重塑黏土恒压湿化变形试验研究

邱秀梅+赵晓龙+章赛泽+孙兆辉+卞汉兵

摘要：针对某重塑黏土，通过常规固结仪，研究了恒压下初始孔隙比、应力及初始饱和度对湿化变形的影响。试验结果显示，应力和初始孔隙比e对湿化变形影响明显，低应力下，变形随e的提高逐渐由膨胀变为压缩；高应力下，试样均发生压缩，压缩量随e的增大而增大；定量分析了湿化变形与应力和e之间的关系。试样湿化稳定时间t0受应力和初始孔隙比e影响明显，t0随应力的增加而增大；低应力下，t0随e的增加而增大，高应力下，t0随e的增加先增大后减小。初始饱和度Sr对湿化变形也有较大影响，低压应力下，试样膨胀量随着Sr的增加先减小后增大，可能存在“最优初始饱和度”，使得变形量最小；高压应力下，试样压缩量随Sr的增加而减小，二者可近似用直线拟合。

关键词：非饱和土；孔隙比；饱和度；湿化变形

中图分类号：TU43文献标识码：A文章编号：

16721683（2017）06014407

Abstract：

This study investigated the influences of initial void ratio，stress，and initial water saturation on the wetting deformation of remolded cohesive soil under constant pressure using the conventional consolidation apparatusThe experimental results showed that the stress and initial void ratio e had significant impact on the wetting deformationUnder low stress，the deformation changed from expansion to shrinkage with the increase of e；while under high stress，all the samples were compressed and the amount of compression would increase with the increase of eThe relationships among wetting deformation，stress，and e were analyzed quantitivelyThe wetting stability time t0 was affected obviously by the stress and eThe t0 would increase with the increase of stressUnder low stress，t0 would increase with the increase of e；under high stress，t0 would increase first and then decrease with the increase of eThe initial water saturation Sr also had great influences on the wetting deformationUnder low stress，the swelling capacity would decrease first and then increase with the increase of Sr；the "optimum initial water saturation" may exist，which can lead to the smallest deformationUnder high stress，the amount of compression would decrease with the increase of Sr，and their relationship was approximately linear

Key words：unsaturated soil；void ratio；water saturation；wetting deformation

土石壩因造价低廉，施工简单，抗震性能好等诸多优点而广泛应用在我国水利工程中[1]。对心墙坝，在蓄水初期，上游坝壳堆石会经历由干燥到饱和的过程，其间产生的变形称为湿化变形[2]。

较大的湿化变形可能会导致坝体出现裂缝而影响大坝的安全运行，因此土石坝湿化变形问题仍是需要解决的热点问题。目前关于坝壳堆石料的湿化变形研究较多[35]，但对黏土心墙本身的湿化变形研究却较少[69]。若心墙黏土由于湿化变形而产生了裂缝，那极有可能引起水力劈裂[1013]等严重后果。因此对心墙黏土的湿化变形研究很有工程意义。

第15卷 总第93期·南水北调与水利科技·2017年12月

邱秀梅等·重塑黏土恒压湿化变形试验研究

心墙粘土在填筑时通常采用分层碾压[14]，含水量接近于最优含水量，饱和度较高，但很难达到完全饱和[8]。研究表明，非饱和土湿化过程中，在低应力条件下湿胀特性引起膨胀，在高应力条件下由于孔隙坍塌产生不可恢复的塑性变形[1516]。某种土呈现膨胀还是湿陷，不仅取决于矿物成份，还和应力状态、孔隙比和饱和度有关[1718]。

土石坝蓄水过程中坝体及心墙部分的饱和度将发生变化，而饱和度变化对强度、变形和渗透性都会产生影响[1921]。沈珠江[22]院士提出广义吸力的概念，认为随着广义吸力的丧失，孔隙比逐步向稳态发展，欠压缩土的孔隙比变小，超压缩土的孔隙比变大。Fredlund[23]基于非饱和土“相”的物理意义，提出了孔隙比状态方程，并通过孔隙比和含水量估计了膨胀量的变化。endprint

本文通过非饱和重塑土恒压湿化变形试验，模拟水库蓄水过程中土石坝黏土心墙的湿化变形，初步研究了初始孔隙比、应力和初始饱和度对试样湿化变形的影响。

1试验材料与方法

11试验材料

试验材料为临沂市蒙阴县某土石坝心墙用土。取样后经烘干粉碎，并过05 mm筛备用。土样的基本物理指标见表1，可判定为中液限黏质土。

12试验方法

将一定量粉碎干土与一定量水（按最优含水率附近配置）均匀混合，在密封塑料袋中养护一昼夜。之后按设计的层数和每层击数对土样击实，两层交接面作刨毛处理。通过击实层数和次数来改变试样的孔隙比，击实后的试样通过环刀切取土样若干，分别放入固结仪内同时在不同固结应力下进行试验。试验采用WG1B型三联中压固结仪，具体试验方案和试样尺寸见表2。

土样固结后，为获得湿化前的饱和度，需卸载，取出土样称重后再迅速归位加载，2 h后加水湿化，具体流程见图1。土样固结48 h后，沉降量均小于0005 mmh，根据《土工试验规程SL 2371999》，可认为土样已达到稳定。但图2中固结段最后仍有沉降，这主要是水分散失引起土样干缩的影响。土样重新加载2 h后已达到稳定标准，开始加水湿化。这里假定土样再加载2 h后状态与卸载前相同。不同荷载模拟心墙在原位受到的固结应力，湿化模拟水库的蓄水过程。

13土相指标计算方法

本文初始孔隙比e和初始饱和度Sr均为土样湿化前的状态，且考虑了固结沉降的影响。具体计算如下：土粒体积Vs=MsGs，Gs为土粒比重；孔隙水体积Vw=Mwρw，ρw为水的密度；孔隙水质量Mw=M-Ms，M为总质量，湿化前取出试样获得；总体积V=Sh0，S为环刀界面积，h0为试样净高度；h0=h-δh，h为环刀高度，δh为固结稳定的沉降量。综上，可按定义求得孔隙比e=VvVs=（V-Vs）Vs，饱和度Sr=VwVv。需要指出，虽然按最优含水率制样，但由于制样和固结过程水分的散失，实际湿化前土样含水率仅在约14%～17%范围内。

2试验结果分析

21湿化变形时程曲线分析

图3-图5为不同固结应力下不同初始孔隙比土样湿化变形时程曲线，为节省篇幅，将两种应力下的曲线放在一起。曲线时间零点设定在土样加水湿化的时刻。[JP3]在侧向约束下，土样仅发生竖向变形，体变ε[WTB1X]v[WT]仅反映轴向变形，与三轴试验中的体变是有区别的。

从图3可以看出，50 kPa和100 kPa应力下，大部分土样发生膨胀，且随着e的增大，膨胀量减小，直到出现收缩。值得注意的是，土样（e=0671和e=0710）出现由膨胀到压缩的转变。土样（e=0710）在湿化初期，变形表现为膨胀，到08 h后，变形速率降为零，曲线出现一个短暂的平台，大约持续20 min，随着湿化的继续，土样变形表现为压缩。

图4可以看出，在150 kPa应力下，e较大时（e=0696和e=0711），土样表现为明显的压缩；而e较小时（e=0606）土样表现为膨胀；在两者之间的土样（e=0647）表现为初期膨胀，后期压缩。

在200 kPa应力下，试样变形规律和150 kPa的情况基本一致：e较大的试样（e=0746）表现为明显的压缩，e较小的试样（e=0604）有体积膨胀的迹象，但应力的作用越来越明显。首先，对e较小的土样（e=0604），虽然有膨胀的迹象，但膨胀整体不明显。其次，虽然土样（e=0681和e=0650）在初期存在膨胀的趋势，但无论是膨胀时间还是膨胀量均相对较短小，总体上仍表现为压缩。

在300 kPa和400 kPa应力下（图5），土样均表现为压缩，且压缩量随e的增大而增大。此时，应力对变形起主导作用，试件内部孔隙塌陷引起的体积收缩远大于黏土颗粒吸水引起的体积膨胀，土样宏观表现为压缩。

22湿化变形的影响因素分析

为便于分析，整理不同竖向荷载的土样湿化体积应变ε[WTB1X]v、初始孔隙比e和饱和度Sr关系，如图6所示。图中ε[WTB1X]v[WT]用折线表示，水平虚线ε[WTB1X]v[WT]=0以上代表体积收缩，水平虚线以下则膨胀。

从图6可以看出，应力对试样变形影响明显：随着应力的增加，试样由膨胀逐渐变为收缩，且收缩量随着应力的增加而增大。对于低应力水平（比如50 kPa、100 kPa），试样主要表现为膨胀；对于高应力水平（比如300 kPa、400 kPa），试样则全部为收缩。同一应力下，试样随e的增加收缩量增加。

此外，體变ε[WTB1X]v[WT]（图6中折线）在200 kPa出现一个峰值，该点对应的e较大，这说明当应力达到200 kPa后，ε[WTB1X]v[WT]对e更加敏感，较大的e可能会导致很大的变形。因此在土石坝心墙填筑时应严格控制孔隙比的范围，过大的孔隙比会导致湿化时产生大变形，这对工程不利。

为进一步分析应力σ1和初始孔隙比e对湿化变形εv的影响，绘制不同σ1下εv-e曲线，见图7。因200 kPa下εv有峰值，在分析时不予考虑。可以看出，不同σ1下的各点可近似用直线拟合。设εv-e拟合直线的斜率和截距分别为a和b。显然a和b[JP3]随σ1Pa的变化而变化，故点绘a-σ1Pa和b-σ1Pa关系，见图8，也可用直线拟合。故ε[WTB1X]v[WT]随e和σ1的变化可近似用下式表示：

ε[WTB1X]v[WT]=[JB（（]a[WTB1X]v[WT][SX（]σ1[]Pa+b[WTB1X]v[WT]e+[JB（（]c[WTB1X]v[WT][SX（]σ1[]Pa+d[WTB1X]v[WT]（1）

式中：参数a[WTB1X]v[WT]，b[WTB1X]v[WT]，c[WTB1X]v[WT]和d[WTB1X]v[WT]分别等于2787，11812，-0501和-9751。endprint

文献[17]根据广义吸力[22]的定义，给出了广义吸力us[KG-3]′的建议表达式，认为us[KG-3]′与孔隙比和应力状态有关，并给出了广义吸力丧失引起变形的估计式。本文（1）式也包含孔隙比和应力状态，但估计的变形不仅包含广义吸力丧失的变形，还包含晶格本身的胀缩变形，是宏观的估计，对实际工程土体的湿化变形预测有一定的参考作用。

23湿化变形稳定时间影响

整理不同荷载下试样湿化变形稳定时间见图9，土样初始孔隙比e用折线表示。可以看出，试样湿化变形稳定时间t0受固结应力影响明显，随着应力的增加，t0大体呈增大趋势。同一应力下，初始孔隙比e不同，t0也不同：低压应力下，t0随着e的增大会减小；高压应力下，t0随e的增加先增大后减小。

应力对t0的影响可从渗透系数方面解释。已有研究表明，渗透系数是孔隙比的函数，其值取决于孔隙的大小和空间分布。孔隙比越小，渗透系数越小。在应力作用下，较大且不稳定的孔隙首先被压缩，土体的渗透系数急速下降，且其下降速度远大于孔隙比的下降速度。渗透系数的下降导致湿化过程减缓。

初始孔隙比e对t0的影响也可从渗透系数考虑：随着e的增加，水分进入土体变得容易，土体湿化稳定的时间会加快，因而t0会减小。高压应力下，e小的土样t0反而小，这可能是由于e较小，土体结构稳定且饱和度Sr较高（见图9中虚折线），水分进入土样困难，导致其稳定较快。

24初始饱和度对湿化变形量影响

湿化过程中，初始饱和度Sr对体积应变ε[WTB1X]v[WT]的影响相对复杂。试验得到的Sr与ε[WTB1X]v[WT]之间的关系并不符合Tadepalli和Fredlund[24]所描述的简单的线性关系。

图10中给出了低应力下初始饱和度Sr与体积应变ε[WTB1X]v[WT]的关系。实际孔隙比e和饱和度Sr会互相影响，二者呈负相关（见图6，图9），为了消除e的影响，每组曲线选取e大小相近的数据，浮动范围不超过002，图10土样e均为07±002，图12的处理与此类似。结果显示，试样Sr与ε[WTB1X]v[WT]可能存在非线性关系，可用多项式拟合，对给定的e和应力，可能存在“最优初始饱和度”使得试样在湿化过程中膨胀最小。

图10中的曲线可从微观方面进行解释。当饱和度较低时（图11（a）），土的基质吸力较大，收缩膜提供的张力将土颗粒紧紧拉住，土体孔隙结构较为稳定，湿化过程中，基质吸力减小导致结构破坏产生的收缩量相对较小，因而总体表现为膨胀量随饱和度的增大而减小。另一方面，当土样本身饱和度较高时（图11（b）），土样湿化时基质吸力变化不大，因而孔隙结构的破坏较少，膨胀量会略微增大，但由于饱和度高，湿化需要的水分较少，因而总体上膨胀量还是小于饱和度较低的试样。

在高应力下，由于应力对变形起主要控制作用，土样的微观孔隙结构的稳定性变得十分重要。Sr较低时，土样的基质吸力较大，在湿化过程中，Sr的变化导致“有效应力”变化较大，因而宏观表现为εv较大。随着饱和度的增大，土样的基质吸力变化减小，εv减小。

3讨论

土体作为颗粒材料，湿化变形主要取决于微观结构（宏观上可通过初始孔隙比及孔隙分布描述），应力和初始饱和度。较高的孔隙比，通常预示着不稳定的微观结构。在湿化过程中，一方面随着饱和度的增加，基质吸力下降，土体失去“围压效应”，“有效应力”降低，导致其强度下降[2526]；另一方面，水分进入土颗粒之间，形成一层润滑的水膜，削弱了土颗粒间的有效接触，使得土体中的孔隙结构不再稳定。两方面的共同作用下，土体孔隙结构破坏造成体积收缩。相反，初始孔隙比较小，土体孔隙结构相对稳定，土体的压缩性小。吸水过程中，土体孔隙结构破壞较小，土体矿物成分膨胀占主导地位，宏观上表现为膨胀。

土体表现为膨胀还是收缩，主要取决于黏土湿化引起的膨胀量和孔隙结构破坏引起的压缩量的大小。吸水膨胀量通常有以下因素控制：（1）土体中黏粒（蒙脱石）含量，含量越高，体积膨胀越大；（2）初始含水量，其值越高，体积膨胀量越小；（3）微观结构，即土体颗粒的排列，稳定的土体微观结构会增大土体的宏观体积膨胀量。而土体的收缩除受所处应力影响外，还取决于微观孔隙结构，稳定均匀的微观结构可有效地降低微观孔隙破坏，因而减小宏观体积压缩量。

4结论

本文通过恒压湿化试验，研究了土样湿化过程，湿化变形量及湿化稳定时间的影响因素，对初始饱和度与变形量的关系进行了探讨，主要结论如下：

（1）低应力（50 kPa，100 kPa）下，试样湿化曲线主要为膨胀，随着初始孔隙比e的增加，膨胀量减小，并逐渐变为收缩。高应力（300 kPa，400 kPa）下，试样均收缩，且收缩量随e的增加而增大。建立了湿化变形与应力、初始孔隙比之间的关系式，可在工程上对土体湿化变形进行初步估计。

（2）试样湿化稳定时间t0受应力、初始孔隙比e影响明显。t0大体随应力的增加而增大。低应力下，t0随e的增大而减小；高应力下，t0随e的增加先增大后减小。

（3）试样湿化体积应变受初始饱和度Sr影响较大。低应力下，试样膨胀量随Sr先减小后增大，可能存在“最优初始饱和度”，使得试样的膨胀量最小。高应力下，试样收缩量随Sr的增大而减小，二者可近似用直线拟合。

（4）本试验仅初步分析了试样湿化变形的影响因素，后续仍需通过试验对结论予以验证，并借助理论分析和模型建立等手段开展相关定量分析，以便将成果运用到实际工程中。

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