弥勒原状及压实膨胀土的土水特性及体变特性

王一博 ，陈锋，潘高峰 ，何宗弈 ，郑亦轩 ，袁胜洋 ,

(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2.西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点工程实验室，四川 成都 610031；3.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；4.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

土水特征曲线是非饱和土力学中的基础本构关系，描述了土体吸力与土体含水量之间的关系[1−2]，通过土水特征曲线的2个特征值点：空气进气值和残余含水率[3]，将土水特征曲线分为3个阶段：边界效应区、过渡区和非饱和残余区。此外，通过土水特征曲线可以研究非饱和土的强度、变形和渗透特性[4−8]，因此，土水特征曲线是评价土体持水性能的重要指标。针对膨胀土的土水特征问题，孙德安等[9-13]分别从应力历史、土体初始含水率、初始干密度、上覆应力和应力状态角度研究膨胀土土水特征的影响因素。对于土颗粒而言，土体的孔隙尺寸小，那么对应于土水特征曲线上的进气值高，土体的持水性强。为探讨土体结构对土水特征曲线的影响，郑方等[14]通过比较原状土和压实土的土水特征曲线，发现二者并不重合。李华等[15]通过比较原状和重塑黄土的土水特征曲线，得到原状土进气值较小的结论。膨胀土具有失水收缩和吸水膨胀的特性，其土水特征特性与体积变化之间存在相互作用。刘丽等[16]通过试验研究，发现土体的变形会改变土体内部的孔隙结构，进而改变土水特征曲线。现有研究大多针对土水特征的影响因素展开，较少从微观角度研究膨胀土在胀缩过程的体变特性与持水特性。为进一步研究膨胀土在吸水失水的过程中其微观结构的变化，进而研究体变对土水特征的影响，本文以弥勒原状及压实膨胀土为研究对象，开展土水特性试验及微观测试试验，对原状及压实膨胀土的持水特性和变形特性进行对比分析。

1 试验概况

1.1 试验材料

弥蒙铁路北起弥勒站，南至蒙自站，建设全长107 km，沿线设8个车站，建造标准为250 km/h双线电气化铁路。该区段膨胀土呈浅灰、褐黄、灰绿等色，硬塑状，土质不均，局部夹薄层粉细砂、细圆砾，偶夹钙质结核。广泛分布于测段内，厚度大于20 m，具中等强膨胀性。取测区28组土样做膨胀性试验，阳离子交换量CEC(NH+4)为188.8～695.8 mmol/kg， 蒙 脱 石 含 量M=9.34～58.81%，自由膨胀率Fs=39～94%。据试验判定其强膨胀土13组，占46%，中等膨胀土13组，占46%，弱膨胀土2组，占8%，综合判定为中等～强膨胀土。其中一组的基本物理特性指标如表1所示，根据《铁路工程岩土分类标准TB10077—2019》对弥勒膨胀土的指标及膨胀势的判别如表2所示。

表1 基本物理力学指标Table 1 Basic physical properties

表2 膨胀土的指标及膨胀势的判别Table 2 Indicators of expansive soil and discrimination of expansive potential energy

1.2 试验方法

1.2.1 制样

原状土样直径为25 mm，高度为10 mm。增湿路径的土样放置在密闭的增湿箱，通过加湿器产生蒸汽进行增湿；而干燥路径的试样则放置在空气进行干燥。当试样到达目标含水率后，用保鲜膜包裹，7 d稳定后取出测量吸力、体积和含水率。

1.2.2 吸力量测

对原状及压实膨胀土的吸力测试采用高量程吸力计(HCT)及冷镜露点水势仪(WP4C)结合的方式对膨胀土的吸力值进行量测。当吸力低于1 000 kPa时，采用高量程吸力计(HCT)，当吸力高于1 000 kPa时，采用WP4C进行测量。

1.2.3 体积量测

通过使用高精度天平(1/10 000 g)和专门设计的土样样品架，浸入硅油中来确定样品的总体积。在具体的测量过程中，先将样品网浸入硅油中，再将土样缓慢放入网中，浸入硅油中。平衡后，记录天平的数字读数moil(等于空气中土壤样品的重量与油中土壤样品的重量之差)。样品的总体积可以计算为：

式中：moil等于空气中土样的质量与油中土样的质量之差；ρoil代表硅油的密度，大小为0.942 5 g/cm3。通过该方法测量土样的体积，并且通过体积来计算土样的孔隙比，可得到较为精确的土样孔隙比。图1为体积量测的装置示意图。

图1 土样体积量测图Fig.1 Measure volume

1.2.4 环境扫描电镜法(SEM)

扫描电子显微镜(SEM)是一种介于透射电子显微镜和光学显微镜之间的一种观察手段。利用高能电子束扫描样品，成像得到物质的微观形貌。由于土样不具备导电性，在进行扫描电镜测试前需要进行喷金操作，之后利用JSM-IT500扫描电子显微镜，选择合适的放大倍数，聚焦，拍照。

1.2.5 压汞法(MIP)

压汞仪(AutoPore IV 9500全自动型)使用汞侵入法来测定总孔体积、孔径分布、孔隙率、密度和传输性，用来分析粉末或块状固体的开放孔和裂隙的孔尺寸和孔体积及其他的参数。通过对膨胀计进行密封、装样、低压分析、高压分析和清洗等一系列操作，得到膨胀土样总孔体积和孔径分布等数据。

2 试验结果与分析

2.1 土水特性

膨胀土在干燥和增湿过程会发生明显体积变化，因此，为了更好地表达其土水特性，考虑孔隙比的变化，通常采用体积含水率表示。质量含水率与体积含水率具有如式(2)的转换关系：

图2为原状及压实土体积含水率与吸力的关系曲线。原状土初始点对应的含水率为46.57%，吸力为98 kPa，压实土初始点对应的含水率为47.84%，吸力为200 kPa。从图2可以看到，在饱和状态时压实土的体积含水率比原状土大，原状土的饱和体积含水率为52%，而压实土的饱和体积含水率为59%。随着吸力的逐渐增加，体积含水率先保持不变，然后逐渐降低，压实土的体积含水率下降速率较原状土更大。这说明在吸力变化的过程中，原状土具有较好的持水特性。当吸力大于20 MPa后，原状土与压实土的土水特征曲线基本重合。这说明在低于某一临界含水率过后，土的宏观颗粒对吸力的影响不明显，此时影响吸力变化的主导机制为吸附作用。

图2 原状及压实土体积含水率与吸力的关系曲线Fig.2 Relationship of volume water content ratio and suction about intact soil and compacted soil

图3为原状及压实土饱和度与吸力的关系曲线。原状土初始点对应的吸力为98 kPa，饱和度为0.966，压实土初始点对应的吸力为200 kPa，饱和度为1。从图3可以看到，随着吸力的增大，饱和度先保持不变，而后逐渐减小。对比原状土和压实土可以发现，原状土在较大的吸力范围内保持饱和状态，这主要是由于原状土较好的持水特性导致。而后当吸力大于10 MPa后呈线性减小。而压实土则在较小的吸力范围内(40 kPa)保持饱和状态，这主要是由于压实土具有较多宏观构造孔隙，导致其持水特性较差所致。随后先以较小的斜率逐渐减小，最后(20 MPa)以与原状土相近的大斜率线性减小，饱和度与吸力近似呈三段式线性递减规律。这主要是由于原状土在自然环境中经历了多次干湿循环，形成了较为稳定和均匀的土颗粒结构，因此当吸力大于进气值后，饱和度能够随着吸力呈线性稳定降低。而压实土在压实制样过程中，形成了不同大小的构造孔隙，因此在脱湿过程中饱和度呈分段式线性减小。

图3 原状及压实土饱和度与吸力的关系曲线Fig.3 Relationship of saturation and suction about intact soil and compacted soil

图4为实测数据与2种经典土水特征模型拟合曲线对比结果。从拟合结果可以看到，拟合曲线与实测数据在全吸力范围内几乎重合，说明这2种经典的土水特征模型对弥勒膨胀土土水特征具有较好的适用性。从饱和度的拟合曲线结果中，可以得到土水特征曲线的特征值：原状土的进气值约为12 MPa，去饱和点的吸力约为2.2 MPa，残余吸力值约为260 MPa，残余饱和度约为0.05。压实土的进气值约为10 MPa，去饱和点的吸力约为40 kPa，残余吸力值约为320 MPa，残余饱和度约为0.2。对比特征值数据可以发现，原状土的去饱和点吸力与进气值的差值较小(9.8 MPa)，而压实土相对较大(9.96 MPa)。而原状土的残余饱和度相对较小，但对应的残余吸力相对压实土则更大。这再次说明了在极干状态下，试样的吸力与土颗粒结构无关。

图4 土水特征曲线模型拟合结果Fig.4 Fitting results of SWCC models

2.2 体变特性

为了更好地表示弥勒膨胀土随含水率变化过程的体积变化，将质量含水率与孔隙比e之间的关系绘于图5。从图5可以看出，随着含水率的减小，收缩曲线主要分成3个部分：正常收缩、残余收缩和极限收缩。在正常收缩阶段，含水率与孔隙比e呈线性关系，此时试样处于饱和状态，收缩曲线轨迹与饱和线完全重合，随着含水率的降低呈线性收缩。在残余收缩阶段，随着含水率的降低收缩速率逐渐减缓，此阶段试样处于非饱和状态。随后试样进入极限收缩阶段，此阶段试样孔隙比几乎不变，即体积不再随着含水率的减小而收缩。对比原状土和压实土可以发现，原状土的正常收缩区间较压实土大，能够在较大的孔隙比变化区间保持饱和状态；但原状土的残余收缩区间相对较小，即非饱和收缩区间较小，随着含水率的减小能够较快进入极限收缩阶段。同时不难发现，原状土的极限收缩稳定孔隙比压实土的小，这主要是由于压实土在压实过程中形成了较多较大的构造孔隙，且这些孔隙很难在收缩过程中完全消失所致。

图5 原状土与压实土收缩曲线Fig.5 Shrinkage curves of intact soil and compacted soil

为了较好地对比原状土与压实土在全吸力范围内的变形特性，分析土水特征曲线上不同状态的土样膨胀变形规律，将变形情况与极干状态(土样含水率约1%)的尺寸进行归一化处理，得到不同持水状态下的体变参数ΔV，径向应变参数ΔD及轴向应变参数ΔH，其计算方式如式(3)～(5)所示：

其中：Vt，Dt和Ht分别表示试样体积、直径和高度；Vmin，Dmin和Hmin分别表示试样在极干状态下的体积、直径和高度。

图6为归一化处理后的试样体积变化率与含水率的关系。从图6可以看出，原状土与压实土在含水率变化过程中表现出了不同的体变规律：原状膨胀土的最大体变率较压实土的小(原状ΔVmax=0.61；压实ΔVmax=0.80)。在增湿过程中，压实土可以达到较大的饱和含水率值(原状土wmax=42%，压实土wmax=55%)，并且在全吸力范围内，相同的含水率下压实土的体变率均相对原状土更大(12%＜w＜35%)或者相等(w＜12%和w＞35%), 这主要是压实土与原状土中的土颗粒间存在较大区别所致，原状土颗粒结构致密，在含水率变化过程中体变相对较小。

图6 体积变化率与含水率的关系Fig.6 Relationship of volume change ratio and water content ratio

这可以从微观结构得到验证，如图7为原状土和压实土的饱和状态下的SEM微观结构，从图7可以看到，在相同放大倍数下(2 000倍)，原状土的孔隙结构较为均匀；而压实土在饱和状态下的孔隙均匀度较差，不仅具有小孔隙，还具有明显的粒间大孔隙及裂隙。这也是造成压实土往往随着含水率的变化体积变化更大的原因。图8为原状土和压实土的极干状态下的SEM微观结构，从图8可以看到，宏观孔隙明显减少，微观孔隙逐渐增多，颗粒排列越来越紧密，与原状土相比，压实土的颗粒堆积方向性更为明显。

图7 原状土及压实土饱和状态的SEM图像Fig.7 SEM figures of intact soil and compacted soil in saturation condition

图8 原状土及压实土极干状态的SEM图像Fig.8 SEM figures of intact soil and compacted soil in limit drying condition

图9(a)为原状土和压实土的饱和状态下进行的压汞试验的孔径分布曲线。从图中可以发现，饱和原状土的孔径分布为均为双峰形态。若以0.3 μm为宏微观临界孔隙，可以看到原状膨胀土的宏微观孔隙密度相当，而压实土宏观孔隙密度明显大于微观孔隙，即在相同孔隙比下，压实土相对原状土具有更多的宏观大孔隙，从而导致原状土具有更好的保水特性。另外，由于土体体积的变化主要是由宏观孔隙的变化所导致，因此当试样充分饱和后，压实土相对原状土具有更大的体变率。

图9(b)为原状土和压实土的极干状态下进行的压汞试验的孔径分布曲线，从图中可以看出，当含水率极低时，压实土与原状土的孔径分布曲线的形态均为单峰形态，其峰值孔径大小相当(均为0.03 μm)，分布曲线基本重合，说明此时原状土与压实土的孔隙结构相似，这也是导致原状土与压实土的土水特征曲线在高吸力区间重合的原因。

同时，通过对比图9中原状土在饱和状态与极干状态的孔径分布，可以看出，孔径分布曲线形态由双峰变为单峰，且微观孔隙向小孔径移动，峰值变小，说明在原状土失水过程中，宏观孔隙不断收缩减小直到消失，而微观主孔隙不断减小，且微观孔隙密度有所减小。压实土宏观孔隙变化规律与原状膨胀土类似，但不同的是，微观孔隙密度有所增加，这主要是由于压实土中大量的宏观孔隙在收缩过程将部分孔隙转化成了微观孔隙所致。

图9 原状膨胀土及压实膨胀土的孔径分布曲线Fig.9 Pore size distribution curves of intact soil and compacted soil

图10分别是原状和压实膨胀土轴向应变及径向应变与含水率的关系。从图10可以看出，无论是原状土还是压实土，随着含水率的变化，轴向和径向上的应变先是保持相同，随后达到一定含水率后(原状土25%，压实土20%)轴向上的应变更大，并且随着含水率的增加逐渐明显，最终原状土的最大轴向应变为0.225，最大径向应变为0.15；压实土的最大轴向应变为0.28，最大径向应变为0.18；对比原状土与压实土可以发现，随着含水率的增加，原状土的应变曲线斜率逐渐增大，而压实土的斜率逐渐减小，并且原状土在轴向和径向的应变差异性相对较小(ΔHmax-ΔDmax=0.075)，而压实土较大(ΔHmax-ΔDmax=0.1)。这也说明了原状土在变形过程的各向异性效应相对压实土较弱。

图10 轴向应变及径向应变与含水率的关系Fig.10 Relationship of axial，radial change ratio and water content ratio

图11为原状土及压实土轴向与径向应变率之间的关系，从图11可以看出，原状土在体变较小的时候，轴向与径向应变发展几乎同步，而后在径向应变达到0.125过后，轴向应变增加较快，相对增长斜率K1约为2.4。而压实土轴向与径向应变的增加速率相对稳定，在径向应变大于0.06后略有增大，轴向应变占优，相对增长斜率K2约为1.46。

图11 原状土及压实土径向与轴向应变之间的关系Fig.11 Relationship of radial change ratio and axial change ratio of intact soil and compacted soil

3 结论

1) 在相同初始含水率和干密度下，原状膨胀土相对于压实土具有更好的持水性能。吸力小于20 MPa时，相同含水率下原状土具有更大的吸力值；吸力大于20 MPa后，原状土与压实土的土水特征曲线基本重合，且压实土具有更高的饱和含水率。

2) 基于微观试验结果发现，原状土的孔隙结构较为均匀，而压实土的颗粒堆积方向性更为明显。在饱和状态下原状土和压实土的孔径分布为双峰形态，压实土的宏观孔隙所占比例远大于原状土，而二者在极干状态下的孔隙分布情况接近。

3) 原状膨胀土的最大体变率较压实土的小(原状ΔVmax=0.61；压实ΔVmax=0.80)。在增湿过程中，压实土可以达到较大的饱和含水率值(原状土wmax=42%，压实土wmax=55%)，且在相同的含水率下压实土的体变率均相对原状土更大。但二者在轴向和径向上的应变具有相似的规律，即在低含水率时候轴向和径向应变相差不大，当达到一定含水率后(原状土25%，压实土20%)轴向上的应变明显占优。