干湿循环历史对季冻区膨胀土体变特性的影响

樊科伟，贾昊泽，蔺建国，严俊，邹维列

(1.武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉，430072；2.中国水利水电科学研究院水利部水工程建设与安全重点实验室，北京，100048)

膨胀土含有蒙脱石、伊利石等亲水性的黏土矿物，具有比一般黏土更为显著的遇水膨胀、失水收缩的特性。因此，在夏秋季节的干湿循环作用下，膨胀土水含水率会发生较大的变化，使其自身体积发生改变，进而引发膨胀土边坡失稳、渠道渗漏等一系列工程问题[1-5]。而对于位于季冻区的膨胀土，在冬春季节还将经历冻结和融化作用(冻融循环作用)，膨胀土的水分会产生相变，导致其体积发生改变，也可能影响工程的正常运行[6-8]。因此，探明干湿与冻融循环作用对膨胀土体变特性的影响具有重要意义。

针对季冻区膨胀土，以往研究多聚焦于单一的冻融循环作用对膨胀土力学特性的影响，也有部分学者采用“一次干湿、一次冻融”的交替循环模式，研究了干湿、冻融循环作用对膨胀土力学特性的影响。例如，蔡正银等[9-10]分别研究了干湿和冻融循环作用下膨胀土裂隙的演化规律和裂隙发育的方向性；高小云等[11-13]研究了干湿和冻融循环作用对膨胀土强度、土水及收缩特性的影响。但这些研究与自然界中膨胀土在夏秋季节连续经历多次干湿循环作用后，在冬春季节再经历多次冻融循环作用的事实并不相符。而目前关于干湿循坏历史对季冻区膨胀土在冻融循环过程中体变影响的研究还极少。鉴于此，本文作者以黑龙江季冻区膨胀土为研究对象，选取3种不同干湿循环次数，探究干湿循环历史对具有不同初始含水率的膨胀土试样经历冻融循环作用后的体变特性的影响，以期为季冻区膨胀土工程的灾害防治提供参考。

1 试验材料、方案及体积测定方法

1.1 试验材料

试验所用膨胀土取自黑龙江引嫩干渠乌北段38 km处的渠道边坡。所取膨胀土去除腐化植物和石块后，多为2～3 cm 灰褐色土块，如图1所示。采集的膨胀土经风干、研磨后，过孔径为2 mm筛子以去除大颗粒，其基本物理性质和化学成分如表1所示。颗粒分析试验测得土样中砂粒占10%(质量分数)，粉粒占49%，黏粒占41%，X 线衍射试验显示该膨胀土的主要矿物成分为石英、伊利石、钠长石、方解石。

表1 膨胀土试样基本特性指标Table 1 Basic properties of the tested expansive clay

图1 膨胀土试样Fig.1 Expansive soil sample

选取初始含水率分别为18%和24%(分别位于最优含水率的干侧和湿侧)的膨胀土样进行试验，试验所用试样为直径70 mm、高20 mm 的环刀试样。

1.2 干湿-冻融循环方案

干湿-冻融循环方案的选择主要包括干湿循环次数、冻融循环次数和干湿-冻融组合循环次数的选择。有研究表明，第1次冻融作用后膨胀土性能变化最大，经历6次冻融后膨胀土各方面性质的变化不再明显[12,14]，因此，本文选取6 次冻融循环次数模拟季冻区冬春季的冻融循环；第1次干湿循环作用对膨胀土性能影响最大，3～4次干湿循环后膨胀土力学特性变化不再明显[15-16]。本文分别选择0次、1 次和3 次干湿循环，研究干湿循环次数(历史)对膨胀土后续冻融过程中体变的影响；初步选择4个周期作为干湿和冻融组合模式的最大循环次数，研究每种组合模式下膨胀土经历4轮循环过程中的体变特性。为简便描述，采用数字和字母编号对循环方案进行描述，例如“24-3G6D-4”代表初始含水率为24%的膨胀土试样经历4轮“3次干湿循环和6次冻融循环”的组合模式。

1 次完整的干湿循环过程或冻融循环过程如下：1)干湿循环。配制初始含水率(18%或24%)的试样，将试样置于多孔板上并放入可控式恒温恒湿试验箱进行鼓风干燥，试验箱设置温度为40 ℃、湿度为75%，试样干燥至缩限含水率为13%时，停止干燥。干燥完成后，对试样进行抽真空饱和，试样饱和后再将试样干燥至初始含水率，即完成一次干湿循环过程。2)冻融循环。用保鲜膜包裹干湿循环后的试样，放置在恒温恒湿箱内进行冻结，参考试验土样所在地黑龙江省齐齐哈尔市的年均温度变化范围，确定试样首先在-20 ℃下冻结12 h，然后在20 ℃下融化12 h，即完成一次冻融循环。

1.3 体积测定方法

将试样视为理想圆柱体，通过测量试样的直径和高度计算得到试样的体积。试样的高度和直径采用精度为0.01 mm的数显游标卡尺从2个平行试样的5个角度进行测量，然后分别取平均值作为试样的高度和直径。

为便于分析膨胀土的体积变化，引入相对初始体积变化率η0用于表示试验过程中试样体积相对于最初未处理的试样体积的变化率(膨胀时为正值，收缩时为负值)；引入相对当年体积变化率ηd表示第i年冻融循环过程中试样体积相对于第i年冻融作用开始前试样体积的变化率，即

式中：V0为试验初始体积；Vn为试验某一过程结束时的体积；Vi0为第i年冻融作用开始前的体积；Vik为第i年冻融作用开始后第k次冻融循环完成后的体积；k的取值为0～6。

相对初始体积变化率η0在工程实际中的意义如下：以工程竣工时的膨胀土体积V0为基准，以后所有年份膨胀土经历干湿和冻融循环后的体积相对于V0的变化。相对当年体积变化率ηd在工程实际中的意义如下：以当年冬春季节冻融循环开始前的体积Vi0为基准，当年冻融循环作用导致的膨胀土体积产生的相对变化。

2 试验结果与分析

2.1 最优含水率湿侧膨胀土的体变结果

图2所示为初始含水率为24%的膨胀土试样在不同干湿和冻融循环组合方式下，相对初始体积变化率η0的变化规律。从图2可以看出，在前期没有干湿循环(24-0G6D)作用情况下，膨胀土除了在第一次组合循环过程中(即第一年)前4次冻融循环后体积发生了一定的改变，后续组合循环作用下体积变化不再明显。这与其他学者所得结果类似[14,17-18]。而前期经过干湿循环作用后(24-1G6D 和24-3G6D)，每次组合循环过程中膨胀土体积都会随着冻融循环发生一定的变化，且前期3次干湿循环(24-3G6D)作用下的η0大于前期1 次干湿循环(24-1G6D)作用下的η0。

图2 不同干湿-冻融循环组合形式下初始含水率为24%的膨胀土相对初始体积变化率η0的变化Fig.2 Variation of η0 of expansive soil with initial water content of 24%under different combinations of drying-wetting and freeze-thaw cycles

分别对第1次组合循环中干湿循环引起的相对初始体积变化率η0和冻融循环引起的相对当年体积变化率ηd进行监测，结果如图3所示。从图3(a)可以看出：每经过一次完整的干湿循环后，膨胀土体积均减少，该结果与唐朝生等[17]得到的研究结果基本相同。从图3(b)可以看出：经历过不同干湿循环次数后的膨胀土试样在冻融循环过程中的体积变化差别不大。因此可以推断，前期干湿循环引起的膨胀土体积减少是导致24-3G6D 模式下的η0大于24-1G6D模式下的η0的主要原因。

图3 初始含水率为24%的膨胀土体积变化率在第1次干湿-冻融组合循环过程中的变化Fig.3 Variation of volume change rate of expansive soil with initial water content of 24%during the first combined drying-wetting and freeze-thaw cycle

图4所示为初始含水率为24%的膨胀土在不同干湿和冻融组合循环方式下，相对当年体积变化率ηd的变化规律。从图4可以看出，前期不经历干湿循环作用时，ηd在第2次组合循环时已基本达到稳定(即24-0G6D-2，24-0G6D-3 和24-0G6D-4 曲线基本重合)，约为0%。前期经历1次干湿循环作用时，ηd也是在第2次组合循环时基本达到稳定，但稳定时的ηd最大值约为0.82%；前期经历3 次干湿循环作用时，ηd在第3 次循环时才基本达到稳定，稳定时的ηd最大值约为1.23%。这说明前期干湿循环次数会影响后续膨胀土冻融循环过程中的体积变化：随着干湿循环次数增多，膨胀土相对当年体积变化率达到稳定时所需的组合循环次数增多，且稳定时ηd的最大值逐渐增大。

图4 不同干湿-冻融循环组合形式下初始含水率为24%的膨胀土相对当年体积变化率ηd的变化Fig.4 Variation of ηd of expansive soil with initial water content of 24%under different combinations of drying-wetting and freeze-thaw cycles

2.2 最优含水率干侧膨胀土的体变结果

图5所示为初始含水率为18%的膨胀土在不同干湿和冻融循环组合方式下相对初始体积变化率η0的变化规律。由图5可以看出：对于初始含水率为18%的膨胀土，干湿循环3 次的η0与干湿循环1 次的η0差别不大。采用扫描电镜试验(SEM)分别对初始含水率为18%和24%的试样的微观结构进行分析，结果分别如图6所示。由图6可以看出：由于初始含水率为18%的膨胀土试样的膨胀性矿物水化不充分，导致其颗粒聚集现象较初始含水率为24%的膨胀土试样更为明显(如图7所示)。这是因为试样本身存在更多的大孔隙，在第1次干湿循环作用后土体快速达到亚稳定的破坏结构，致使3次干湿循环与1次干湿循环作用引起的体变差别并不明显(如图8所示)。

图5 不同干湿-冻融循环组合形式下初始含水率为18%的膨胀土相对初始体积变化率η0的变化Fig.5 Variation of η0 of expansive soil with initial water content of 18%under different combinations of drying-wetting and freeze-thaw cycles

图6 不同初始含水率膨胀土的SEM图像(放大400倍)Fig.6 SEM images of expansive soils with different initial water contents

图7 不同初始含水率膨胀土的水化现象示意图Fig.7 Schematic diagram of hydration phenomenon of expansive soils with different initial water contents

图8 初始含水率为18%的膨胀土相对初始体积变化率η0随干湿循环次数的变化Fig.8 Variation of η0 of expansive soil with initial water content of 18%with the number of drying-wetting cycles

图9所示为初始含水率为18%的膨胀土试样在不同干湿和冻融循环组合方式下，相对当年体积变化率ηd的变化规律。与初始含水率为24%的膨胀土试样不同的是，初始含水率为18%的膨胀土前期经历1次和3次干湿循环作用的ηd的变化规律差别不大，但4次组合循环后ηd稳定时的最大值约为0.4%，小于初始含水率为24%的膨胀土达到稳定后的ηd最大值。这是因为相较于高含水率膨胀土，在最优含水率干侧的低含水率膨胀土具有团聚体结构[19-20]，前期受到干湿循环的影响，试样孔隙及颗粒结构更易达到极限破损状态，所以，后续的冻融循环对膨胀土体变的影响会降低。

图9 不同干湿-冻融循环组合形式下初始含水率为18%的膨胀土相对当年体积变化率ηd的变化Fig.9 Variation of ηd of the expansive soil with initial water content of 18%under different combinations of drying-wetting and freeze-thaw cycles

3 结论

1)干湿循环历史(次数)会对季冻区膨胀土在冻融循环过程中的体积变化产生明显的影响。位于最优含水率湿侧(初始含水率w=24%)的膨胀土，随着干湿循环次数增大，经过多次组合循环后的相对初始体积变化率η0逐渐增大，相对当年体积变化率达到稳定时的组合循环次数增大，且稳定时ηd的最大值逐渐增大。

2)相较于位于最优含水率湿侧的膨胀土，位于最优含水率干侧(w=18%)的膨胀土内的颗粒聚集现象明显，导致其体变在组合循环作用下前期受到干湿循环的影响较大，而受到后续冻融循环的影响较小。