初始含水率和干密度对膨胀土膨胀力影响的试验研究

吴广水,王书齐,祝婷梅,杨文洲,施航向,赵延平

（1. 桂林理工大学 广西建筑新能源与节能重点试验室,广西 桂林 541004;2. 桂林航天工业学院 基建处,广西 桂林 541004）

膨胀土主要由亲水性蒙脱石矿物组成,表现出显著的吸水膨胀和失水收缩特性[1]。 中国有20 多个省市广泛分布着膨胀土,这些地区的建筑物易出现倾斜、开裂或塌方等事故,修复困难,容易复发,会造成巨大的经济损失[2-4],因此研究不同地区膨胀土膨胀力的大小对当地实际工程建设具有重要意义。

国内外许多学者研究了不同初始含水率对膨胀土膨胀力的影响。 徐永福等[5]研究了不同含水率和干密度对膨胀土膨胀量的影响,得到了含水率和压力的相关公式。 叶万军等[6]研究了不同初始含水率膨胀土的力学性能,发现初始含水率与抗剪强度指标符合指数函数规律且负相关,土体水分的变化直接改变土的黏聚力。 蒋晓庆等[7]对不同初始含水率的弱膨胀土进行了4 次反复剪切试验,发现随着竖向应力的增大,初始含水率与弱膨胀土残余强度由线性关系转换成指数关系。 Tripathy 等[8]测定了膨胀开始至膨胀结束和收缩开始至收缩结束几个中间阶段试样的孔隙比和含水率,发现平衡胀缩路径不受初始条件（即干密度和含水量） 的影响,且不同的加载压力下有着相似的胀缩路径。 Likos 等[9]进行了一系列水蒸气吸附试验,发现约束条件下膨胀土的屈服是因为土体内的层间水转移到集聚体内和集聚体外。

有学者借助扫描电镜、压汞法和核磁共振等现代技术研究含水率变化对微观结构的影响[10-12]。 相比于其他方法,核磁共振技术可以快速、环保、无损地测量多孔介质孔隙结构。 目前,核磁共振技术已经被广泛应用于测量岩土孔隙大小及分布。 李彰明等[13]基于核磁共振技术观察淤泥在典型荷载水平和速率下的孔隙大小及分布变化规律,研究典型加固条件下淤泥地基孔隙结构的三维响应;Liang 等[14]基于核磁共振技术分析了膨胀土湿润过程中的水分分布和孔隙结构演化特征,发现膨胀压力随着吸力的变小非单调增加,在高吸力范围内膨胀压力与层间水合作用的吸收有关,在低吸力范围内膨胀压力与孔隙结构的破坏有关。

本研究采用恒体积试验方法获得不同初始含水率和不同干密度宁明膨胀土的膨胀力,并对完成膨胀力试验后的试样进行核磁共振试验,从微观角度分析不同含水率对宁明膨胀土膨胀力的影响机制。

1 试验部分

1.1 试验材料

试验土样取自广西宁明,呈淡黄色,为强膨胀土。 土样的基本物理参数见表1,主要矿物成分见表2。 把过2 mm 筛的膨胀土烘干后,用蒸馏水将干土配制成初始含水率（水质量分数） 分别为5%、8%、10%、15%、20%、25%的土样。 将土样装入密封袋内放置48 h 以上,使水分发生充分迁移。 把配制好的土样放入规格为61.8 mm×20 mm 的不锈钢环刀中,每种含水率的土样分别制成干密度为1.37、1.48、1.71 g/cm3的试样,最终压制成61.8 mm（直径） ×10 mm（高） 的试样,与不锈钢环刀的上下两端距离均为5 mm。 膨胀力试验如图1 所示。

图1 膨胀力试验Fig.1 Swelling force test

表1 膨胀土的物理性质指标Tab.1 Physical properties of expansive soil

表2 膨胀土的主要矿物成分质量分数Tab.2 Mass fractions of main mineral components for expansive soil %

1.2 试验方法

1.2.1 膨胀力试验

本试验在WG 型单杠杆固结仪上采用恒体积法测量土样的膨胀力。 首先,测定固结仪的变形模量,确定每一级变形模量对应的平衡荷载。 然后,在装有土样的不锈钢环刀上下两面依次放入滤纸和透水石,装入土样后向水盒内注入蒸馏水,并保持水面高出土样5 mm。 土样高度随着浸泡时间的延长而增加,当土样的膨胀高度不大于0.01 mm 时,应加上平衡荷载,使得量表指针指向初始读数,记录初始读数。当仪器指针再次发生偏转时,添加下一级砝码,此时量表指针应指向上一级平衡荷载所对应的仪器变形位置,直到在某级平衡荷载下2 h 内量表指针不再变化,则认为膨胀稳定,记录施加的平衡荷载数据。

1.2.2 核磁共振试验

首先快速取出完成膨胀力试验的试样,并用密封袋封闭起来,然后将试样放入MacroMR12M-150 型永磁台式核磁共振成像分析仪的线圈内,最后采用CPMG 脉冲序列测定土样的T2时间分布曲线。 每个试样完成核磁共振的时间约为30 s。

2 结果与分析

膨胀土膨胀力随时间的变化情况如图2 所示。 其中,图2（a） 、（b） 中膨胀力随时间的变化呈现4 个阶段:①快速增长;②膨胀力到达某一临界值时,出现趋于稳定的状态;③受力平衡被破坏后,膨胀力继续增长;④最终达到稳定状态。 出现这种现象的原因如下:①在干密度较小的情况下,水分子快速进入黏土矿物晶层形成水膜并增厚,层叠体间扩散层扩张,土体迅速发生膨胀,膨胀力快速增长;②膨胀力到达某一临界值时,因层叠体裂解填充集合体间的孔隙而趋于稳定;③膨胀力随着层叠体的继续扩大而再次增大;④膨胀土完全饱和,膨胀量不再发生变化,膨胀力达到稳定状态。 图2（c） 中膨胀力随时间先快速增长,然后增长速率越来越慢,最终达到稳定状态。 在干密度较大的情况下,水分子进入土体的效率较低,使得层叠体间扩散层扩张的过程和层叠体继续增大的过程衔接较紧密,所以膨胀力随时间的变化逐渐变小,最终趋于稳定。由于层叠体间扩散层扩张产生的膨胀力大于层叠体继续增大产生的膨胀力,膨胀土在吸水过程中,首先层叠体间扩散层扩张,然后层叠体继续增大,所以图2（c） 中膨胀力增长速率越来越慢。

图2 膨胀力随时间的变化Fig.2 The swelling force changes with time

由图2 中膨胀力随时间的变化可知,膨胀土的干密度越大,膨胀力达到稳定状态所需时间越久。 其中:干密度为1.37 g/cm3的膨胀土膨胀力到达稳定的时间随着初始含水率的增大发生无规则变化;在不同初始含水率下,干密度为1.48 g/cm3的膨胀土膨胀力到达稳定状态的时间较为一致,即该干密度膨胀土膨胀力的稳定时间不受初始含水率影响;当含水率低于10%时,干密度为1.71 g/cm3的膨胀土膨胀力到达稳定状态的时间随初始含水率的增大而增大;当初始含水率高于10%时,干密度为1.71 g/cm3的膨胀土膨胀力到达稳定状态的时间不随初始含水率的变化而改变。

膨胀土膨胀力随干密度的变化情况如图3 所示。由图3 可知,在初始含水率相同的情况下,膨胀土膨胀力随干密度的增大而增大。 这是因为在水分子进入土体孔隙后,晶层间的阳离子吸水,土体发生膨胀变形,干密度越大,土体内部结构越紧密,土体颗粒间距越小,膨胀变形量受到土体颗粒约束的速度越快。 而且,干密度越大,同体积土样所含的土体颗粒越多,水稳定性差、亲水性强的黏土矿物含量越多,晶层间阳离子吸水效果越明显,膨胀力也越大。 同一干密度下,初始含水率越高,膨胀力越小。 这是由于用蒸馏水配制初始含水率土样时,土体颗粒与水分充分接触后,土体发生了部分膨胀,提前释放了部分膨胀能,初始含水率越高,释放的膨胀能越多,土样稳定时的膨胀力越小。 干密度为1.37 g/cm3的不同初始含水率膨胀土的膨胀力差值比干密度为1.71 g/cm3的不同初始含水率膨胀土小,表明干密度越大,初始含水率对膨胀土膨胀力的影响越明显,同时也说明了膨胀土的干密度越大,初始含水率越高,配土过程中膨胀能释放得越多。

图3 膨胀力随干密度的变化Fig.3 The change of swelling force with dry density

核磁共振是以质子为探针来获得孔隙大小及分布信息的技术。 根据量子力学理论,从能量角度可把静磁场中的自旋质子分为低能态和高能态。 吸收能量的质子开始释放能量,由高能态恢复到低能态的过程称为弛豫。T2（失去相位一致性的时间表征） 为自旋-自旋弛豫[15]。 假设土体内的孔隙水呈圆柱形,可得到圆柱形半径R和弛豫时间T2的关系式[16]:

式中:ρ2为横向表面弛豫强度。

膨胀土完成膨胀力试验后,由核磁共振仪器测得试样的T2分布曲线,见图4。 由式（1） 可知,当土体处于饱和状态时,孔隙水的T2和孔隙半径成正比。 从图4（a） 中可以看出,在干密度为1.37 g/cm3的条件下,膨胀土的T2分布曲线随着含水率的增大而向右移动,说明膨胀土的初始含水率越高,大孔隙体积所占的比例越高。 因为孔隙大小直接影响水分子进入土体内部的效率,所以在图2（a） 中,高初始含水率的膨胀土膨胀力能最快到达稳定状态。 从图4（b） 中可以看出,在干密度为1.48 g/cm3的条件下,膨胀土的T2分布曲线移动随着初始含水率的增大而变化不大,说明该干密度条件下的孔隙大小受初始含水率的影响最小。 这也从微观角度很好地解释了图2（b） 中膨胀土在不同初始含水率条件下,到达膨胀力稳定的时间较为一致的原因是不同初始含水率的膨胀土有着相近的孔隙结构。 从图4（c） 中可以看出,在干密度为1.71 g/cm3的条件下,膨胀土的T2分布曲线随着初始含水率的增大而向左移动,说明膨胀土的初始含水率越高,小孔隙体积所占比例越高。 因此,图2（c） 中低含水率膨胀土膨胀力能最快到达稳定状态。

图4 不同初始含水率试样的T2 分布曲线Fig.4 T2 distribution curves of specimens with different initial water contents

3 结论

1） 在中、低干密度状态下,膨胀土的膨胀力随时间的变化规律分为4 阶段:①快速增长阶段;②趋于稳定阶段;③缓慢增长阶段;④达到稳定状态。 在高干密度状态下,膨胀土的膨胀力先快速增长,然后增长速率越来越慢,最终达到稳定状态。

2） 用蒸馏水配制初始含水率土样时,土体颗粒与水分接触后,土体发生了部分膨胀,提前释放了部分膨胀能,且膨胀土的干密度越大、初始含水率越高,配土过程中膨胀能就释放得越多。

3） 孔隙大小直接影响水分子进入土体内部的效率。 在低干密度情况下,膨胀土的初始含水率越高,大孔隙所占体积比例越高,膨胀力能越快到达稳定状态;在中等干密度情况下,膨胀土的孔隙大小受初始含水率变化的影响不明显,所以膨胀土膨胀力到达稳定的时间较为一致;在高干密度情况下,膨胀土的初始含水率越低,大孔隙所占体积比例越高,膨胀力能越快到达稳定状态。