NaCl溶液改良膨胀土滞回曲线形态特征

李宝平， 支枭雄， 张玉,2*， 平高权

(1. 西安工业大学建筑工程学院， 西安 710021; 2. 西安理工大学陕西省黄土力学与工程重点实验室， 西安 710048)

膨胀土广泛分布于中国各地，是一种涨缩性的塑性黏土。随着基础交通建设的快速发展，越来越多的公路、铁路都不可避免地遭遇到膨胀土地层[1-2]。由于膨胀土涨缩特性与交通动荷载的联合累计作用，发生诸多上部结构开裂、路基边坡失稳等事故，实际工程中常采用改良膨胀土路基的方法减少工程事故[3-4]。在改良膨胀土方面，NaCl溶液改良法由于其简单易行、用量节约、环境污染小等优点引起了众多学者的关注，于海浩等[5]研究膨胀土在不同NaCl溶液浓度条件下的膨胀特性，发现NaCl溶液对膨胀特性的抑制与扩散双电层相关；杨周洁等[6]通过对不同干密度和NaCl溶液浓度的膨胀土进行一系列膨胀力试验，发现NaCl溶液对膨胀力有明显的抑制作用，随着浓度的增加，膨胀力显著降低。因此研究改良膨胀土在交通循环动荷载作用下的动力学特性有重要的工程价值。在土体动力学研究方面，滞回曲线阐述一个循环周期内动应力和动应变的关系，反映出动应变相对于动应力的一种滞后能力，因此研究滞回曲线就成为研究土体动力特性的核心之一[7-9]。

目前，国内外关于滞回曲线的研究多见于岩石材料，并取得了大量的研究成果[10-12]。土体材料的滞回曲线研究相对较少，且大多见于黄土、冻土、砂土、泥质炭土等土体。魏新江等[13]对冻融土进行动三轴试验，研究表明滞回曲线面积在加载过程中由大变小，面积及不闭合程度与冻融温度和固结度呈负相关；黄娟等[14-15]通过动三轴试验，研究围压、加载频率、固结比等因素对泥炭质土滞回曲线参数的影响；胡仲有等[16]通过动扭剪试验对比分析3个不同地区黄土滞回曲线的形状变化，发现滞回曲线形状与动剪应变有密切关系；庄心善等[17-18]分别对风化砂改良膨胀土和重塑弱膨胀土在不同围压、振动频率和固结比的情况下滞回曲线的变化规律进行研究，并对滞回曲线形态特征进行定量描述。目前,针对膨胀土及改良膨胀土滞回曲线的研究极为少见，并且不同地区膨胀土滞回曲线有明显的区域化差异，因此有必要对陕南地区改良膨胀土滞回曲线的形态特征进行试验研究。

综上所述，现以NaCl溶液改良陕南膨胀土为研究对象，通过GDS动三轴仪分析膨胀土在循环动荷载作用下滞回曲线的演化规律，在不同围压和NaCl溶液浓度条件下对膨胀土滞回曲线的形态特征参数进行定量分析，并通过对比分析膨胀土改良前后的滞回曲线各参数，评价NaCl溶液改良效果。为进一步探究NaCl溶液改良膨胀土的动力特性奠定基础，同时为陕南及相关膨胀土地区实际工程建设提供合理有效的参考依据。

1 试验简介

试验土样取自陕西汉中一处滑坡监测点，取土深度约5 m，膨胀土自由膨胀率为65%，属于中膨胀土。具体物理参数见表1。

试验采用GDS动三轴仪，如图1所示。

动三轴试验设定为固结不排水试验，加载频率为1 Hz，对土体分级施加正弦波型循环动荷载，分10级等差依次加载，每级荷载循环10个周期。取NaCl溶液浓度分别为0(蒸馏水)、0.1、0.5、1.0 mol/L和围压为50、100、200、300 kPa以探究不同条件下陕南膨胀土滞回曲线的演化规律。具体试验方案见表2。

图1 GDS动三轴仪Fig.1 GDS dynamic triaxial

表2 试验方案Table 2 Experimental scheme

动三轴试验步骤：将不同浓度的NaCl溶液改良膨胀土放入饱和器中进行真空饱和，待真空饱和及养护完成，将试样装进GDS动三轴仪压力室，进行反压饱和，当试样孔隙水压与围压比值达到0.98以上时，利用围压控制器使小主应力达到试验方案要求，然后施加围压并进行排水固结，当反压体积逐渐达到平稳，即固结完成。然后逐级施加正弦波荷载，当土样达到特定破坏标准或设定总循环振动次数，试验终止。

2 试验结果及分析

2.1 改良膨胀土滞回曲线k的演化规律

滞回曲线上下顶点的动应力和动应变的差值比为长轴斜率k。k值越大，表明膨胀土刚度越大，弹性性能越强，计算公式为

(1)

式(1)中：σB和σC分别为膨胀土在一个循环内最大和最小动应力；εB和εC分别为最大和最小动应变。

取第5级到第8级循环周期下的平均动应力-动应变σd-εd分析，得到0.5 mol/L浓度的NaCl溶液改良膨胀土在不同加载围压下的滞回曲线如图2所示；加载围压为200 kPa时不同NaCl溶液浓度改良膨胀土的滞回曲线如图3所示。

由图2、图3可得，未改良膨胀土及NaCl溶液改良膨胀土滞回曲线均为明显的斜椭圆形状；相同NaCl溶液浓度条件下，随着加载围压的增大，膨胀土滞回曲线倾斜角度变化越大，即k也越大。这是因为围压的增大使土颗粒被逐渐压实，进而增加了膨胀土颗粒之间的相互作用力，土体抵抗动变形的能力得到提高。NaCl溶液浓度改良作用下，滞回曲线倾斜角度相对不同围压条件时变化程度较小，但随着NaCl溶液浓度的增大，膨胀土的滞回曲线倾斜角度也有小幅度的增大，即NaCl溶液浓度与k也呈正相关。分析认为NaCl溶液向膨胀土内部扩散，由于膨胀土颗粒表面大量双电层的存在，孔隙内负电荷和Na+发生化学中和反应，从而降低双电层的排斥力，且随着NaCl溶液浓度的增加，土体的膨胀力减小愈加明显，内部饱和孔隙比减小，动弹性性能随之增强。

图2 0.5 mol/L NaCl溶液改良膨胀土滞回曲线Fig.2 Improved hysteresis curve of expansive soil with 0.5 mol/L sodium chloride solution

图3 200 kPa围压下改良膨胀土滞回曲线Fig.3 Hysteresis curve of improved expansive soil under 200 kPa confining pressure

不同加载围压条件下NaCl溶液膨胀土滞回曲线k与平均动应变关系如图4所示。

由图4可知，在不同加载围压条件下，随着平均动应变的增大，k呈现出不同程度的非线性减小，先快速衰减，后逐渐缓慢。说明NaCl溶液改良膨胀土在加载前期刚度较大，而随着循环动荷载的不断增加，土体逐渐失去抵抗动变形的能力。相同平均动应变和NaCl溶液浓度时，加载围压增大，k与动应变曲线向上偏移，k增大，在1.0 mol/L NaCl溶液浓度下，加载围压300 kPa较200 kPa时，k最大增长程度为7.2%。造成这种现象的主要原因是：随着加载围压的增大，膨胀土土体原生结构逐渐被破坏，次生结构不断生成，土颗粒向内部孔隙移动，土体孔隙减小，内部结构不断增强，颗粒间受到的挤密作用相应增大，其内部咬合力和摩擦力增大，增强了土体抵抗动变形的能力。不同NaCl溶液浓度条件下滞回曲线k与平均动应变关系如图5所示。

由图5可知，相同加载围压，不同NaCl溶液浓度下的k，随着动应变的增加而呈非线性减小；相同平均动应变和加载围压时，NaCl溶液浓度越大，k越大，其中1.0 mol/L NaCl溶液对其影响较为显著。这是由于土颗粒表面的负电荷和其周围阳离子形成大量的扩散双电层，而NaCl溶液浓度的增加使土颗粒表面的扩散双电层厚度减小，土体膨胀力降低，土颗粒间的接触面增大，相互作用增大，土体抵抗因交通动荷载发生变形破坏的能力增强。相比未改良土样，1.0 mol/L浓度的NaCl溶液改良膨胀土k与动应变曲线呈明显的上升，即k增大，改良膨胀土弹性性能变好。进一步说明NaCl溶液引起膨胀土内部微观应力变化，进而展现为宏观性质的增强。

2.2 改良膨胀土滞回曲线内面积S的演化规律

滞回曲线内面积S反映膨胀土在一个循环周期内因阻尼所耗散能量的大小，S值越大说明膨胀土耗散能量越多，同时抗震性能越强，计算公式为

(2)

式(2)中：Si为不闭合滞回曲线内多边形面积，循环加载次数i从第1级到第n级。

不同加载围压条件下NaCl溶液改良膨胀土滞回曲线S值与平均动应变关系如图6所示；不同NaCl溶液浓度作用下S值与平均动应变关系如图7所示。

图4 不同围压下滞回曲线斜率k与动应变关系Fig.4 The relationship between the slope k of the hysteretic curve and the dynamic strain under different confining pressures

图5 不同NaCl溶液浓度下滞回曲线斜率k与动应变关系Fig.5 The relationship between the slope k of the hysteresis curve and the dynamic strain in different sodium chloride solution concentrations

图6 不同加载围压下滞回曲线面积S与动应变关系Fig.6 The relationship between hysteretic curve areaS and dynamic strain under different loading confining pressures

图7 不同NaCl溶液浓度下滞回曲线面积S与动应变关系Fig.7 The relationship between hysteresis curve area S and dynamic strain under different sodium chloride solution concentration

由图6、图7可得，滞回曲线S随着NaCl溶液浓度的增大而增大，随着围压的增大而降低。 在不同加载围压和NaCl溶液浓度条件下，动应变发展初期(应变小于0.1%时)膨胀土滞回曲线S较小且无明显变化；随着平均动应变的不断增加，曲线出现较明显分离，S呈指数形式快速增大。 这是由于在加载循环动应力前期，改良膨胀土有较好的黏性和弹性能力，形变能较好回弹，阻尼比也较小，土样在此阶段的能量消耗较低，围压和NaCl溶液浓度对土体抗震和耗能性能的作用不明显；随着平均动应变继续增加，不同条件下的曲线呈指数形式增长，土体细观损伤程度和残余塑性变形不断积累，其消耗的能量迅速增加，表现为S的快速增长。

由图7可知，NaCl溶液改良后膨胀土相比于未改良膨胀土(0 mol/L)，S的增大有显著的作用，且浓度越大，S增长幅度越大，改良效果越明显。造成这种现象的主要原因是：相比未改良膨胀土，当颗粒内的孔隙为NaCl溶液时，有许多正电荷存在，孔隙内负电荷将与Na+发生化学中和反应，从而显著降低颗粒间扩撒双电层的排斥力，同时表面的水膜厚度减小，颗粒间阻碍作用也随之降低，从而显著增强膨胀土的抗震性能。

2.3 改良膨胀土滞回曲线残余应变εp的演化规律

滞回曲线的不闭合大小εp反映膨胀土发生不可恢复形变的大小和程度，计算公式为

εp=|ε0-εm|

(3)

式(3)中：ε0和εm分别为一个循环动荷载作用下土体滞回曲线起点动应变和终点动应变。

不同加载围压下改良膨胀土滞回曲线εp与平均动应变关系如图8所示；不同NaCl溶液浓度下滞回曲线εp与平均动应变关系如图9所示。

由图8、图9可知，εp在不同加载围压和NaCl溶液浓度条件下与平均动应变呈非线性增加变化；这是因为小应变时，膨胀土以弹性变形为主，滞回曲线闭合程度高，εp基本趋于定值0；随着循环动应变的不断增加，εp增长速度加快，土体颗粒之间黏聚力减弱，滞回曲线越疏松，越不闭合，一个循环动荷载下膨胀土的不可恢复变形越大。εp均与加载围压和NaCl溶液浓度呈负相关。说明随着围压和NaCl溶液浓度的增大，土体更为紧密，抗剪强度更高，土体抵抗循环动应力作用产生形变的能力也随之提高，滞回曲线越闭合，故εp随之减小。

由图9可知，NaCl溶液浓度对相同围压下的膨胀土滞回曲线εp有不同的抑制效果，且浓度越大，抑制作用越明显。说明NaCl溶液使土颗粒表面双电层厚度的减小，膨胀性被抑制，从而抵抗塑性变形的能力增强，有利于削弱膨胀土地基因交通动荷载产生的沉降危害，进一步说明NaCl溶液起到很好的改良效果。

图8 不同加载围压下滞回曲线残余应变εp与动应变关系Fig.8 The relationship between residual strain εp and dynamic strain of hysteretic curve under different loading confining pressure

图9 不同NaCl溶液浓度下滞回曲线残余应变εp与动应变关系Fig.9 The relationship between residual strain εp and dynamic strain in hysteresis curve under different sodium chloride solution concentration

2.4 改良膨胀土滞回曲线饱满度α的演化规律

滞回曲线饱满度α反映膨胀土的黏滞性大小，α越大，表明膨胀土滞回曲线越宽，黏滞性能越强，计算公式为

(4)

式(4)中：a和b分别为滞回曲线的长轴和短轴长度。

图10为不同加载围压条件下NaCl溶液改良膨胀土滞回曲线α与平均动应变关系曲线；图11为不同NaCl溶液浓度条件下α与平均动应变关系曲线。

由图10、图11可以得到，随着加载围压的增大，α增长速率明显降低；在动应变小于0.1%时，其滞回曲线α与动应变关系曲线基本重合且趋近于0，而当动应变大于0.1%时，随着动应变的增加，α增长速率显著加快且呈指数形式。这是由于在应变较小时，土体形变为弹性变形，细观损伤不明显，其滞回曲线的短轴值增长较小，此时α变化很小，随着动应变的继续增大，土体开始对不同围压和NaCl溶液浓度表现出敏感性，弹性性能降低，逐渐发生不可恢复的塑性形变，膨胀土内部结构发生变形破坏，其黏滞性也随之增大，短轴明显增大，α随之增大。

对比分析图11，发现α与NaCl溶液浓度呈正相关，在相同加载围压条件下，不同浓度的NaCl溶液改良膨胀土与未改良膨胀土α相比更大，说明滞回曲线更厚实，NaCl溶液改良膨胀土的黏滞性更强，其对土体动力特性的提高起到了好的增强效果。

3 结论

(1)不同条件下，膨胀土滞回曲线均呈斜椭圆形状；滞回曲线斜率k值与动应变为非线性负相关，且随NaCl溶液浓度和加载围压的增大而变大，其中1.0 mol/L NaCl溶液对k影响最为显著。

(2)滞回曲线残余动应变量εp与动应变呈非线性正相关，与围压和NaCl溶液浓度呈负相关；滞回曲线内面积S和饱和度α随加载围压的增大呈非线性衰减，随NaCl溶液浓度的增大呈非线性增加。

(3)不同加载条件下，滞回曲线内面积S和饱和度α有类似的变化关系；当动应变小于0.1%时，滞回曲线S和α基本无变化，而当动应变大于0.1%，随着动应变逐渐增大，S和α呈指数形式迅速增大。

图10 不同加载围压下滞回曲线饱满度α与动应变关系Fig.10 The relationship between fullness α of hysteretic curve and dynamic strain under different loading confining pressures

图11 不同NaCl溶液浓度下滞回曲线饱满度α与动应变关系Fig.11 The relationship between fullness α of hysteresis curve and dynamic strain in different sodium chloride solution concentration

(4)NaCl溶液改良膨胀土与未改良膨胀土相比，增强了土体刚度和弹性模量，滞回曲线k增大；增强了土体的黏滞性，α增大；增强了土体的抗震能力和能量耗散性能，S增大；减弱了残余塑性应变，εp减小。