干湿循环条件下膨胀土膨胀特性试验研究

2023-12-14马英洁张凌凯

岩土工程技术 2023年6期

马英洁张凌凯张浩

（1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052；2.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆乌鲁木齐 830052）

0 引言

膨胀土是一种对环境湿热变化十分敏感的高塑性黏土，主要的矿物成分包括蒙脱石等强吸水性黏土矿物，具有强烈的吸水膨胀特性。在膨胀土分布地区，降水等因素会引起膨胀土膨胀，膨胀变形会导致膨胀土边坡破坏，工程灾害频发，如膨胀土渠坡失稳、膨胀土建筑地基因吸水膨胀而发生破坏等危害[1-2]，因此对膨胀土胀缩特性的研究十分重要。

针对膨胀土的膨胀特性，众多国内外学者从不同角度进行了探究。吴珺华等[3]、舒志乐等[4]、肖宏彬等[5]对膨胀土进行干湿循环条件下无荷膨胀与收缩试验，试验结果表明随着干湿循环次数的增加，试样的最终膨胀率和最终收缩率逐渐减小。段尚磊等[6]研究了膨胀土胀缩机理、微观机理及基质吸力在膨胀变形中的作用，测定多次干湿循环后试样膨胀量与时间的关系曲线，分析吸水膨胀曲线不同阶段膨胀特征，发现试样破损程度是导致膨胀曲线变化的重要原因。刘静德等[7]对强膨胀岩重塑样进行了膨胀率试验，发现膨胀岩体吸水膨胀量与其干密度、含水率有关，并推导膨胀力经验公式。武科等[8]对干湿循环作用下胀缩变形特性开展研究，在微观层面解释膨胀土吸水膨胀、失水收缩的微观机理，探讨了不同压力及含水率条件下膨胀土膨胀率随干湿循环次数的变化关系。刘祖强等[9]揭示渠顶膨胀土在干湿循环作用下膨胀变形和位移变形特征，为渠坡稳定性评价及处理方案提供依据。叶万军等[10-11]通过室内干湿循环试验，研究不同干湿循环条件下脱湿过程中膨胀土的开裂、收缩特性，并以微观角度从矿物成分等方面对不同条件下土体的细微观特征及力学特性进行了系统研究。唐朝生等[12-13]对膨胀土胀缩特性进行两组干湿循环试验，发现胀缩特征受干缩路径的影响明显，从宏微观角度解释其变化机制，建立土体龟裂的理论体系。Koteswaraarao 等[14]、张沛然等[15]、侯晓亮等[16]研究了微观指标、控制吸力与压实度等因素对膨胀土压缩指标的影响。高可可等[17]基于ArsGIS 软件分析浸水条件下土体微观图片，定量分析不同时间条件下膨胀土微观结构变化。

目前对干湿循环条件下膨胀土膨胀特性及微观机理的研究较少，鉴于此，本文通过对北疆供水一期工程膨胀土进行干湿循环条件下的无荷膨胀率、有荷膨胀率及电镜扫描试验，对膨胀率在干湿循环条件下不同随循环次数及不同压力条件下的变化规律进行研究，为膨胀土渠坡稳定性评价与维护提供一定的理论基础和试验基础。

1 试验材料与试验方案

1.1 试验材料

试验材料为北疆供水一期工程总干渠某挖方段的黄色泥岩，具有强膨胀性。依据《土工试验方法标准》（GBT 50123-2019）[18]对试验材料进行基本物理性质试验及X 射线衍射试验，物理性质见表1，矿物成分见表2。

表1 膨胀土基本物理性质指标

表2 膨胀土基本矿物组成

1.2 试验方案

1.2.1 试样制备

将原状膨胀土进行重复碾压，过2 mm 土工筛，放入105℃烘箱中烘干24 h，通过喷水法向膨胀土土样中加水，搅拌放入密封垫静止48 h，以最优含水率18.9%、天然干密度1.60 g/cm3为制样标准，通过轻型击实法制备高20 mm、直径61.8 mm 的重塑环刀样（见图1）。

图1 膨胀土环刀试样

1.2.2 干湿循环方案

干湿循环中包括湿润及干燥两个步骤，其中湿润阶段采用抽气饱和法模拟湿润阶段（抽气2 h，浸泡10 h），达到最大含水率（约27%），干燥阶段将饱和膨胀土试样在烘箱中干燥12 h（干燥温度为40℃），通过称重法控制膨胀土试样含水率，约烘干至天然含水率14.8%（见图2）。

1.3 试验方法

1.3.1 无荷膨胀率试验

采用固结仪（见图3（a）），对进行1、3、5、7、9 次干湿循环后的膨胀土试样进行无荷膨胀率试验，向固结仪中注水，超过试样上端透水石5 mm，记录5 min、10 min、20 min、30 min、1 h、2 h、3 h、6 h、12 h、24 h百分表度数。

图3 试验仪器

1.3.2 有荷膨胀率试验

采用WG-3A 单杠杆固结仪（见图3（b）），对进行1、3、5、7、9 次干湿循环后的膨胀土试样进行有荷膨胀率试验，上覆荷载为25 kPa、50 kPa、75 kPa、100 kPa，记录各级荷载下5 min、10 min、20 min、30 min、1 h、2 h、3 h、6 h、12 h、24 h 百分表度数。

1.3.3 SEM 扫描电镜试验

对干湿循环0、1、3、5、7、9 次的膨胀土试样进行SEM 电镜扫描试验，将膨胀土试样放置烘箱（105℃）进行完全烘干处理，置于离子溅射仪进行喷金处理，分别放大250、1000、2000、4000、8000 和10000 倍观察土体微观结构，经比较，选取10000 倍微观扫描图片定性分析干湿循环作用下膨胀土试样微观结构变化。利用Image-J 软件对放大10000 倍的微观图像进行处理（见图4），定量分析在干湿循环作用下土颗粒及颗粒间孔隙的变化机制。

图4 膨胀土微观图片处理

2 试验结果及分析

2.1 无荷膨胀率试验

图5 为不同干湿循环次数下膨胀土无荷膨胀率曲线。可知：①膨胀土在试验前期（约200 min 之前），无荷膨胀率随时间增加而增加，膨胀速率较大，试验中期（约200～600 min），无荷膨胀率随时间增加而略微增长，膨胀速率较小，试验后期，膨胀率较为稳定；②随着干湿循环次数的增加，无荷膨胀率逐渐减小，同时膨胀率稳定时间会逐渐提前，在5 次循环之后，逐渐在400 min 时趋于稳定，无荷膨胀率约为2%。

图5 不同干湿循环次数下膨胀土无荷膨胀率曲线

分析原因可知，试验所用膨胀土中含有较多黏土矿物，黏土矿物吸水能力决定膨胀土的膨胀能力，试验初期，水分子通过膨胀土微裂隙进入土体内部，与亲水性黏土矿物结合产生膨胀，变化较为强烈，试验后期膨胀土试样趋于饱和，无荷膨胀率逐渐趋于稳定；膨胀土经过干湿循环，土体结构发生破坏，水分子溶解黏土颗粒之间的连接物质，黏土矿物聚集体分解，膨胀土试样膨胀导致内部结构逐渐破坏，产生大量微小裂隙，吸水能力减弱，导致膨胀土无荷膨胀率呈逐渐减小的趋势。干湿循环后期，微观结构逐渐稳定，无荷膨胀率趋于稳定。

2.2 有荷膨胀率试验

图6 为不同干湿循环次数下膨胀土有荷膨胀率曲线。可知：①有荷膨胀率试验前期，膨胀速率较大，有荷膨胀率随着时间的增加而快速增加，试验后期膨胀速率逐渐趋于零，有荷膨胀率逐渐趋于稳定；②随着干湿循环次数的增加，有荷膨胀率逐渐减小，第5次干湿循环后，低压力条件下有荷膨胀率变化较小，高压力条件下有荷膨胀率几乎不再变化；③随着上覆荷载的增加，同一循环次数下有荷膨胀率逐渐减小。

图6 不同干湿循环次数下膨胀土有荷膨胀率曲线

图7 为1 次干湿循环条件下无荷膨胀率与有荷膨胀率曲线。可知当干湿循环次数相同时，无荷膨胀率大于有荷膨胀率，且随着荷载的增加有荷膨胀率逐渐减小。

图7 1 次干湿循环条件下膨胀土无荷膨胀率与有荷膨胀率曲线

分析原因可知，施加上覆荷载相当于试样上方施加了一个力，随着荷载的增加膨胀土内部结构会变得更加的紧密，从而减小了土颗粒之间的间隙，导致水分难以进入，因此会限制土的膨胀程度，所以随着荷载的增加膨胀率逐渐减小。荷载越大，膨胀土试样内部结构越紧实，试样中水含量就越少，有荷膨胀率越小。随着干湿循环次数的增加，破坏土体微观结构，有荷膨胀率随干湿循环次数的增加而减小。

2.3 膨胀率变化的微观机理

图8 为不同干湿循环次数下膨胀土放大10000倍的图像。根据图8 的微观图片可以看出，在无干湿循环作用时土体微观结构较为密实且无明显裂隙，土体多以聚集体形式存在，土颗粒接触形式以“面-面”、“面-边”为主；膨胀土试样经过干湿循环后，原本密实结构被破坏，土体孔隙和结构发生明显变化，较大土颗粒聚集体逐渐分散，土体裂隙逐渐增多，孔隙由开始的小孔隙逐渐发展为中、大孔隙，整体性遭到破坏，颗粒与颗粒之间的连接力遭到破坏，颗粒破碎，土颗粒接触形式由以“面-面”、“面-边”为主转变为以“边-边”、“点-边”为主的形式。

图8 不同干湿循环次数下膨胀土放大10000 倍的图像

通过Image-J 软件对10000 倍不同循环次数SEM 图像进行微观信息处理（见表3）。可知随着干湿循环次数的增加，颗粒总数逐渐增多，颗粒总面积及颗粒平均尺寸等微观指标均呈不同程度的下降趋势。第5 次干湿循环后，各微观指标逐渐趋于稳定。

表3 颗粒参数

分析原因可知，膨胀土吸水膨胀的过程就是黏土矿物吸水膨胀的过程，经过干湿循环后，土体中的水分随干湿循环来回迁徙，颗粒破碎，水分夹带走部分体积较小黏土颗粒，使得孔隙不断增大，黏土矿物粒径逐渐较小，土颗粒面积逐渐减小，吸水能力减弱，膨胀性减小；循环次数达到5 次时，微观指标变化基本不在发生变化，宏观表现为膨胀率几乎不再发生变化。有荷膨胀率试验中，上覆荷载越大，膨胀土膨胀时内部消耗膨胀势越多，宏观表现为膨胀率高度减小。