不同温度下红黏土胀缩性试验研究

常留成

(1.上海建工设计研究总院有限公司，上海 200030; 2.东华理工大学 建筑工程学院，南昌 330013)

1 研究背景

黏性土中含水率的变化会引起土的体积发生变化。黏性土由于含水率的增加，土体体积增大的性能称为膨胀性；由于含水率的减小，体积减小的性能称为收缩性。这种湿胀干缩的性质，统称为土的胀缩性。土的胀缩性可造成基坑隆起、坑壁拱起或边坡滑移；土体积收缩时常伴随着产生裂隙，从而增大土的透水性，降低土的强度和边坡稳定性。因此，研究土的胀缩性对岩土工程的安全和稳定具有重要意义。

曾秋鸾[1]结合广西不同地区红黏土胀缩试验资料，指出红黏土的收缩量大于膨胀量，以收缩变形为主。谈云志等[2]针对目前测定土膨胀力方法的不足，提出了限制膨胀法，以压实红黏土为材料，分别用限制膨胀法和膨胀反压法来测定红黏土的膨胀力并进行对比分析，发现限制膨胀法测定的膨胀力小于膨胀反压法的测定值，更符合膨胀力的物理定义。赵颖文等[3]在对广西贵港击实红黏土胀缩性的研究中发现红黏土击实样的胀缩性受到含水率和干密度的共同影响。谈云志等[4]对压实红黏土进行自由收缩试验，结合孔隙分析仪，着重探明微观孔隙变化与宏观体积收缩过程的一致性，发现收缩先从团聚体间的孔隙开始，而后扩展到团聚体内的孔隙。朱建群等[5]研究了干湿循环对红黏土收缩特性的影响，探讨了干湿循环对内部孔隙结构的影响机制。张永婷等[6]对红黏土及膨胀土在干湿循环条件下的胀缩变形特性进行比较，指出红黏土以收缩为主，膨胀土以膨胀为主，同时对其水稳定性进行了研究，发现红黏土的水稳定性优于膨胀土。

部分研究者认为红黏土的膨胀收缩变形不可逆，如黄丁俊等[7]采用常规固结仪和自制收缩仪研究了干湿循环对红黏土胀缩特性的影响，指出红黏土的膨胀收缩变形是不可逆的，随着干湿循环次数的增加，膨胀变形和收缩变形呈减小趋势，稳定后的膨胀率和收缩率均逐步减小，收缩系数减小最终趋于稳定。王莹莹等[8]通过收缩仪和膨胀仪对不同初始含水率的重塑红黏土进行了无荷载条件下的干湿循环试验，发现初始含水率和干湿循环次数均对红黏土的胀缩变形有影响，随着干湿循环次数的增加和含水率的提高，绝对膨胀率和绝对收缩率不断增大，红黏土发生了不可逆的胀缩变形。

红黏土的胀缩性随着区域的不同也有所不同。朱建群等[9]研究了贵州红黏土的胀缩性和水敏性，指出红黏土特殊的结构和较大的比表面积使得孔隙水以结合水为主，基质吸力的存在有助于红黏土膨胀性的发挥，同时抑制了团粒的收缩性能，胀缩变形在初始阶段发展迅速而后变缓并趋于稳定。方薇等[10]发现武广客运专线红黏土的收缩性大于膨胀性，属于中压缩性土。

影响黏性土的胀缩性的因素可分为内在因素和外在因素，内在因素主要指矿物成分和微观结构，外在因素包括温度和降雨等。红黏土含有大量活性黏土矿物，如高岭石、蒙脱石、伊利石等。特别是蒙脱石由于比表面积比较大，在较低含水率时能吸附大量结合水，可以说土中蒙脱石含量直接决定了红黏土胀缩性大小。红黏土的黏土矿物以高岭石和伊利石为主，含有少量蒙脱石，有的地区甚至不含蒙脱石，致使红黏土的胀缩性弱于膨胀土。谭罗荣和孔令伟[11]认为红黏土是由大小不等的片状高岭石等黏土矿物通过表面接触形成絮凝结构，这种面-边接触的絮凝结构比团粒结构具有更大的吸水膨胀和失水吸缩的能力。水分的迁移是控制土胀、缩特性的关键外在因素。

以往的研究者在研究红黏土胀缩性时对温度关注不多，而温度的升高增强了孔隙水迁移的能力，水分的移入和迁出在宏观上表现为土的膨胀和收缩，故研究温度变化的影响非常必要。本文以江西南昌地区第四系红黏土为试验对象，进行不同温度下的膨胀收缩试验；以初始含水率和初始干密度为对比变量，分析温度对红黏土胀缩性的影响。

图1 红黏土击实曲线和颗粒级配累积曲线Fig.1 Compaction curve and cumulative particledistribution curve of red clay

2 土样的胀缩变形试验

2.1 土样的基本物理性质

为研究温度对红黏土工程特性的影响,本文选择南昌市典型红黏土为试样,土样取自生米街附近的施工现场,属第四系残坡积红黏土，呈棕红色，具网状结构。土粒以小颗粒为主，并伴有少量砾石, 结构疏松，有少量根系存在。将土样自然风干，碾散后过2 mm筛。

对红黏土的基本物理性质进行了测试，其中相对密度值采用比重瓶法来测得，液、塑限值采用液塑限联合测定法测取，颗粒分析采用筛析法。红黏土基本物理参数如表1所示，击实曲线和颗粒级配累积曲线如图1所示。

表1 红黏土基本物理指标Table 1 Basic physical indexes of red clay

注：粉粒粒径<0.075 mm，砂粒粒径为[0.075,2] mm

由表1可以看出，土样砂粒含量较高，0.075～2 mm的颗粒占55.82%;液限较高,达50.1%,属于高液限黏土。

击实试验结果表明，该土最优含水率为18.35%，比天然含水率小，和塑限含水率(17%)相近。该最优含水率对应的最大干密度为1.642 g/cm3。

从颗粒大小分布曲线可以看出不均匀系数cu为8.62，曲率系数cc为0.547，属于级配不良土。

综上，将该土定义为级配不良的高液限粉砂质黏土[12]。

2.2 试验方案

2.2.1 膨胀变形试验方案

膨胀变形试验前，首先进行试样制备，将风干土碾散后过2 mm筛，按照计算的含水量分别制成含水率为18.35%,20%,24%的3组土样，密封湿润24 h，含水率20%和24%的土样制成3种不同干密度(1.55,1.64,1.70 g/cm3)的试样，含水率为18.35%的土样制成2种不同干密度(1.55,1.64 g/cm3)的试样，总共40个样品。试样尺寸为20 mm×61.8 mm(高×直径)。

试样制备完成后，用游标卡尺量取每个试样的初始高度。将试样放入膨胀仪中，向容器内自下而上注入水，并保持水面超过试样顶面5 mm，使试样自下而上浸水。用加热装置对膨胀仪进行加热，初始试验温度为27 ℃，当温度达到设定温度后每30 min读数1次，2 d后每隔2 h读数1次，待2次读数的误差≤0.01 mm时，视为膨胀稳定。升温至50 ℃，待间隔2 h的2次读数误差≤0.01 mm时，视为该温度下膨胀稳定。直至升温到90 ℃，待2次读数误差≤0.01 mm时，试验完成。

2.2.2 收缩变形试验方案

收缩变形试验前，首先进行试样制备。将风干土碾散后过2 mm筛，按照计算的含水量分别制成含水率为18.35%,20%,24%的3组土样，密封湿润24 h，采用静力压样法制成不同干密度(1.55,1.64,1.70 g/cm3)的试样，共40个样。试样尺寸为20 mm×61.8 mm(高×直径)。

试样制备完成后，用推土器将试样从环刀中取出，用游标卡尺量取每个试样的初始高度和直径。将试样放在多孔板的中间，试样中心放一测板，将带有试样的多孔板置于收缩仪上，装好千分表，使千分表对准测板中心。将收缩仪放在天平上称取试样和收缩仪的质量，精确至0.1 g。试验操作如图2(a)所示。将收缩仪放在图2(b)所示的加热装置中，温度控制原理见图3，将千分表调整到零点，将温度加热到27 ℃后保持恒温，每隔一定时间记下千分表读数，同时称取试样和收缩仪的总质量，待间隔6 h的2次百分表读数误差≤0.01 mm时，视为该温度下收缩稳定，升温至50 ℃，待间隔6 h的2次读数误差≤0.01 mm时，视为该温度下收缩稳定，直至升温到90 ℃，待2次读数≤0.01 mm时，试验完成。试验完成后，称收缩仪质量(收缩仪和百分表)，将试样放在烘箱中在105 ℃下烘干，称干土质量，精确至0.1 g，用游标卡尺量取烘干土的高度和直径。试验要求在收缩曲线的第1阶段，应量取≥4个数据。

图2 收缩试验装置和可调温控加热装置Fig.2 Shrinkage test device and adjustable temperaturecontrol heating device

图3 加热装置温度控制原理Fig.3 Schematic of temperature control

3 试验结果及分析

3.1 膨胀变形试验及分析

红黏土的无荷载膨胀率δep(以下简称膨胀率)可表示为

(1)

式中：h0为试样原始高度(mm)；hw为土样浸水膨胀稳定后的高度(mm)。

图4 常温下不同干密度红黏土初始含水率和膨胀率的关系曲线Fig.4 Relationship between initial moisture contentand expansion rate of red clay with varied dry densityat room temperature

图4是红黏土常温下初始含水率、干密度和膨胀率的关系曲线。从图4可以看出：初始含水率和干密度均对红黏土的膨胀率产生一定的影响，随着初始含水率的增加，干密度最大的试样的膨胀率增幅最明显；干密度最小的试样的膨胀率却随着初始含水率的增加而减小；干密度居中的试样的膨胀率却随着初始含水率的增加先减小后增加。

限于篇幅，图5仅给出不同温度下初始含水率为20%的红黏土膨胀率时程曲线,未给出其他初始含水率的膨胀率时程曲线，该时程曲线显示了红黏土膨胀率与持续时间的关系。

图5 不同温度下初始含水率为20%的红黏土膨胀时程曲线Fig.5 Time-history curves of expansion rate of red claywith initial moisture content 20% at differenttemperatures

由图5可知，红黏土的膨胀过程可分3个阶段：

(1)线性快速增长阶段。膨胀率与时间近似呈线性增长关系，这一阶段所用时间短，但此阶段膨胀率的变化幅度可到总膨胀率的80%以上。

(2)缓慢增长阶段。该阶段的膨胀时程曲线呈“外凸”型，膨胀率随着时间缓慢增长，此阶段膨胀率的变化幅度约占总膨胀率的19%。

(3)稳定阶段。该阶段红黏土的膨胀率基本上不再随着时间的持续而增加，而是保持一个恒定不变的值，我们把这个值称为最终膨胀率，此阶段膨胀率的变化幅度约占总膨胀率的1%。

膨胀率增长速度和膨胀率增长量均为：线性快速增长阶段>缓慢增长阶段>稳定阶段。

由图5还可知，尽管各试样所处的温度不同，但试样的膨胀率在500 min内几乎都达到了最终膨胀率的90%以上，而后缓慢增长并趋于稳定。随着温度升高，初始膨胀率和最终膨胀率的差距在加大。

将各试样在不同温度下的最终膨胀率绘制于图6。从图6可知：试样的膨胀率和温度密切相关。随着温度的升高，膨胀率大体呈增大趋势，不同初始含水率及不同干密度的试样膨胀率随温度的变化幅度不同；初始含水率相同的试样中，干密度越大，膨胀率的增幅愈明显；各试样的膨胀率在80 ℃之前缓慢增长，超过80 ℃时增长较快。

图6 红黏土最终膨胀率和温度的关系Fig.6 Relationship between final expansion rateand temperature

3.2 收缩变形试验结果及分析

红黏土的线收缩率(简称线缩率)为

(2)

式中hi为土样收缩后的高度(mm)。

红黏土的体收缩率(简称体缩率)为

(3)

式中：V0为土样收缩前体积(mm3)；Vd为土样收缩后体积(mm3)。

红黏土的收缩系数为

(4)

式中：Δω为收缩曲线上第1阶段两点的含水率之差(%)；Δδsi为对应的两点线缩率之差(%)。

图7为常温下(27 ℃)不同干密度、不同初始含水率的试样收缩试验结果。

图7 常温下红黏土收缩曲线Fig.7 Effect of moisture content on shrinkage ofred clay at room temperature

从图7可以看出：随着含水率的下降，不同初始含水率条件下的收缩曲线形态相似，红黏土经历了快速直线收缩阶段、缓慢收缩阶段、最终收缩稳定阶段，共计3个阶段；同一干密度的不同初始含水率试样，初始含水率高的收缩曲线整体位于初始含水率低的收缩曲线的上方，并且初始含水率越大，其最终收缩率整体上也越大；随着干密度的增大，初始含水率20%试样的收缩曲线和初始含水率24%的收缩曲线的间距在不断缩小，差异明显减小。可见干密度对红黏土的收缩性也有一定影响。

从图7还可以看出：对于同一初始含水率的3种不同干密度试样，干密度小的试样在第1阶段的收缩曲线的斜率大于干密度大的试样，即干密度越小，线缩率增幅越明显。干密度小的试样的最终线缩率大于干密度大的试样。

图8是初始含水率为20%时温度对红黏土收缩性的影响曲线，表示线缩率与含水率之间的关系。

图8 初始含水率为20%时温度对红黏土收缩性的影响曲线Fig.8 Effect of temperature on shrinkage of red claywith initial moisture content 20%

从图8可以看出：随着含水率的降低，收缩曲线大致可以分为斜直线阶段、外凸阶段、直线稳定阶段，共计3个阶段，各阶段的收缩率增大速度和收缩率变化幅度不同；收缩率增大速度和收缩率变化幅度均为斜直线阶段>外凸阶段>直线稳定阶段，前2个阶段的收缩变形量占总收缩变形量的95%以上。

将不同温度下各试样的最终线缩率、体缩率、收缩系数进行汇总，如图9所示。

图9 红黏土的温度与最终线缩率、体缩率、收缩系数的关系Fig 9 Curves of temperature vs. final linear shrinkage,volumetric shrinkage and shrinkage coefficient of red clay

从图9(a)可以看出：随着温度的升高，线缩率总体呈现不断递减的规律，不同初始状态的试样的最终线缩率变化幅度不同；初始含水率高和干密度大的试样的最终线缩率变化总体上较大，低初始含水率和干密度小的试样的最终线缩率变化较小；线缩率随着温度的升高总体上先缓慢减小后快速减小，最后减速缓慢并趋于稳定。将线缩率的变化过程分为缓慢减小阶段、快速减小阶段和稳定阶段共3个阶段，前2个阶段的界限温度是50 ℃，后2个阶段的界限温度为80 ℃。

由图9(b)可见：

(1)不同初始状态下(初始含水率和干密度都不同)的试样体缩率随着温度的升高有减小的趋势，这一趋势似乎随着干密度的降低和初始含水率的升高而更为明显。

(2)干密度较大的试样大体有着较高的体缩率。

(3)干密度为1.64 g/cm3和1.70 g/cm3试样的体缩率随温度的变化曲线分布比较接近，差异较小。而干密度为1.64 g/cm3和1.55 g/cm3试样的体缩率随温度的变化曲线分布差异相对要大一些。

由图9(c)可知：不同干密度和初始含水率的红黏土的收缩系数整体上随着温度的增大逐渐减小；随着温度的升高，不同初始状态的试样收缩系数的变化趋势不同，有的试样的收缩系数先缓慢下降，而后快速降低，如初始含水率为24%、干密度为1.55 g/cm3的试样；有的试样的收缩系数随温度升高近似线性下降，如初始含水率为24%、干密度为1.70 g/cm3的试样。

4 结 论

本文对不同初始含水率和干密度的红黏土进行了不同温度下的无荷载膨胀试验和收缩试验，并对根据上述试验数据分析，可得到以下结论。

(1)红黏土的膨胀过程可分为线性快速增长阶段、缓慢增长阶段、稳定阶段共3个阶段。膨胀率增长速度和膨胀率增长量均为：线性快速增长阶段>缓慢增长阶段>稳定阶段。

(2)红黏土的膨胀率随着温度的升高大体呈增大趋势，红黏土膨胀性的温度效应受初始含水率和干密度的共同影响。

(3)不同温度下初始含水率为18.35%的红黏土的收缩过程可分为斜直线阶段、外凸阶段、直线稳定阶段共3个阶段。收缩率增大速度和收缩率变化幅度均为：斜直线阶段>外凸阶段>直线稳定阶段。

(4)红黏土的线缩率随着温度升高总体呈现减小的规律，收缩性的温度效应同样受控于初始含水率和干密度，初始含水率越高，干密度越大，总体上线缩率随温度的变化幅度越明显。

(5)不同初始状态的试样收缩系数在不同温度下不是恒定不变的，而是随着温度的升高，各试样的收缩系数整体上呈下降趋势，下降的速率却各不相同。