不同初始含水率下广西膨胀土膨胀变形规律及劣化机理研究

关键词：膨胀土；初始含水率；膨胀变形；结构劣化；强度劣化

中图分类号：TV21 文献标识码：A 文章编号：1001-9235（2024）11-0115-09

膨胀土是一种有问题的特殊土，因含有蒙脱石、伊利石、高岭石等亲水性矿物成分，表现出较强的吸水膨胀、软化、崩解与失水收缩、干裂特性，对温度、湿度以及应力场变化极端敏感［1-4］。在工程建设过程中，经常遇到膨胀土遇水膨胀软化导致的路基上拱、边坡失稳等问题［5-7］，因此深入研究膨胀土吸水膨胀变形及强度劣化特性，对解决膨胀土地区的工程问题具有十分重要的意义。

在膨胀土吸水膨胀特性研究方面，诸多学者开展了初始含水率、干密度、上覆荷载、干湿循环等影响因素对膨胀土膨胀特性的研究，如徐永福等［8］提出在其他条件不变的情况下，含水率越低，膨胀量越大，呈现明显的负相关性。马英洁等［9］提出经过干湿循环作用后膨胀土膨胀率随循环次数的增加而逐渐减小。在膨胀土强度劣化特性研究方面，凌时光等［10］认为影响膨胀土抗剪强度的主要原因是膨胀土自身的胀缩性、裂隙性和超固结性，进一步研究发现膨胀土强度衰减的微观机制是膨胀土固相颗粒在晶格膨胀作用下产生破碎与分离，使得颗粒级配发生改变；张波等［11］深入谈论了黏聚力和摩擦强度的物理意义，阐释了膨胀土的力学特性；罗晓倩等［12］指出膨胀土的黏聚力、内摩擦角随着膨胀土吸水饱和稳定而逐渐减小。张琦等［13］通过对不同初始含水率的非饱和膨胀土开展三轴剪切试验得出非饱和膨胀土的抗剪强度随初始含水率的增加呈线性下降趋势。文献［ 14-16］中饱和度对膨胀土的抗剪强度具有很大的影响。文献［17-18］研究表明，膨胀土经过干湿-冻融循环后裂隙的产生导致黏聚力变小。以上研究均表明膨胀土的膨胀性、强度均与土中水具有很大关系。本质上，膨胀土的吸水膨胀软化过程是水与土中矿物成分的相互作用过程，膨胀变形、强度劣化是土中矿物颗粒大小、排列等细观结构变化的宏观体现，但目前的研究成果在系统分析膨胀土膨胀劣化特性及机理方面还需进一步完善。

土中水分为强结合水、弱结合水及自由水，随着初始含水率的不同，土中水的种类及水膜厚度将发生变化，导致土中亲水性矿物的吸水性发生变化，从而影响土体吸水膨胀变形特性及强度特性。基于此，本文基于已有研究成果，选取广西膨胀土为研究对象，开展了不同初始含水率条件下膨胀土膨胀变形及强度特性试验，基于电镜扫描、图像处理技术，研究膨胀土的膨胀变形特征、结构及强度劣化规律，揭示了膨胀土膨胀软化机理，以期为膨胀土地区工程设计、施工提供依据。

1材料与试验

1. 1试验材料与试样制备

试验用土取自广西区境内，天然含水率下土样呈坚硬块状，颜色呈褐黄色，见图1。利用X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）方法进行矿物成分测试，结果见表1。从表中可以看出，土中石英占比81%，黏土矿物占比19%，黏土矿物主要由伊利石、高岭石、伊蒙混层组成。

按照GB／T 50123—2019《土工试验方法标准》的相关规定开展土样基本物性质指标试验，土样自由膨胀率试验结果见表2，其他物理性质指标见表3。由表2可知土样自由膨胀率平均值为50. 93%，介于40%～65%，按照GB 50112—2013《膨胀土地区建筑技术规范》中的规定，该土样为膨胀土，具有弱膨胀潜势。

试样制备前，将土样进行简单清理，去除土中杂草和石子，根据GB／T 50123—2019《土工试验方法标准》的相关规定，将土样风干碾碎，过2 mm的筛，将筛分后的土样放置于105°烘箱烘烤至少8 h后取出。根据试验设定的初始含水率值加水配置土样，制备好的土样放置密封袋中密封24 h后，取密封袋中3个不同位置进行含水率测定，3个位置的误差不超过1%。然后采用静压法制样，把配制好的土样放入直径6. 18 cm，高2 cm的不锈钢环刀中。每种含水率土样配置12 个试样，多余的1～2个样备用。

1. 2试验方法

含水率对土样膨胀性及强度均有影响，根据表3中液限、塑限及饱和含水率值，设计初始含水率见表4，试样干密度与原状样干密度相同。

为获得不同初始含水率土样膨胀前后的强度特性及细观结构变化规律，开展以下试验。

a）膨胀前土样的直剪试验及SEM（Scanning Electron Microscope）试验。利用四联应变控制式直剪仪（图2a）测定不同初始含水率土样的抗剪强度，利用Prisma E环境扫描电镜（图2b）进行SEM电镜扫描，获取膨胀前土样的强度指标及细观结构。

b）膨胀稳定后土样的直剪试验及SEM 试验。首先将不同初始含水率土样放入膨胀仪（图2c），严格按照GB／T 50123—2019《土工试验方法标准》进行无上覆荷载作用下的侧限膨胀试验，当百分表的读数每2 h不超过0. 01 mm时，试验结束。然后，将膨胀稳定后的试样取出，放入四联应变控制式直剪仪测定抗剪强度，并同步进行含水率测试、SEM电镜扫描。其中，直剪试验剪切速率控制在0. 8 mm/min，垂直压力为50、100、150、200 kPa。SEM电镜扫描倍数分别为500、1500倍。

2土样膨胀变形特性

不同初始含水率试样膨胀时程曲线试验结果见图3。由图可知，膨胀曲线具有明显的时间效应，随浸水时间的增加呈现出明显的快速膨胀、减速膨胀及膨胀稳定三阶段特征。快速膨胀阶段时长在0～1 h，此阶段内试样遇水产生急剧膨胀变形；减速膨胀阶段时长在1～15 h，此阶段膨胀速度相比于快速膨胀阶段有所减缓；膨胀稳定阶段时间较长，膨胀曲线趋近于一条平稳的直线。在相同初始干密度的情况下，膨胀变形的快速膨胀，含水率越低土样膨胀速率越大，初始含水率为11. 54%时膨胀率最高；随着初始含水率的增加，膨胀率越来越低，当初始含水率为34. 9%时，膨胀率变为负值，试样最终呈现出压缩变形特性。试样初始含水率与最终稳定膨胀率之间的关系见表5、图4，两者之间可以用Asymptoticl 函数进行较好的拟合，拟合度为0. 967，见式（1）。

δef = -7.187 + 20.246 × 0.969^w （1）

考虑膨胀过程的时间效应，刘晓丽等［19］在Huder- Amberg 膨胀本构模型的基础上建立了修正的一维膨胀本构关系，见式（2）：

ε_t = ε_∞ （1 - e^-kt ） （2）

式中：ε_t 为t 时刻土样的轴向膨胀率；ε_∞ 为土样轴向最终稳定膨胀率；k为土样的吸水膨胀系数。

利用式（2）对图3中的试验结果进行拟合，见图3。研究发现，不同初始含水率试样的吸水膨胀系数值k 并不是一个恒定值，而是随初始含水率的增加逐渐衰减，结果见图5。由图可知，在初始含水率小于16. 54%时，衰减速率较快，呈现直线型下降；初始含水率在16. 54%～30. 21%时，吸水膨胀系数衰减速度逐渐变小；初始含水率大于30. 21%后，吸水膨胀系数衰减速度趋近于0。吸水膨胀系数与初始含水率之间的拟合关系见式（3）：

k = 0.162 + 176.751 ⋅ e^-w/4.445 （3）

式（2）为考虑恒定含水率的膨胀本构关系，未考虑含水率对膨胀土膨胀变形特性的影响，不同初始含水状态下，膨胀土吸水膨胀变形特性不同。因此，对式（2）进行改进，引入w 与ε∞，以及w 与k 的关系，可建立考虑初始含水率影响的膨胀土膨胀变形公式，见式（4）：

ε_t = ε_∞ （w）（1 - e^{-k（w）t ）} （4）

将式（1）、（3）代入式（4）中，可建立土体膨胀变形随时间的发展变化关系见式（5）：

ε_t = （-7.187 + 20.246 × 0.969^w ）*（1 -^{e（-t）*[0.162 + 176.751*e（-w/4.445） ]} ） （5）

利用式（5）对土样试验结果进行拟合，见图6，拟合度均大于0. 95，拟合效果更好。

3土样膨胀前后强度特性

为了探究膨胀前和膨胀稳定后2种状态的强度指标差异，利用Mohr-Coulomb强度公式对不同初始含水率条件下的直剪试验结果进行拟合，获取土样吸水膨胀前后抗剪强度指标黏聚力c 和内摩擦角φ。见图7。据图可知，吸水膨胀前的土样c、φ均随初始含水率增加逐渐减小，说明初始含水率变化对土样抗剪强度产生较大影响。

膨胀稳定后，试样含水率发生了改变，见图8。从图中可以看出，膨胀稳定后含水率总体上呈现不断上升的趋势；初始含水率越大，吸水膨胀稳定后含水率越大。膨胀吸水量随初始含水率的增加呈现出先增后减的规律。膨胀稳定后的试样，c、φ 值随着最终稳定含水率的增加逐渐减小。这是由于初始含水率对土体的细观结构影响较大，吸水膨胀对土体强度的影响，不仅取决于初始含水率，还与土体内部结构有很大关系。

4土样膨胀前后SEM

膨胀前后土样的SEM电镜扫描图及二值化见图9、10。二值化图中黑色区域为孔隙，白色区域为土粒。由图可知，对于膨胀前的土样，在初始含水率较低时，土体内裂隙、孔隙分布广泛，土颗粒之间的接触形式以“点-边”“边-边”为主；随着含水率的升高，土颗粒逐渐聚集在一起，土体内部裂隙、孔隙逐渐变少，土体结构内部无明显裂隙，孔隙由最初的中、大孔隙逐渐演变成小孔隙，颗粒之间接触形式由“点-边”“边-边”为主转化为“面-面”接触为主。试样吸水膨胀稳定后，其内部细观结构发生了较大的改变。吸水后，土样内部的大裂隙明显减少，内部微小裂隙逐渐发育，且分布趋于均匀。

为定量分析土样中孔隙特性，基于计算机图像处理软件IPP，将土样孔隙按照最小定向径进行定义［20］，用像素面积的大小来表示孔隙的大小，由于本次试验SEM扫描图所选取倍数不同，将膨胀前土样孔隙按照最小定向径定义如下：①微孔隙，直径小于4；②小孔隙，直径4～16；③中孔隙，直径16～64；④大孔隙，直径大于64。膨胀饱和稳定后土样孔隙最小定向径定义如下：①微孔隙，直径小于12；②小孔隙，直径12～48；③中孔隙，直径48～192；④大孔隙，直径大于192。膨胀前后土样中各类型孔隙数量及孔隙面积统计结果见图11—13。

从图11可以看出，吸水膨胀前，试样中以小孔隙为主，微孔隙和中孔隙次之。吸水膨胀后，试样中以微孔隙为主，小孔隙次之；当试样初始含水量低于26. 54%时，试样中微孔隙数量明显增加，但随着含水率的增加，小孔隙增加量变得不明显。说明土样吸水后，由于亲水性矿物吸水膨胀，导致土体中黏土矿物颗粒的大小、排列方式发生了较大变化。

由图12、13可知，在土体含水率较低时小孔隙和大孔隙面积占比较高，随着初始含水率的升高，微孔隙和中孔隙面积呈现先增后减的趋势，小孔隙面积总体呈现下降趋势，大孔隙面积变化并不显著。膨胀稳定后的土样，孔隙由小孔隙转为微孔隙，这是因为膨胀土在吸水膨胀过程中，水与土体的亲水性矿物结合，矿物晶胞间吸水膨胀后，水又进入晶胞叠聚体之间，引起叠聚体的分离，进而导致矿物颗粒体积变小，孔隙变小，但面积增大。

5土样吸水膨胀及强度劣化机理分析

土体吸水膨胀前为固、液、气三相体系，固体颗粒中既有黏土颗粒也有非黏土颗粒，膨胀土的膨胀性主要是由于土中含有蒙脱石、伊利石、高岭石等亲水性黏土矿物成分，见图14。黏土颗粒为粒径为小于0. 005 mm的细粒，颗粒表面带有负电荷，晶格构造为2∶1型、1∶1型晶胞，晶胞表面及边缘吸附有可交换阳离子，晶胞之间的联结力较弱。遇水时，可交换阳离子的水化作用会导致晶层之间的膨胀，进而引起黏土矿物晶胞叠置数量减小。随着水化作用的逐渐完成，在黏土颗粒电场引力作用下，极性水分子和水化阳离子吸附于黏土颗粒周围，层叠体变得更加不稳定，继续裂解，进而变成更薄的层叠体甚至单晶体，黏土颗粒集合体膨胀。膨胀完成后，大的黏土颗粒会分解为小的黏土颗粒，颗粒与颗粒之间的排列方式也发生变化，土中小孔隙变多，孔隙面积变大。伴随着膨胀作用的逐渐发挥，在基质吸力作用下，水会继续进入土体孔隙之中，促使土体孔隙中吸附毛细水，毛细水首先占据土样中的小孔隙，然后再填充大孔隙。随着含水率的增加，土体中基质吸力逐渐降低，土体慢慢趋于饱和，土体吸水膨胀完成，见图15。土体吸水后，土颗粒与颗粒之间的胶结作用变弱，土体强度变低。

理想情况下，当土体干密度一定、体积一定时，土中固相颗粒质量一定，孔隙率一定，土体吸水膨胀稳定后，含水率恒定。但由于初始含水率的不同，土样中黏土矿物颗粒大小、排列方式发生变化，所以吸水膨胀稳定后，土样中含水率大小、孔隙的分布形式均发生了变化。因此膨胀土宏观上吸水后膨胀软化，本质上受黏土矿物控制，其次是黏土矿物与非黏土矿物之间的结合形式，即细观的空间结构形态。

6结论

a）膨胀土吸水膨胀时程曲线具有明显的时效性，呈现出快速膨胀、减速膨胀及稳定膨胀三阶段特征；土样膨胀稳定后最终膨胀率随初始含水率增加逐渐减小；土体吸水膨胀系数随初始含水率增加呈指数函数形式递减，并最终趋于稳定；考虑初始含水状态的膨胀变形公式可更好地模拟不同初始含水状态下土样的膨胀过程。

b）土样的c、φ值随初始含水率的增加逐渐减小；吸水膨胀后土样含水率增加，c、φ 值降低，但膨胀吸水量随初始含水率的增加先增加后减小。

c）初始含水状态下，土样中以小、中孔隙为主，膨胀稳定后以微、小孔隙为主，孔隙面积增加。说明吸水膨胀改变了土体细观结构。这是因为土样中亲水性矿物吸水后，晶胞变大，晶胞与晶胞之间联结力变弱，叠聚体中晶胞数量变少，甚至变为单晶胞，土颗粒之间的结合方式改变，进而影响了土体的细观结构组合形态，引起土体吸水后膨胀，并最终导致土体强度劣化。