微观结构对膨胀土土-水特征曲线的影响

齐道坤，潘燕敏，张 亮

（1.国网河南省电力公司 经济技术研究院，郑州 450052；2.同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092）

1 研究背景

近年来，随着河南省电力输电线路建设规模的扩大，需要修建大量的杆塔。河南省广泛分布着大量的非饱和膨胀土，其遇水膨胀，强度迅速降低的特性对杆塔基础的稳定性和承载能力构成了很大的威胁。因此需要深入地了解膨胀土的工程特性，进而为膨胀土地区杆塔的修建提供理论基础。土-水特征曲线（Soil Water Characteristic Curve，简称 SWCC）是用来描述土体含水率和吸力之间关系的曲线，表征了非饱和土的持水特性，并且可以用来预测土体抗剪强度和渗流等特性［1-2］，因此，研究SWCC对研究非饱和膨胀土性质具有重要意义。为了深入研究土-水特征曲线的特性，众多学者对干燥速率［3］、压实度、应力状态及历史［4］和体积变化［5］等因素对土体持水特性的影响进行了研究，这些研究主要是从土体参数或者外部条件对土体持水特性进行分析。从本质上来看，水储存在孔隙中或者在联通的孔隙中流动，所以土的水力特性（如渗流和土-水特征）大部分是由土中的孔隙所决定。有研究表明，用孔隙累计曲线可以模拟和预测干燥路径SWCC，并且预测结果与实测结果吻合较好，可见土体中孔隙分布是影响土-水特征曲线的重要因素［6-7］。

另外，目前对于膨胀土土-水特征曲线的研究主要集中在干燥过程中，但是膨胀土的遇水膨胀且强度迅速降低的特性使得其最危险的状态出现在土体吸湿过程中；而且研究吸湿路径的SWCC，对于预测土体中水分渗流的规律和吸湿过程中抗剪强度的变化具有重要的意义，所以对膨胀土吸湿路径SWCC的研究有待完善和发展。

本文采用渗析法和气相法测得了膨胀土的吸湿路径下土-水特征曲线，并采用Van Genuchten模型（简称VG模型）对其进行拟合。并分别取渗析法和气相法中吸力达到稳定状态的土样各一个，采用扫描电镜试验和压汞试验对吸湿过程中土样的微观结构变化进行分析，从微观机理上对非饱和膨胀土的持水特性进行解释。

2 试验用土

土样取自河南南阳一输电线塔拟建场地，呈黄褐色、硬塑状、含黑色铁锰质结核，属于第四系中更新统冲、洪积黏土，由比重计法和激光粒度仪法［8］对土体颗粒粒径进行分析，得到颗粒分布曲线如图1所示，从颗粒的分布来看，该土为不均匀土。其基本物理性质和矿物组成分别如表1和表2所示，其中亲水性矿物（伊利石和伊蒙混层等）的含量超过30%，而且经试验测得其自由膨胀率为59%，可判断该土为弱膨胀土。

图1 颗粒分布曲线Fig．1 Curves of grain-size distribution

表1 试验用土的基本物理性质Table 1 Physical-mechanical properties of test soil

表2 土样的矿物成分Table 2 Mineral composition of soil specimens

3 试验方案

3.1 渗析法控制土样的吸力

低吸力部分（＜2 MPa）采用渗析法进行试验。利用聚乙二醇（Polyethylene glycol，简称PEG）溶液与土样的吸力差和半透膜不允许大于其孔径的大分子PEG溶质通过的特性，来控制土样的吸力。为缩短土样与溶液吸力平衡的时间，试验采用PEG20000溶液和截留分子量为12 000～14 000的半透膜。试验过程如下：

（1）挑选出具有代表性的风干土体，小心地将其切削成厚度为6 mm，直径约为30 mm的土样。

（2）向500 mL的烧杯中加入适量的纯水，并根据水的质量和目标溶液PEG质量百分含量（Brix值）计算出所需PEG的质量，用玻璃棒将溶液搅拌均匀，本次试验过程中所用溶液的Brix值与所对应的吸力如表3所示。

表3 PEG20000含量与对应的吸力（渗析法）Table 3 Brix of PEG 20000 liquids and corresponding suction

（3）半透膜作为生物膜的一种，容易被溶液中的细菌破坏，选择透过性变差，无法准确控制土样的吸力，所以向溶液中加入适量青霉素，并搅拌均匀，减少或防止细菌的滋生。

（4）采用日本ATAGO公司生产的N-1α手持式折光度仪量测溶液的Brix值，并通过加入水或者PEG的方式调整溶液到目标Brix值。

（5）剪下约15 cm的半透膜，并放在纯水中浸泡10 min，取出后将切削好的土样放入半透膜，折叠半透膜，并用夹子夹好半透膜两端，防止溶液从口部进入半透膜。

（6）用细杆串起夹子的尾端，使得半透膜悬挂在烧杯中，并且此时溶液完全浸没土样；用保鲜膜将烧杯口密封，以减少溶液中水分蒸发对溶液Brix值的影响。

（7）将烧杯放置在20℃的恒温环境中，并用磁力搅拌器搅拌溶液，保证实验过程中溶液始终均匀。

（8）每天用折光度仪量测溶液的浓度，直到溶液浓度在3 d内基本不变，视为系统处于稳定状态，此时土样吸力与溶液中的吸力相同，这一过程大概需要8 d，取出土样并用烘干法测土样的含水率。

3.2 饱和盐溶液法控制土样的吸力

高吸力部分（＞3 MPa）采用气相法，即利用饱和盐溶液来调节干燥皿内空气的相对湿度，以控制土样中的吸力。每隔一定时间称量土样的质量，当土样的质量基本不变时，此时土样的含水率即为在该吸力条件下的土样含水率，试验中采用的饱和盐溶液与对应的吸力如表4所示。

表4 饱和盐溶液及其对应的吸力（气相法）Table 4 Saturated salty liquids and corresponding vapor suction obtained by vapor phase method

气相法试验过程如下：

（1）选择大小合适并且表面未被扰动的风干土样放入铝盒的盒盖中。

（2）在干燥皿中配置适量的过饱和LiCl溶液，将土样放在干燥皿的陶瓷板上，为了保证干燥皿内部吸力的稳定性，在干燥皿的盖沿上涂抹凡士林以保证其密封性，最后将整个装置放在20℃的恒温环境中。

（3）称量土样的质量，直到连续3 d土样的质量基本不变，视为达到稳定状态，土样吸力与饱和盐溶液的吸力相同，这一过程大概需要10 d。

（4）将稳定后的土样逐次放入盛有 Mg（NO3）2·6H2O，NaCl，KCl，K2SO4过饱和盐溶液的干燥皿陶瓷板上，并记录下土样在每种盐溶液控制下吸力达到稳定后的土样的质量，对放入盐溶液的次序控制是为了让土样处于吸湿路径。

（5）最后烘干土样，并根据土样在每种盐溶液的控制下达到稳定后的质量计算出土样的含水率。

3.3 微观结构测试

在含水率差距较小时，扫描电镜试验或压汞试验很难反映出土样之间微观结构的差异，故而选取2种吸湿过程中2个含水率差别较大的点进行分析：在0.55 MPa吸力（渗析法）下达到稳定状态的土样和在过饱和NaCl溶液（38 MPa）控制下吸力稳定后的土样进行微观结构及其在吸湿过程中的变化进行分析。压汞试验和扫描电镜试验需要用干燥后的土样，然而普通的风干或者烘干过程会使得土样出现干缩现象，其内部的孔隙分布特征会改变。

为了提高试验的精度，本次试验采用液氮冷冻真空干燥法［9］干燥土样。压汞试验采用美国麦克公司生产的AutoPore IV 9500型压汞仪，扫描电镜试验采用日本日立公司生产的Hitachi SU1510型扫描电镜。步骤如下：

（1）取出在各吸力下达到稳定状态的土样，小心地包裹在细铁丝网中，放入冷冻干燥机。

（2）向干燥机中倒入液氮对土样速冻15 min，这一过程使土样中的水迅速变为冰；接着打开干燥机抽真空，并控制干燥机在-50℃下持续抽真空24 h，使土中冰升华。

（3）干燥完成后，将土样小心掰去原有的被干扰过的表面，暴露出新鲜表面；再用洗耳球吹去新鲜表面的浮土，镀金后进行扫描电镜试验。

4 土-水特征试验结果及分析

因为试验过程中并未控制土样的体积不变，处理土样饱和度与吸力的关系并没有太大意义，所以采用重力含水率这一参数来描述膨胀土的持水特性。由渗析法和气相法得到的土样重力含水率和吸力之间的关系如表5所示。

表5 土样重力含水率及其所对应的吸力Table 5 Relationship between suction and gravitational moisture content of soil specimen

在众多的土-水特征曲线拟合模型中，VG模型［10］因其拟合度高，适用性好而被广泛地应用，因此采用VG模型来拟合本次试验中土体重力含水率与吸力之间的关系，拟合关系式如式（1）所示，即式中：ω为土体重力含水率（%）；ωr为残余含水率（%）；ωs为饱和含水率（%）；s为吸力（kPa）；p为与进气值相关的参数；m，n为经验系数，反映含水率随吸力变化的剧烈强度，m和n的关系为m＝1-1／n。

因为膨胀土的土-水特征曲线在没有明显拐点的情况下持续增湿，因此土-水特征曲线未反映其残余含水率ωr的值，根据经验，可取ωr＝0，ωs取实测饱和含水率29.21%，经数据拟合得到p＝200 kPa，m＝0.2，n＝1.25，便可得到全吸力范围内的曲线方程，即

拟合曲线如图2所示。

图2 土体土-水特征曲线Fig．2 SWCC of the expansive soil

将VG模型拟合的膨胀土土-水特征曲线的中段斜率恒定的部分延长，将土体饱和时对应的重力含水率水平延长，两延长线交点对应的吸力值即为进气值，对于本试验用土约为80 kPa（如图2）。理论上讲，进气值表征了土体内部最容易失水的大孔隙产生减饱和所必须的水、气压力差。在土体脱湿过程中，当吸力小于进气值时，土体饱和度高，几乎所有的孔隙都充满水；当吸力大于进气值时，随着吸力的增大，土体会迅速失水而变干。

图2中的虚线为典型土-水特征曲线（数据来自参考文献［11］），VG模型拟合的膨胀土土-水特征曲线与典型的土-水特征曲线所表现出来的明显的阶段特征不同，膨胀土土样在增湿过程中的土-水特征曲线虽然具有一定的反“S”形态，但是过渡段和残余段的区分并不明显，也就是说土样在没有表现出明显拐点的情况下持续增湿。这一结论与谭晓慧［12］和黄志全［13］采用不同方法对不同地区膨胀土测得的吸湿路径SWCC结果相同。过渡段和残余段的区分并不明显的原因在于：与典型的可以分成边界效应段、过渡段和非饱和残余段的SWCC相比，膨胀土残余段斜率大，过渡段的斜率小。鉴于土体的SWCC与孔隙分布的关系紧密，因此从微观孔隙分布可以对膨胀土SWCC走势的特殊性作出解释。

5 微观机理探讨

5.1 微观结构特征

图3是土样在550 kPa吸力下达到稳定后的扫描电镜照片，由于土样的干密度较大，颗粒间排列较紧密，局部可见直径较大的贯通性裂隙。呈蜂窝状特征的矿物是伊蒙混层，该矿物是蒙脱石向伊利石或者伊利石向蒙脱石过渡的矿物，具有遇水膨胀特性。颗粒形状以片状颗粒和扁平状颗粒为主，排列较为杂乱，可判断该膨胀土的微结构类型为紊流结构；其接触方式以边—面接触为主，面—面和边—边接触为辅，这种接触形式使得孔隙尺寸分布不均匀。

图3 土样的扫描电镜照片Fig．3 SEM images of soil specimen

5.2 微观孔隙分布

图4 给出了在不同吸力下土样达到稳定后的孔隙分布曲线，由图4可见，不同的孔隙分布曲线大致有3个不同的峰值，土样中孔隙分布根据曲线的走势可以划分为3个区间。因此为了便于分析试验结果，结合孔隙分布特点，可以粗略地将土样中的孔隙按等效孔径的大小分为3个等级：大孔隙（＞5μm）、小孔隙（0.1～5μm）和微孔隙（＜0.1μm），其中0.1μm可以认为是黏土中集聚体内的孔隙和集聚体间的孔隙的分界值［13-14］。

图4 土样的孔隙分布曲线Fig．4 Pore size distributions of soil specimens

5.3 土体SWCC与微观结构的关系

目前有部分学者利用孔隙分布曲线来预测土的SWCC［6-7］。其内在原理为：孔隙分布曲线是通过压汞试验获得，压汞试验是通过在一定压力下向土样中压入汞，记录不同压力下的进汞体积，换算得到相应孔径的孔隙体积；在压汞试验中，汞先被压入较大的孔隙，然后是小孔隙。这一过程与SWCC的干燥路径中，大孔隙先失水，然后是小孔隙失水的过程相似。所以可以利用压汞试验原理（式（3））和土样吸力控制原理（式（4））建立孔隙等效直径和吸力之间的关系（式（5））。

式中：p为进汞压力（kPa）；σHg是汞的表面张力（在25℃下为484 mN／m）；φHg是汞与孔隙的接触角（为141.3°）；σw是水的表面张力（25℃时为72 mN／m）；φw是水与孔隙表面的接触角（假设为180°）；ua是空气压力（kPa）；uw是水压力（kPa）；Ψ为基质吸力（kPa）；D为孔隙等效直径（μm）。

虽然由进汞过程得来的累计孔隙分布曲线可以用来模拟干燥路径的SWCC，但是对于膨胀土，不论是处于吸湿过程还是干燥过程，它的微观结构会随着含水率的变化而变化［15-16］，在 SWCC量测过程中，土样中的孔隙分布会发生动态的变化，因此无法通过某一条特定的孔隙分布曲线来预测其SWCC。但可以采用这种换算方法，对膨胀土吸湿路径SWCC的趋势进行分析。

从图4中可以看出，当土样吸湿时，微孔隙波峰的峰高和峰高对应的孔径基本没有发生改变，但是峰宽明显增大，即集聚体内部的微小孔隙增多。Delage等［17］对膨润土的微观结构变化的时效性研究表明：随着集聚体内孔隙水分的增多，蒙脱石水化，集聚体内部的层叠体会逐渐分裂成薄的层叠体，填充了集聚体之间的孔隙，导致集聚体间大孔隙减小，集聚体内小孔隙增多。对于膨胀土来说，集聚体内孔隙和集聚体间孔隙的分界值为0.1μm［18］，根据式（5）孔径与吸力之间的换算关系可知，0.1μm孔径对水的吸力为3 000 kPa，所以集聚体内的孔隙主要影响高吸力范围内的SWCC。在气相法的量测过程中，膨胀土从空气中吸收水分，伊蒙混层水化，团聚体分裂成的层叠体填充了集合体间的孔隙，即使得小孔隙减小，微孔隙增多，新增加的微孔隙将继续吸水。这是一个连续的反馈过程，并持续到土颗粒在该吸力下的膨胀达到稳定状态。因此与水稳定性好的土（如砂土）相比，土样吸湿更快，即土样的吸湿曲线在高吸力部分斜率更大。

土样中0.1～5μm孔径对应的吸力在3 MPa～60 kPa范围内，从孔隙体积分布的变化情况来看，由于土样处于体积不受限制的自由膨胀状态，土颗粒体积膨胀后，会推开其周围的颗粒，增大孔隙的体积，使得小孔隙变成大孔隙。因为大孔径孔隙进水需要在更低的吸力下，所以与水稳定性好的土相比，膨胀土在该吸力范围内SWCC斜率会变小。

对于土体中大孔隙的体积含量迅速增大的情况，经过计算可知，孔径＞5μm的孔隙在吸湿过程中对应的吸力＜60 kPa，进气值约为70 kPa。也就是说，在土样含水率增大过程中大孔隙的体积含量增大，但是大孔隙的变化只影响SWCC的边界效应段，虽然随着孔隙的增大，会有更多的水进入土样中，但是土样一直处于饱和状态，这一区段膨胀土的SWCC与水稳定性好的土类似，大孔隙体积含量的变化对SWCC影响较小。

6 结 论

本文采用渗析法和气相法量测了膨胀土的SWCC，并根据微观试验解释了SWCC的变化趋势，主要结论有：

（1）膨胀土的土-水特征曲线呈现一定的反“S”形特征，但是过渡段和非饱和残余段的区分不明显，土样在无明显拐点的情况下持续地增湿。

（2）试验土体的微结构类型为紊流结构，土的孔隙分布曲线大致呈双峰分布，根据孔径的大小，孔隙可以分为大孔隙（＞5μm）、小孔隙（0.1～5μm）和微孔隙（＜0.1μm）；其中，微孔隙为集聚体内孔隙。

（3）在高吸力部分，膨胀土在吸湿后，伊蒙混层水化，团聚体分裂成的层叠体填充了集合体间的孔隙，使得小孔隙的体积含量减小，微孔隙体积含量增多。微孔隙的增多导致土体在高吸力部分吸水量的增多，而小孔隙的减少导致土体从非饱和残余段到饱和状态的过渡过程中吸水量减少。最终使膨胀土的SWCC的非饱和残余段和过渡段的区分不明显。