干湿交替环境下膨胀土变形试验研究

2015-12-21曾召田刘发标吕海波于连顺徐云山

水利与建筑工程学报 2015年3期

曾召田，刘发标，吕海波，于连顺，徐云山

（1.桂林理工大学广西建筑新能源与节能重点实验室，广西桂林541004；2.广西大学土木建筑工程学院防灾减灾研究所，广西南宁530004）

膨胀土在我国分布广泛，是一种典型的“问题”土，湿胀干缩变形是其基本性质之一，常常对工程建筑的安全性和稳定性造成重要影响［1-5］。在自然条件下，由于气候（降雨和蒸发）的周期性变化，膨胀土经历反复的干湿循环和胀缩变形，其物理力学性质随之发生显著变化［6-10］。杨和平［11］通过室内干湿循环试验证明了膨胀土的胀缩变形过程具有不可逆性；赵艳林［12］对经历室内干湿循环后的南宁原状膨胀土进行胀缩性试验，探讨了其胀缩变形指标的变化规律；唐朝生［13］对干湿循环过程中膨胀土的胀缩变形特征进行了试验研究。然而，上述研究仅是通过竖向（轴向）变形对膨胀土的胀缩变形进行分析；在实际工程中，土体也会在横向（侧向）发生胀缩变形，从而引起土体体积的变化。对于一些体积变形有特殊要求的工程，如垃圾填埋场、放射物处置场等，仅考虑土体的竖向（轴向）变形就存在一定的局限性。因此，干湿交替环境下膨胀土变形试验是一个值得深入探讨的课题。

本文结合现场土体含水率观测数据，对南宁膨胀土在不同干湿循环幅度下的变形规律进行试验研究；探讨了体积变形参数、初始切线模量与循环次数的关系，并对试样绝对残余体变率与初始切线模量的关系进行了分析，可为相关工程设计和防护的计算参数选取提供参考。

1 试验方案及过程

1.1 试验土样

试验用膨胀土［14］的基本物理性质指标如表1所示，由文献［15］可知，该土样为强膨胀土。

表1 试验土样的基本物理性质指标［4，16］

1.2 确定循环参数

［4］，确定本次试验的循环参数：即确定20%为土样的初始含水率，依次经历4个循环幅度（即：±10%、±7.5%、±5%、±2.5%），分别进行0～7次干湿循环。因此整个试验一共分为32组试样，每组4～5个试样。

1.3 干湿循环

参考文献［4，16］，利用恒温恒湿箱进行试样的干湿循环试验，如图1所示。

图1 试样的干湿循环过程

1.4 变形量测

干湿循环过程中，膨胀土试样的体积随着土体含水率的改变而发生变化，通过游标卡尺分别量测各个控制含水率下试样的直径d（试样的上、中、下部各测一次）和高度h，计算出试样体积。以循环幅度±10%为例，每次循环中依次在含水率控制点20%、30%、20%、10%时量测试样直径和高度，即完成一次干湿循环过程中的体积量测，控制过程如图2所示。

图2 试验过程中变形量测控制示意图（循环幅度：（20±10）%）

1.5 三轴剪切

对已完成干湿循环的每组4个试样进行三轴不固结不排水剪切试验，围压分别为100kPa、200 kPa、300kPa、400kPa。剪切过程中，剪切速率控制为0.4mm／min，记录每个试样的应力-应变曲线。

2 试验结果及分析

2.1 体积变形与循环次数的关系

图3 体积变形量随干湿循环次数的变化曲线

为了定量分析干湿循环过程中膨胀土的膨胀变形规律，本文采用两个参数来定量描述整个循环过程中试样的体积变化，其定义分别为：

式中：V0为试样初始体积（cm3）；Vi为经i次干湿循环后试样的体积（cm3）；V（i-1）为经i-1次干湿循环后试样的体积（cm3）。

根据式（1）～式（2）分别计算出试样体积绝对体变率ηvi和相对残余体变率δvi，两者与循环次数N的关系如图4所示。

图4 ηvi与δvi和N 的关系

由图4可看出，各个循环幅度下试样体积绝对残余体变率ηvi均在前3次循环中增长最快，随后逐渐降低，因而表现出体积的相对残余体变率δvi也在前3次循环中较大，随后变化趋势逐渐减缓，最终趋于一稳定值。其原因在于：干湿循环过程中，初始状态的膨胀土试样会产生干燥开裂现象，裂纹破坏了土体的原状结构，消弱了土颗粒间的胶结联结，使土体内部的结构力逐渐消失，于是土体在吸水后就表现出最大的膨胀性。在后续的实验进程中，由于水的楔入压力及膨胀压力的作用，土体的集聚体内孔隙和集聚体之间发生了膨胀，当膨胀压力达到某一界限值，粒间联结产生不可逆的削弱，集聚体分散成次一级的集聚体，形成更为松散的排列，使得集聚体间孔隙迅速增加，在高含水率时，这种变化趋势随循环次数的增加而不断加强［11，16］。同时，膨胀土体中结合水溶剂膜的楔入作用与多种因素有密切关系，如土的颗粒大小及分布、矿物成分、水溶液成分以及外部环境等［17］。对于在特定条件下进行干湿循环试验的膨胀土来说，上述各因素中后三者是基本不变的，而第一种因素（即土颗粒大小及其分布）是随着干湿循环的试验过程而发生变化的，因此土颗粒大小及其分布才是决定膨胀土循环过程中胀缩特性的主要因素。

另一方面，干缩会引起黏性土颗粒产生聚集现象，影响其分布形态，从而改变其微观结构，最终导致其胀缩性能发生改变［12，16-18］。在失水收缩过程中，土颗粒集聚体产生干缩现象，再加上水化膜楔入压力的不断减小，土颗粒及其集聚体之间形成越来越紧密的排列；当其含水率减少到一定程度时，部分微集聚体在黏粒间范德华力的作用下发生重新聚集，于是土体中集聚体间的孔隙转化为集聚体内的孔隙，使后者体积随循环次数的递增而增加［16-18］；随着干湿循环过程的进行，膨胀土中分散细粒含量和比表面积都不断地减少，土颗粒的定向性也越来越差，这种变化在进行第3次循环时表现最为明显；随后，当达到某种平衡状态时，膨胀土干湿循环过程中表现出来的胀缩特性也将趋于稳定。

一般来说，土体微结构的改变必定会促使其宏观的物理力学性质发生变化。在这个试验过程中，反复的干湿循环过程促使土颗粒的集聚体大小和排列发生显著地变化，引起土体的比表面积减小，孔隙率增大，渗透性增强，表现在土粒之间的结构连结力减弱；随着循环次数的增多，膨胀土试样的裂隙越容易发育，进而大大降低了土的整体性，加剧了其强度的衰减程度［16，18］。膨胀土的胀缩裂隙主要是由于干缩不均匀产生的，干湿循环试验过程中土样的裂隙发育及分布情况如图5所示。由图5可知，干湿交替条件下膨胀土的裂隙发育主要发生在第1～3次循环过程，第4～5次循环后其裂隙发育及分布基本趋于稳定，这与体积变化和强度衰减［16］的规律是非常一致的。

2.2 体积变形与循环幅度的关系

干湿循环的体积变形量稳定次数与循环幅度Δw有关，Δw越大，则稳定次数越小，反之亦然。例如：当循环为10.0%～30.0%时，稳定次数为4次；而循环为12.5%～27.5%时，稳定次数为5次，如图6所示。

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图5 膨胀土试样经历各次干湿循环后的裂隙变化

图6 不同循环幅度时体积变形量与循环次数的关系

2.3 初始切线模量与循环次数的关系

根据试样的应力-应变曲线，通过初始切线得到不同干湿循环次数和循环幅度下的初始切线模量Ei（如图7所示）。

图7 Ei的确定方法

按照图7确定不同干湿循环次数和循环幅度下的初始切线模量Ei，如图8所示（只列围压100 kPa、200kPa）。

由图8可以看出，围压一定时初始切线模量Ei随循环次数的增加而逐渐减小，第1～3次循环时，初始切线模量衰减幅度最大，第4～5次循环后，Ei值有逐渐趋于稳定的趋势，这与裂隙发展、体积变化具有一致的规律。从总体上看，相同干湿循环次数下，循环幅度较大的，Ei值较小，反之亦然；从图中数据相比较而言，初始切线模量还应与某些因素有关，比如土体颗粒大小及其排列，仍需探讨。但这也可以说明循环幅度越大，对土体结构的整体损伤越大。

2.4 绝对残余体变率与初始切线模量的关系

图9（只列围压100kPa、200kPa）表示初始切线模量Ei与绝对残余体变率ηvi的关系曲线。由此可知，在一定的围压条件下，ηvi随着Ei的增加而呈非线性递减，二者之间有一定的关联性，相关研究有待于进一步探讨。

图8 Ei与N 的关系

图9 Ei与ηvi的关系

3 结论

（1）无荷条件下，膨胀土的干缩湿胀变形并不完全可逆。试样体积的绝对残余体变率ηvi随干湿循环次数增多而增大，但相对残余体变率δvi却逐渐减小，体积变形量稳定时所需循环次数均随含水率变化幅度增加而减小；其变形幅度在第1～3次循环中最大，之后基本趋于稳定；膨胀土裂隙发育主要发生在干湿循环中的第1～3次循环，第4～5次循环时基本趋于稳定。

（2）在围压一定时初始切线模量Ei随循环次数的增加而逐渐减小，第1～3次循环时，初始切线模量衰减幅度最大，第4～5次循环后，Ei值有逐渐趋于稳定的趋势。

（3）干湿循环条件下膨胀土绝对残余体变率ηvi与初始切线模量Ei是有一定关联的，随着初始切线模量Ei的增大，绝对残余体变率ηvi是逐渐减小的。

参考文献：

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