀量随时间的变化膨胀曲线用3段直线进行拟合较为合理。

图2 拟合数据与实测数据对比Fig.2 Comparison of the fitted and measured data

2.3 各阶段膨胀速率

试样在各个时间段的膨胀速率存在较大差异，0～30 min快速膨胀阶段，30～90 min减缓膨胀阶段，90 min之后缓慢稳定阶段。将不同干湿循环次数下3阶段膨胀速率曲线列于图3中，横坐标为膨胀阶段，纵坐标为对应图2中各膨胀阶段拟合直线的斜率。

图3 不同循环次数下各阶段膨胀速率Fig.3 Swelling rate at each stages under different cycles

从图3可以看出，第1阶段于第2，3阶段的膨胀速率差距较大，第二、三2个阶段膨胀速率较为接近。对于未经历干湿循环的试样(第0次循环)，膨胀速率随时间增加而逐渐降低，但其各个阶段膨胀速率差距不大。经历干湿循环的试样(第1～4次循环)，各阶段膨胀速率相差较大；第1阶段膨胀速率最大，约为第2阶段膨胀速率的4倍。经历干湿循环试样膨胀速率与吸水阶段之间可近似用对数回归方程来表示，本试验中，k为膨胀速率，x为吸水阶段(取值1，2，3)。

k=-0.0558ln(x)+0.058 4

(1)

试样吸水膨胀过程是孔隙逐渐充满水的过程，也是从非饱和状态逐渐过度到饱和状态的过程。水分从试样底部往上逐渐扩散至整个试样饱和，在达到整体饱和之前总是存在处于非饱和的部分。根据饱和度的不同，俞培基等学者将非饱和土归纳为3种系统阶段，水封闭系统、双开敞系统、气封闭系统[28]。试样吸水膨胀的第1阶段，饱和度较小，只有孔隙气是连通的，而孔隙水则被气和土粒隔开。此时由于毛细水的迁移，土粒与少量孔隙水接触而迅速发生膨胀并形成水膜[29]，孔径收缩将孔隙气压缩并驱赶出试样，使水分可以迅速向深处流动，外部水分可迅速进入孔隙。此阶段试样吸水膨胀迅速，与文中膨胀曲线的第1阶段相对应。随着饱和度的逐渐增加而到达双开敞系统阶段，此时孔隙水与孔隙气都成为连通状态，两者都有各自通向土粒的通道。与水接触的土粒已基本完成膨胀，孔隙气的量减小，局部孔隙堵塞，孔隙气的排除需要更大的压力。故而此阶段试样膨胀速率减缓，与文中膨胀曲线的第2阶段相符。膨胀曲线处于第3阶段时，试样中水分继续增加到达水封闭系统，孔隙中的空气将被分割和包围，以气泡的形式存在。此时只有孔隙水是连通的，气泡之间不连通且量很少，试样继续缓慢膨胀的同时也会将部分气泡排除，试样膨胀已经趋于稳定。

2.4 干湿循环对膨胀变形的影响

经历不同干湿循环次数之后，试样吸水膨胀总变形量明显不同(图4)。经历1次干湿循环后试样吸水膨胀量增加约20%，之后随着循环次数的增加膨胀量依次减小。分析认为，试样径向尺寸大于竖向尺寸，脱水过程中径向收缩量大于竖向收缩量，对土粒形成竖向挤压，导致完成脱水时试样的高度大于20.0 mm，径向尺寸小于61.8 mm.脱水过程中，液体排出孔径收缩，加之液体内部张力作用，对孔壁施加一个收缩力，加大了孔径缩小程度[30]。加之脱水过程试样产生一定量的不可恢复变形，因而试样经历1次干湿循环后，竖向膨胀能力远大于径向。而第2～4次循环后吸水膨胀都是以经历脱水收缩后作为初始状态进行的，不同循环次数之间竖向、径向变形能力差距减小，试样总变形量依次减小。

图4 膨胀量与干湿循环次数关系Fig.4 Relation between the amount of expansion and the number of cycles

试样颗粒破碎也是造成不同干湿循环次数下试样膨胀量差异的重要原因。图5(a)是1次干湿循环后的电镜扫描图像，图5(b)是4次干湿循环之后的电镜扫描图像。1次干湿循环后，试样处于脱水收缩状态，土颗粒间呈堆叠状紧密接触。4次干湿循环后，试样出现明显的裂隙，且大部分裂隙都是沿试样高度方向发展的。裂隙面上的土粒之间横向失去了粘结强度，遇水时即会发生横向膨胀的约束力变小。随着干湿循环次数的增加，试样破碎化程度进一步加重，竖向膨胀变形能力逐渐降低。另外，粘粒表面负电荷密度较大，吸水膨胀时双电层厚度也较大。而随着水分反复流出试样，部分粘粒会随水流失，一定程度上造成竖向膨胀量的损失。

图5 不同循环次数电镜扫描结果Fig.5 Scanning electron microscope of different cycles

非饱和土的基质吸力是水分迁移的重要动力，经历不同干湿循环后基质吸力也存在差异[31]。为进一步探究干湿循环与膨胀特性的关系，测试不同循环次数下试样的土-水特征曲线(SWCC)。文中使用饱和盐溶液法，仅对高吸力条件下吸湿曲线进行测试，借以分析干湿循环对基质吸力的影响。试验使用饱和盐溶液及对应吸力值见表2，土-水特征曲线中水分以质量含水率ω表示(图6)。

图6显示了不同饱和盐溶液提供的蒸汽压，经历不同干湿循环次数后试样吸湿路径下，质量含水率与基质吸力的变化关系。当含水率小于3%时，土水特征曲线趋于稳定，不同循环次数的试样吸力值较为接近。试验说明了经历不同干湿循环之后，试样的基质吸力是不同的，尤其是在高含水率下差异更大[32]。故试样膨胀过程中，第1阶段膨胀速率和膨胀量差距较小，而第2阶段和第3阶段的差距较大。

表2 饱和盐溶液及对应吸力值(25 ℃)

图6 饱和盐溶液法测定土-水特征曲线Fig.6 Soil-water characteristic curves by saturated salt solution method

3 结 论

1)不同干湿循环次数下，试样吸水膨胀变形的趋势相同。膨胀土遇水反应迅速，在较短时间内即可完成总膨胀量的90%，之后膨胀减缓并最终趋于稳定。

2)膨胀曲线各阶段膨胀速率不同，可大致分为快速膨胀阶段、减缓膨胀阶段、缓慢稳定阶段。不同干湿循环次数下的膨胀曲线用3段直线进行拟合较为合理，其拟合最大误差约为0.1 mm.

3)非饱和土水封闭系统、双开敞系统、气封闭系统等3种状态的特征差异，是造成膨胀曲线不同阶段膨胀速率差异的主要原因。

4)不同干湿循环次数下，试样的破碎化程度和基质吸力都存在一定差异，导致膨胀曲线及总膨胀量不尽相同。