膨胀土胀缩性与裂隙性的湿干循环效应

周葆春,晏钰哲,陈翔宇,马全国,单丽霞,易先达,李 颖

(信阳师范大学 河南省非饱和土与特殊土工程技术研究中心/建筑与土木工程学院, 河南 信阳 464000)

0 引言

膨胀土指土中黏粒成分主要由亲水性矿物组成,同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的黏性土[1]。由于工程性质复杂多变,膨胀土对土木、水利、交通领域的各类浅表层工程有特殊的危害作用。膨胀土在世界范围内分布广泛、致灾严重。在中国,20多个省(市、区)有膨胀土分布,3亿以上人口生活在膨胀土分布地区,因膨胀土危害而造成的经济损失巨大。

膨胀土胀缩性指脱吸湿对膨胀土体积变形的影响,裂隙性由脱湿收缩(或者说干燥收缩)造成,二者是膨胀土工程病害的主因;亦是膨胀土研究的主要方面,相关成果非常丰富[2-5]。然而,湿干循环过程中,胀缩性与裂隙性是同时发生且相互影响的,将二者统一起来考察是确有必要的。

为此,本文以压实度分别为100%、95%、90%、85%、80%的荆门黄褐色膨胀土为研究对象,以固结仪与收缩仪为试验平台,以室内脱湿-浸水饱和的试验方法,开展8次湿干循环试验,试验过程中,测量试样体积变化与持水状态变化,并连续摄像以获得试样裂隙分布。在此基础上,探索湿干循环过程中膨胀土的体积-裂隙-持水变化规律,探索湿干循环过程中膨胀土的体积变化与含水率变化是否可逆、裂隙性和胀缩性的互馈机制等问题。

1 试验方案

1.1 试验土样

试验用土取自湖北荆门[6-8],呈黄褐色,含铁锰结核,其物理化学性质指标、矿物成分测试结果见文献[9-11],重型击实试验[8]表明其最优含水率为15.5%,最大干密度为1.86 g/cm3。根据土样的自由膨胀率、蒙脱石含量、阳离子交换量CEC,按《膨胀土地区建筑技术规范》[1]判别其膨胀潜势为中,即为中膨胀土。

1.2 试样制备

采用直径61.8 mm、高度20 mm的压实环刀试样,制样控制指标见表1。制样方法参见文献[12]。针对每种制样指标,均制备2个试样进行平行测定。

表1 制样指标Tab. 1 Controlling indices of specimen preparation

1.3 室内浸水-脱湿试验

为探索实际天气状况对膨胀土胀缩性与裂隙性的影响规律,采用室内脱湿至体积不变、浸水饱和至体积不变的脱/吸湿试验方法。将制备完成的试样室内脱湿至体积、质量均稳定,作为湿干循环的初始状态,见图1,用游标卡尺与电子天平测定各试样的初始体积、质量参数。然后,将图1所示的10个试样依次置于固结容器中浸水饱和至体积不变为止,试验过程中通过百分表量测试样高度变化,饱和过程照片见图2。

图1 试样的初始状态Fig. 1 Initial state of the soil specimens

图2 试样浸水饱和Fig. 2 Wetting process of the specimens

试验参照无荷载膨胀率试验方法[13],在单杠杆固结仪上完成,饱和稳定标准为隔6 h百分表读数不变,饱和完成后测试样质量。饱和完成后的试样高度取浸水前高度与百分表测得膨胀量之和;饱和完成后试样直径取环刀直径61.8 mm。

10个试样浸水饱和后,参照收缩试验方法[13]将其依次置于收缩仪的多孔板上,在室内的温/湿度条件下脱湿至体积不变为止,干缩过程中测定试样高度与质量变化,收缩过程照片见图3。

图3 试样室内脱湿Fig. 3 Drying process of the specimens

脱湿完成后,按前述方法再将试样置于固结容器中浸水饱和,浸水饱和后再进行脱湿,按此步骤循环8次。8次湿干循环结束后,烘干试样以获得干土质量。烘干后的试样见图4,可见:相对于初始状态,试样高度增大、直径减小,裂隙充分发育。

图4 试样的最终状态Fig. 4 Final state of the soil specimens

整个试验过程中,采用广州宏诚科技公司生产的HT-8321专业温湿度仪测温/湿度。

2 试验结果分析

2.1 试验过程中的温/湿度变化

8次湿干循环历时121 d,平均15.1 d完成1次。试验过程中的温/湿度变化见图5,温度变化范围15.4～35.8 ℃,相对湿度变化范围25.9%～82.4%,平均气温26.3 ℃,平均相对湿度59.7%。将温/湿度均值代入式(1)所示的Kelvin方程,得到总吸力均值为71 311 kPa。

图5 湿干循环过程中的温/湿度记录Fig. 5 Temperature and relative humidity record during wetting-drying cycles

(1)

式中:ψt为总吸力,单位kPa;R是通用气体常数(8.314 J/(mol·K));T是热力学温度,单位K;νw是水蒸气的偏摩尔体积(1.8×10-5m3/mol);RH为相对湿度。

2.2 浸水-脱湿试验结果

图4显示的试样最终状态表明,每种制样指标的2个平行试样浸水-脱湿试验结果接近,限于篇幅,且为便于分析,文中仅给出试样编号为2、3、6、8、9的结果,即历次饱和完成后与脱湿完成后的膨胀土试样照片见图6。

图6 历次饱和完成后与脱湿完成后的膨胀土试样Fig. 6 Expansive soil specimens during wetting-drying cycles

由图6可见,试样裂隙面积随湿干循环次数增加而增大,5到6次湿干循环后,裂隙面积趋于稳定。每次脱湿完成后浸水,试样裂隙愈合;前4次湿干循环,裂隙完全愈合;第5次湿干循环后,裂隙不能完全愈合,推测与湿干循环导致裂隙性加剧有关,亦与浸水-脱湿过程中干土质量损失有关。

2.3 浸水-脱湿试验数据处理方法与结果

浸水-脱湿过程中的体积变化常用膨胀率、线缩率表达[13-14],其缺点在于:①二者均为相对比值,不便在多次湿干循环过程中对比分析;②二者均描述试样高度变化,而8次湿干循环结束后试样轴向膨胀、侧向收缩(对比图1与图4),即试样高度变化规律不能全面表征试样体变规律。

因此,采用孔隙比e描述试样体变,以便对比分析湿干循环过程中的体变行为。此外,采用重力含水率w与饱和度Sr描述湿干循环过程中的持水状态变化。e、w、Sr均按定义式确定,方法为:

e=Vv/Vs,根据干土质量(测量值)与土粒密度可获干土体积Vs,由总体积V(测量值)减去Vs可获孔隙体积Vv。

w=mw/ms,根据试样质量m(测量值)与干土质量ms(测量值)可获水质量mw。

Sr=Vw/Vv,取土中水密度为1.0 g/cm3,根据mw获得水体积Vw。

数据处理过程中几点做法说明如下:①干土质量ms修正。浸水-脱湿过程中均会发生ms损失:脱湿完成后将试样转移到固结容器过程中ms损失、浸水完成后取出试样时少量湿土颗粒附着在滤纸上造成ms损失。试验结果表明,8次湿干循环造成10个试样ms损失(即Δms)在1.536～2.867 g之间。修正ms做法是:按试样的Δms/15为步长,依序对第1次浸水完成后的15个浸水-脱湿过程ms进行递减。②以每次脱湿结束后量测的体积(直径与高度)、质量作为随后浸水过程的初始值。③浸水过程中直径变化由浸水前实测值与61.8 mm(浸水完成后的试样直径取值)的差值乘以实测高度变化系数(当前膨胀量除以总膨胀量)获得,即假定浸水过程中直径膨胀率与高度膨胀率相等。④脱湿过程中直径变化由61.8 mm与脱湿后实测值的差值乘以实测高度变化系数(当前收缩量除以总收缩量)获得。即假定脱湿过程中直径收缩率与高度收缩率相等。

体变方面,依据上述做法,可获得浸水-脱湿过程中每一测点相应的试样体积与干土质量,再根据定义式获得8次湿干循环过程中的孔隙比数据。

持水方面,浸水过程开始前与结束后以及整个脱湿过程中均测试样质量,但浸水过程中无法量测试样质量。因此,可获得浸水过程开始前与结束后以及整个脱湿过程中的w与Sr数据,但无法获得浸水过程中的w与Sr数据。

e、w、Sr数据表明,每种制样指标的2个平行试样体变与持水状态参数接近,限于篇幅,且为便于分析,文中仅给出试样编号为2、3、6、8、9的结果。表2为8次湿干循环全过程中浸水-脱湿前/后e、w、Sr数据。表2中,相邻浸水后与脱湿前、脱湿后与浸水前的e、w、Sr值存在微小差别,原因在于考虑了浸水-脱湿过程中的干土质量损失。

表2 浸水-脱湿前/后的孔隙比、重力含水率与饱和度Tab. 2 Void ratio, water content and degree of saturation of the soil specimens during soaking-drying cycles

2.4 湿干循环过程中的体积变化

由表2浸水-脱湿过程中的孔隙比e变化可见:对于浸水后的e,制样压实度100%试样,第7次湿干循环后趋于稳定;制样压实度95%与90%试样,第6次湿干循环后趋于稳定;制样压实度85%试样,第5次湿干循环后趋于稳定;制样压实度80%试样,第3次湿干循环后趋于稳定。

对于脱湿后的e,制样压实度100%试样,第6次湿干循环后趋于稳定;制样压实度95%试样,第5次湿干循环后趋于稳定;制样压实度90%、85%、80%试样,第3次湿干循环后趋于稳定。

以上观察表明:历经3～7次湿干循环后,5种制样压实度膨胀土试样浸水后与脱湿后均会达到稳定的孔隙比状态;即历经3～7次湿干循环后,膨胀土试样的体积变化基本可逆;制样压实度大的膨胀土试样达到体积变化可逆所需的湿干循环次数更多。

为探讨初始密度(制样压实度)对湿干循环过程中体积变化的影响,将5种制样压实度膨胀土试样第1次浸水前后、第8次浸水前与脱湿后的孔隙比(e)绘制在图7中。

图7 第1次与第8次湿干循环孔隙比对比Fig. 7 Comparison of void ratio between the 1st and 8th wetting-drying cycles

由图7可见:第1次浸水前(试样照片见图1),试样的e差别较大,从0.363到0.694,相差0.331;第1次浸水后,e为0.775～1.071,相差0.296。第8次浸水后,e为1.044～1.182,相差0.138,表明8次湿干循环后,初始密度对于浸水后体变的影响减弱,5种初始密度下的试样趋于一致的孔隙比状态。第8次脱湿后,e为0.571～0.775,相差0.204,差别较大,推测与湿干循环中5种初始密度试样的裂隙性差别相关。另一方面,制样压实度95%试样的e为0.571,低于制样压实度100%(0.644)、90%(0.587)、85%(0.744)、80%(0.775)的试样,表明制样压实度95%试样抵御湿干循环的能力最强。

2.5 湿干循环过程中的含水率变化

由表2浸水-脱湿过程中的含水率变化可见:对于浸水后的含水率,制样压实度100%试样,第7次湿干循环后趋于稳定;制样压实度95%试样,第6次湿干循环后趋于稳定;制样压实度90%、85%、80%试样,第3次湿干循环后趋于稳定。对于脱湿后的含水率,5种制样压实度膨胀土试样在第4次湿干循环后即趋于稳定。

以上观察表明:历经3～7次湿干循环后,5种制样压实度膨胀土试样浸水后与脱湿后均会达到稳定的持水状态;即历经3～ 7次湿干循环后,膨胀土试样的含水率变化基本可逆;制样压实度大的膨胀土试样达到含水率变化可逆所需的湿干循环次数更多。

为探讨初始密度(制样压实度)对湿干循环过程中含水率变化的影响,将5种制样压实度膨胀土试样第1次浸水前后、第8次浸水前与脱湿后的含水率绘制在图8中。

图8 第1次与第8次湿干循环含水率对比Fig. 8 Comparison of water content between the 1st and 8th wetting-drying cycles

由图8可见:第1次浸水前(试样照片见图1),5种试样含水率从7.2%到8.5%,相差1.3%;表明初始密度对脱湿后含水率影响不大。

第1次浸水后,试样含水率为28.6%～36.6%,制样压实度100%的试样比制样压实度80%的试样含水率低8.0%,表明初始密度对浸水后含水率影响显著。第8次浸水后,试样含水率为36.3%～40.3%,相差4.0%,表明8次湿干循环后,初始密度对于浸水后含水率的影响减弱,5种初始密度下的试样含水率趋于一致。

第8次脱湿后,试样含水率为5.6%～6.9%,相差1.3%,差别不大。此外,8次湿干循环后,脱湿后含水率(5.6%～6.9%)相对第1次浸水前含水率(7.2%～8.5%)有小幅降低,推测与湿干循环导致的试样开裂相关。

2.6 湿干循环过程中的膨胀曲线

将5种制样压实度膨胀土试样8次浸水过程中的孔隙比-时间(e-t)关系(膨胀时程曲线)绘制在图9中。采用文献[15]建议的Logistic 函数描述膨胀时程曲线,见式(2):

图9 湿干循环过程中的膨胀时程曲线Fig. 9 Swelling curves during wetting-drying cycles

(2)

式中:ei为浸水前孔隙比;ef为浸水膨胀稳定后孔隙比;p为与膨胀曲线反弯点处斜率相关的土性参数,p越大表明斜率越大,膨胀愈快达到稳定;t0为与反弯点位置相关的土性参数(min),t0越大,反弯点位置坐标值愈大,膨胀达到稳定的时间愈长。由图9可见,式(2)可以很好再现湿干循环过程中的膨胀时程曲线。

此外,由图9可见:(1)随湿干循环的次数增加,膨胀时程曲线上移,表明湿干循环导致孔隙比增大,即试样体积增大。与2.4节相互印证的是:制样压实度100%试样历经7次、制样压实度95%与90%试样历经6次、制样压实度85%试样历经5次、制样压实度80%试样历经3次湿干循环后,膨胀时程曲线趋于一致。(2)膨胀稳定时间随湿干循环次数增加而减少,随初始密度(制样压实度)的降低而减少。

2.7 湿干循环过程中的收缩曲线

将5种制样压实度膨胀土试样8次脱湿过程中的孔隙比-含水率(e-w)关系(收缩曲线)绘制在图10中。可见,随湿干循环的次数增加,收缩曲线上移,亦体现湿干循环导致的试样体积增大。与2.4节相互印证的是:制样压实度100%的试样历经6次、制样压实度95%的试样历经5次、制样压实度90%、85%、80%的试样历经3次湿干循环后,收缩曲线趋于一致。

图10 湿干循环过程中的收缩曲线Fig. 10 Shrinkage curves during wetting-drying cycles

2.8 湿干循环过程中的裂隙演化

采用ImageJ软件[16]处理图6中脱湿完成后的照片,得到历次脱湿完成后膨胀土试样面积与裂隙面积。处理完成后的裂隙图像,即湿干循环下5种制样压实度膨胀土试样裂隙演化过程见图11。对比图11与图6,可见采用ImageJ软件可以很好刻画湿干循环过程中膨胀土的裂隙特征。

图11 湿干循环下的膨胀土裂隙演化Fig. 11 Crack evolution of expansive soil during wetting-drying cycles

将通过ImageJ软件获得的历次脱湿完成后的试样面积、裂隙面积与裂隙率绘制在图12中,可见:对历次脱湿完成后的试样面积而言,其随湿干循环次数增加有一定幅度的上下波动,但大体呈减小趋势,5次湿干循环后试样面积大体趋于稳定。这与前文结论:历经3～7次湿干循环后膨胀土试样体积变化基本可逆,相互印证。

图12 历次脱湿完成后的试样面积、裂隙面积与裂隙率Fig. 12 Surface area, crack area and surface crack ratio after each drying

对历次脱湿完成后的裂隙面积而言,第1次湿干循环结束后,制样压实度95%、90%试样裂隙面积最大,随湿干循环次数增加,其裂隙面积先减小、后增大,8次湿干循环后裂隙面积是5个制样压实度试样中最小的2个。第1次湿干循环结束后,制样压实度85%、80%试样裂隙较少发育,随湿干循环次数增加,其裂隙面积逐渐增大,8次湿干循环后裂隙面积最大的有2个。制样压实度100%试样第1次与8次湿干循环后的裂隙面积均为中间值。这表明:随湿干循环次数增加,初始密度(制样压实度)对裂隙面积影响规律较为复杂。总体而言,第6次湿干循环后,裂隙面积趋于稳定。

文中裂隙率为裂隙面积除以试样面积,以百分比表达。对历次脱湿完成后的裂隙率而言,第1次湿干循环后,裂隙率为1.0%～7.4%; 第8次湿干循环后,裂隙率为7.1%～10.1%;表明随湿干循环次数的增加,初始密度对裂隙率影响减弱,5种制样压实度试样趋于较为一致的裂隙率(7%～10%)。本文建议:7%～10%是历经足够多次湿干循环后压实中膨胀土裂隙率的参考值。

3 结论

(1)历经3～7次湿干循环后,膨胀土试样的体积变化、含水率变化基本可逆;制样压实度(初始密度)大的膨胀土试样达到体积变化可逆、含水率变化可逆所需的湿干循环次数更多。

(2)随湿干循环次数增加,膨胀时程曲线、收缩曲线上移,表明湿干循环导致试样体积增大。膨胀稳定时间随湿干循环次数增加而减少,随制样压实度(初始密度)的降低而减少。

(3)试样脱湿完成后的裂隙面积随湿干循环次数增加而增大,5到6次湿干循环后,裂隙面积趋于稳定。历经足够多次湿干循环后,压实中膨胀土裂隙率参考值为7%～10%。

(4)每次脱湿完成后浸水,试样裂隙愈合;其中,前4次湿干循环,裂隙完全愈合。

致谢感谢中国科学院武汉岩土力学研究所特殊土土力学组提供的土样。感谢中国科学院武汉岩土力学研究所土动力学组董毅研究员在图像处理方面给予的指导。