复杂边界条件下膨胀土的体变特性与抗压强度研究

李 燕，王斯海, ，朱 锐,

(1. 江苏工程职业技术学院, 江苏 南通 226007； 2. 南京工业大学 交通运输工程学院，江苏 南京 211816； 3. 南京水利科学研究院, 江苏 南京 210029)

膨胀土是一种以膨胀性黏土矿物成分为主的高塑性黏土。在自然环境中，湿度的变化易造成膨胀土反复的胀缩变化及强度的衰减，这对膨胀土地区的建筑物构成了极大的安全隐患[1-3]。鉴于此，诸多学者对膨胀土的体变特性和力学特性展开了试验研究[4-6]。唐朝生等[7]开展了干湿循环过程中膨胀土胀缩变形室内试验研究，认为随着干湿循环次数的增加，膨胀速率逐渐增大，而胀缩变形趋于稳定。魏星等[8]基于非饱和土BBM模型，提出了一个膨胀土本构模型，通过对击实膨胀土胀缩变形试验的模拟，验证了所提模型的有效性和优越性。Lu等[9-10]通过室内试验的方式，探讨了冻融循环对膨胀土物理力学特性的影响，认为在冻融循环过程中，含水率较高的膨胀土体变特性为“冻胀融缩”，含水率较低的膨胀土体变特性则为“冻缩融胀”，第一次冻融循环过程对膨胀土的力学性能有着显著影响。

上述研究较好地揭示了湿干循环或冻融循环条件下膨胀土的胀缩特性和力学特性，但是工程现场膨胀土并非处于单一循环边界条件下，有时是复杂的多场耦合边界。如蔡正银等[11]所研究的北疆供水渠道，渠基土每年经历湿干交替、冻融循环的往复过程，即湿干冻融耦合循环（下文简称为耦合循环），造成了输水渠道显著破坏[12-13]。然而，目前关于耦合循环条件下膨胀土物理力学性质的研究仍然较少，针对耦合循环条件下渠基膨胀土体变特性及力学特性的研究更是鲜见报道。

鉴于此，开展湿干循环、冻融循环及耦合循环条件下渠基膨胀土体变特性和无侧限抗压强度试验研究，探讨不同循环边界条件、不同循环次数等条件下渠基膨胀土的体积变化和强度衰减规律，以期为北疆膨胀土输水渠道的建设与维护提供依据。

1 试样制备与试验方法

试验土料取自新疆阿勒泰地区供水工程建设工地，经过一系列室内试验及测试，土体基本特性如表1所示。按照规范[14]进行分类，该土料属于中等胀缩性膨胀土。

表1 土样基本特性Tab. 1 Basic properties of soils

试验共分为9组，每组包含15个试样。为减小试验误差，每组中3个试样用于每次湿干、冻融及耦合循环后的变形量测，12个试样用于不同循环次数后的渠道基土无侧限抗压强度试验。试样制备过程中，依据土工试验方法标准[15]，首先将取回的土料风干后测定初始含水率，随后碾碎过2 mm筛并按试验方案配制土料，配制好的土料搅拌均匀后密封48 h，以使土体含水率更加均匀。依据所施加的边界条件差异，土料配制方式分为两种：（1）施加湿干循环或耦合循环边界，试样的不同饱和度变幅由干燥至目标饱和度（St）实现，此时由于每次循环的初始过程为湿润过程，试样的初始含水率不影响随后的循环过程，故按照最优含水率计算土料质量及加水量；（2）施加冻融循环边界，循环过程中仅有冻结过程和融化过程时，试样的不同饱和度变幅由设置不同初始饱和度（Si）实现，应依据试验方案按照不同初始含水率（初始饱和度Si）分别计算土料质量及加水量。为便于下文分析，将湿干和耦合循环中的目标饱和度和冻融循环中的初始饱和度统一采用S表示。

试样均为高80 mm、直径39.1 mm的圆柱形重塑样，分3层击实，初始干密度参考现场渠道基土实测干密度，即1.60 g/cm3。制备好的试样分别需经历0、1、3、7次湿干、冻融和耦合循环，如图1所示。湿润、干燥、冻结和融化边界的施加如下：（1）湿润过程对应渠道的通水期，此时基土处于饱和或接近饱和状态，故试样的湿润过程采用抽气饱和法进行模拟；（2）干燥过程对应渠道停水期，此时渠道基土处于持续失水过程，故将试样置于恒温恒湿环境中自然风干（(20±0.5)℃ 和 (50±3)%），期间采用称重法监测试样的饱和度变化，至目标饱和度（St）终止干燥；（3）冻结过程对应渠道现场低于0℃的阶段，采用低温环境箱进行模拟[16-17]，即将试样置于环境箱中冻结24 h，冻结温度设为−20 ℃（现场冻结期平均温度）；（4）融化过程对应渠道现场浅层基土解冻的阶段，将试样置于恒温环境（20 ℃）中自然解冻，融化时间为24 h。为防止冻结过程和融化过程中试样水分损失，采用保鲜膜包裹试样并装入密封袋后施加温度场，经称重法测量并反算，单次冻融循环过程中试样水分损失小于0.5%。同时，在每次循环结束后，采用数显游标卡尺测量试样的高度和直径[9-10]，以获取试样的体积变化量。

图1 循环过程及体变量测方法Fig. 1 Cyclic process and measurement method of volume changes

无侧限抗压强度试验采用YSH-2型无侧限压力仪，竖向加载速率设定为1 mm/min，试样的无侧限抗压强度取3个平行样的均值。需要说明的是，为便于表示，下文图中WD、FT、WDFT分别代表湿干、冻融、耦合循环，C代表循环次数，如WD-Ca-Sb表示S为b的试样经历a次湿干循环，下文不再赘述。

2 试验结果与分析

2.1 体变特性

为更好地表征试样的体积变化规律，引入无量纲参数（体积变化率），定义为试样体积相对于初始体积的变化量（胀为正、缩为负）与初始体积的百分数。

2.1.1 湿干循环 图2为试样体积变化率随湿干循环次数变化的曲线。可以看出，试样在湿润过程中吸水膨胀，在干燥过程中失水收缩，表现出“湿胀干缩”的典型特性。随着湿干循环次数的增加，试样的体积均呈胀缩交替变化的特征。具体而言，S为30%的试样的体积变幅（每次湿干、冻融或耦合过程中的体积变化量，下同）较为稳定，在4次循环后，湿胀及干缩造成的体积变化量趋于恒定；S为70%的试样的体积变化幅度也较为稳定，但湿润过程中的试样体积变化量逐渐减小，造成每次循环后试样的体积变化率呈逐渐减小的趋势。与上述试样不同的是，随着湿干循环次数的增长，S为90%的试样在湿润过程和干燥过程中的体积变化量均显著减小，造成每次循环过程中的试样体积变幅呈下降的趋势，第7次循环过程中的试验体积变幅仅约为第1次循环过程的34.2%。

此外，S分别为30%、70%、90%的试样的饱和度在干燥过程中分别由100%降低至30%、70%和90%，代表了不同的干燥幅度。从图2中还可以看出，S为30%的试样的体积变幅最大，这表明试样的体变特征随着干燥幅度增大而更为显著，这与文献[18-19]中的结论是相符合的。对于这一现象，分析其原因为：在干燥过程中，具有一定胀缩性的试样会出现失水收缩现象，由此产生的裂隙破坏了试样的内部结构，造成试样内部胶结能力的下降，在随后的湿润过程中，试样的吸水膨胀也愈发显著。在反复的湿干循环过程中，较大的干燥幅度代表着更加明显的湿干效应，S为30%的试样的体积变化幅度也因此较大。

图2 试样体积变化率随湿干循环次数变化的曲线Fig. 2 Curve of volume changes with wetting-drying cycles

2.1.2 冻融循环 图3为试样体积变化率随冻融循环次数变化的曲线。可以看出，S分别为70%、90%的试样均表现出“冻胀融缩”的特征；而S为30%的试样在冻融循环过程中则表现出“冻缩融胀”的特征。从土体持水性质的角度来看，原因在于：饱和度较低的土体含水率较低，内部孔隙含较多空气。当环境温度降低时，少量孔隙水冻结造成的体积增长小于膨胀土颗粒失水造成的体缩，故土样在冻结过程中出现了“冻缩”的现象；与之相反的是，当环境温度上升时，孔隙水融化造成的体缩又小于膨胀土颗粒的湿化膨胀量，故土样在融化过程中出现了“融胀”的现象。另外，从图3还可以看出，随着冻融循环次数的增长，试样的体积变幅均有小幅下降的趋势，3组试样的体积变幅最大值分别在第3次、第2次、第1次循环过程中，将3组试样在第7次过程中的体积变幅与其体积变幅最大值相比，分别下降了18.5%、38.4%和35.3%，这主要是因为冻结过程中土体的体积变化是由土体孔隙内水分相变引起的，但这种变形是无法恢复的塑性变形[20]，实质上是对土体的一种损伤，故随着冻融循环次数的增加，试样的体积变幅逐渐减小。

图3 试样体积变化率随冻融循环次数变化的曲线Fig. 3 Curve of volume changes with freezing-thawing cycles

2.1.3 耦合循环 图4为试样体积变化率随耦合循环次数变化的曲线。可以看出，试样在耦合循环过程中的体积变化率不尽相同，但均呈波动变化的特征。其中，S为30%的试样的体积变化率变化趋势较为稳定，且在第3次循环后基本保持不变，而S分别为70%、90%的试样的体积变化率均呈下降趋势。

图4 试样体积变化率随耦合循环次数变化的曲线Fig. 4 Curve of volume changes with coupled wetting-drying-freezing-thawing cycles

此外，由于S为30%的试样在干燥过程中的目标饱和度为30%，较大的干燥幅度造成耦合循环过程中的湿干循环效应较为显著，试样的体积变化幅度在湿润过程和干燥过程中较大，显著高于冻结过程和融化过程。与之相反的是，在S为90%的试样的耦合循环过程中存在着较为明显的冻融循环效应，即冻结过程和融化过程中的体积变幅显著高于湿润过程和干燥过程，这种冻融循环效应随着耦合循环次数的增长逐渐弱化，宏观表现为S为90%的试样在每次耦合循环过程中的体积变幅逐渐减小，这与试样在冻融循环过程中的体积变化规律相一致。S为70%的试样在干燥过程中的目标饱和度为70%，处于S为30%和S为90%的试样之间。在循环初期（第1~4次），S为30%的试样的体积变幅在湿润过程和干燥过程中较大，随着循环次数的增长（第4次往后），其体积变幅在湿润、干燥、冻结和融化过程中较为接近，可以认为试样S为30%的试样在耦合循环过程中受到湿干循环效应和冻融循环效应的耦合作用，它的体积变化过程存在一个叠加效应，这在之前的研究中未见报道。

2.1.4 渠基膨胀土体变规律分析 为便于定量分析试样在湿润、干燥、冻结和融化过程中的体积变化规律，计算试样在湿干、冻融和耦合循环过程中的体变，结果见图5。

图5 不同S值下湿、干、冻、融过程中试样体积变化曲线Fig. 5 Curves of volume changes in wetting, drying, freezing and thawing processes with disserent S

从图5可以看出，当S为30%时，试样在湿润、干燥、冻结、融化这4个过程中的体变规律相似。在湿润过程和干燥过程中，经历耦合循环的试样和经历湿干循环的试样的体积变化趋势较为接近，在第4次循环过后，试样在湿润和干燥过程的体积变化率均趋于稳定。在冻结和融化过程中，经历耦合和冻融循环的试样均呈现“冻缩融胀”的特征，但在第2次循环过后，经历耦合循环的试样的体积变化率显著减小，宏观上表现为“冻缩融胀”现象减弱，与仅经历冻融循环的试样有一定的差异，这表明耦合循环过程中的湿干过程对试样在随后的冻结、融化过程的体变有一定的弱化作用。与之类似的是，当S为90%时，试样在湿润、干燥、冻结、融化这4个过程中均呈现出相似的体积变化趋势。在湿润过程中，经历湿干和耦合循环的试样的体积变化率均在1次循环后骤降，并随着循环次数的增长逐渐趋于0。在干燥过程中，经历湿干和耦合循环的试样所呈现的体积变化趋势与图5（b1）相近，但由于试样干燥幅度较小，因而体积变化率显著低于图5（b1）中的试样。在冻结和融化过程中，经历冻融和耦合循环的试样均呈现出“冻胀融沉”的特征，但随着循环次数的增长，经历耦合循环的试样的体积变化率逐渐小于经历冻融循环的试样，这与S为30%的试样（经历耦合循环）所呈现的“体变弱化”现象较为一致。

对于这种“体变弱化”现象，分析其原因为：相比于冻融循环条件下的试样，耦合循环条件下的试样首先经历湿干过程，在这一过程中，试样内部出现微裂隙，这些微裂隙会发生竖向拓展，随后偏转并在一定深度处汇聚，造成试样内部部分颗粒间的距离增大[21]。在此基础上，温度场的变化所造成的冻胀融沉变形及水分相变引起的土体吸水膨胀、失水收缩都略有衰减，宏观上表现为耦合循环过程中的湿干过程对试样在随后的冻结、融化过程的体变有一定的弱化作用。

另外，当S为70%时，试样在湿润、干燥、冻结、融化这4个过程中的体变规律并不完全一致。在湿润过程中，经历湿干循环的试样所呈现体变趋势与图5（a1）相似，而经历耦合循环的试样的体积变化率在1次循环后骤降，并随着循环次数的增长，出现一定的波动；在干燥过程中，经历湿干和耦合循环的试样均呈现出与图5（b1）一致的体积变化趋势，但经历耦合循环的试样的体缩显著小于仅经历湿干循环的试样。在冻结和融化过程中，经历冻融循环的试样呈现出“冻胀融沉”的特征，经历耦合循环的试样在循环前期也出现了“冻胀融沉”的现象，但随着循环次数的增长，经历耦合循环的试样则呈现出“冻缩融胀”的特征，这表明70%左右的饱和度可能为试样发生“冻胀融沉”和“冻缩融胀”的临界饱和度。

2.2 强度特性

2.2.1 应力-应变关系 图6和7分别为不同边界条件和不同S下试样应力-应变关系曲线。可以看出，在湿干、冻融以及耦合循环条件下，具有相同S试样的应力-应变关系曲线变化特征较为一致，均为软化型。依据吴旭阳等[22]的研究，不同边界条件和S下试样的应力-应变关系曲线类型可分别划分为强软化型、一般软化型和弱软化型，这与S值有较大关联。当S取30%时，无论是湿干循环、冻融循环，还是耦合循环条件下，试样的应力-应变关系均为强软化型，即在较小的应变内保持较高的强度；当S取70%或90%时，试样的应力-应变关系多呈一般软化型和弱软化型。

图7 不同S下试样应力-应变关系曲线Fig. 7 Curves of strain-stress relationship with different S

2.2.2 抗压强度 图8为不同边界条件和不同S下试样抗压强度随循环次数的变化曲线。可以看出，在湿干、冻融以及耦合循环条件下，具有相同S的试样的抗压强度随循环次数的变化趋势较为相似，均随着循环次数的增长而下降，随后逐渐趋于稳定。当S取30%时，经历7次湿干循环、冻融循环、耦合循环后，试样的抗压强度分别降低了37.2%、25.3%、46.9%。当S取70%和90%时，第1次循环过程造成了试样的抗压强度大幅下降，这与文献[9-10,21]中所报道的一致。经历7次湿干循环、冻融循环、耦合循环后，试样的抗压强度分别降低了53.2%、48.2%、55.7%和48.2%、55.1%、59.1%。

图8 不同边界条件下试样抗压强度随循环次数的变化曲线Fig. 8 Curves of strength variation with cycles under different boundary conditions

从图8还可以看出，耦合循环条件下试样的抗压强度衰减最为显著，而湿干循环和冻融循环条件下试样的抗压强度衰减程度则与S值相关。当S取30%和70%时，相比于冻融循环，湿干循环条件下试样抗压强度的衰减更为明显；当S取90%时，冻融循环条件下试样抗压强度的衰减则比湿干循环条件下要显著。可以认为，对于S值较大的试样，冻融循环造成的强度损伤更为突出。

3 结 语

（1）在湿干循环过程中，试样的体积均呈胀缩交替变化的特征，在4次湿干循环后，湿胀及干缩造成的体积变幅趋于恒定。在冻融循环过程中，随着冻融循环次数的增长，试样的体积变幅逐渐减小。

（2）在耦合循环过程中，试样的体变呈波动变化的特征。饱和度较小的试样由湿干循环效应产生的体变更为明显，饱和度较大的试样由冻融循环效应产生的体变更为显著，也就是说试样的体变特性受到湿干效应和冻融效应的综合影响，试样发生“冻胀融沉”和“冻缩融胀”的临界饱和度约为70%。

（3）相比于仅经历冻融循环的试样，经历耦合循环的试样在冻结和融化过程中的体积变化率均显著减小，可以认为耦合循环中的湿干过程对于试样在后续冻结、融化过程的体变有一定的弱化作用。

（4）耦合循环条件下试样的抗压强度衰减最为显著，7次耦合循环后，试样的抗压强度降低了46.9%~59.1%。而湿干循环和冻融循环条件下试样的抗压强度衰减程度则与饱和度相关。