基于干濕變形效應的壓實紅黏土土水特征

賀勇，黃潤秋，陳永貴， 葉為民(.同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海，0009；.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都，60059；3.長沙理工大學 土木建筑學院，湖南 長沙，404)

?

基于干濕變形效應的壓實紅黏土土水特征

賀勇1,2,3，黃潤秋2，陳永貴1,2,3， 葉為民1
(1.同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海，200092；2.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都，610059；3.長沙理工大學 土木建筑學院，湖南 長沙，410114)

摘要：將初始含水量為4%粉末狀紅黏土分別壓制成干密度為1.3 g/cm3和1.5 g/cm3的壓實土樣；在側限條件下吸水飽和，測定土樣軸向膨脹變形量；然后通過氣相法控制逐級增加吸力，測定不同吸力階段試樣的飽和度與孔隙比，獲得土水特征曲線和干縮變形規律。研究結果表明：壓實紅黏土在飽和濕化過程中，膨脹應變隨著飽和度的增加而增加，且初始干密度越大，其膨脹應變越大。在控制吸力干燥過程中，壓實紅黏土的孔隙比隨著吸力增大而減小；同一吸力階段，密度大的試樣具有較小的孔隙比和較大的飽和度。基于不同干密度壓實紅黏土土水特征曲線，建立了考慮變形效應的土水特征曲線改進模型，計算結果與試驗值吻合較好。

關鍵詞：壓實紅黏土；濕化；干燥；變形；土水特征曲線

碳酸鹽類巖石在溫濕氣候條件下經風化后形成的褐紅色粉土或黏性土[1]，比表面積大，顆粒之間相互吸附能力強，再加上游離氧化鐵的膠結作用，在天然狀態下，形成牢固的團粒，這種團粒的集合體就是紅黏土[2]。因風化與紅土化環境和程度的不同，紅黏土的地質特性與工程特性隨地域不同而具有極其明顯的差異性。在我國，紅黏土主要分部在廣西、貴州、云南、廣東以及湖南等省，有許多學者對紅黏土的成因與分類、力學特性、工程實踐以及地質災害等方面進行了深入研究，尤其在脹縮性、裂隙性與超固結性等方面取得了較多研究成果。通常，紅黏土具有裂隙性、收縮性和地層分布不均勻性等不良特征，被認為是一種特殊性黏土。然而，紅黏土除具有很高的天然含水量和液、塑限之外，還具有較高的力學性能和中等壓縮性，在一定壓實度條件下呈現出沉降量小、無開裂和整體性能好等優點[3]，被認為可用作填埋場覆蓋層或襯墊系統材料[4?6]。在填埋場數十年運營期間，因氣候變化和地下水位波動，紅黏土將不可避免地經歷干濕循環過程，并長期處于非飽和狀態。土水特征曲線不僅可以描述非飽和土飽和度與吸力之間的關系，而且能反映出非飽和土的強度和滲透特性[7]，并受到土的礦物類型、礦物成分、土體結構、干密度、應力歷史以及孔隙水化學成分等因素的影響[8?11]。土水特征量測試驗中，土中的吸力需要經歷較長時間才能達到平衡，并且受外部環境影響較大。為此，很多學者提出了采用數學模型來預測土水特征，例如 van Genuchten 模型(VG模型)[12]，Fredlund和Xing模型[13]以及 Houston 模型[14]等。這些模型均采用孔隙分布系數反映土體孔隙結構變化，沒有考慮含水量對孔隙結構的影響。針對土體變形引起的含水量變化問題[15]，GALLIPOLI 等[16?17]基于進氣值是孔隙比的冪函數，建立了考慮土體變形影響的土水特征曲線預測模型。本文作者以湖南省郴州地區的紅黏土為研究對象，分析初始干密度分別為1.3 g/cm3和1.5 g/cm3的重塑壓實紅黏土飽和膨脹特征，考察不同吸力控制條件下土樣的干縮變形情況，測定不同初始干密度紅黏土的土水特征曲線，最后采用 GALLIPOLI 等[16]改進 VG 模型對土水特征曲線進行模擬。

1　材料和方法

1.1試驗材料

試驗原土取自湖南省郴州地區某工地，為紅褐色黏土。天然土樣風干后，經研缽研磨成粉末，過孔徑為0.16 mm篩獲取試驗土樣；參照JTGE40—2007 “公路土工試驗規程”[18]對其物理力學性質指標進行測試，結果如表1所示，所測試結果與文獻[19]中相關指標基本一致。

表1　紅黏土樣品物理力學性質指標Table1　Physical and mechanical properties of tested redClay

1.2紅黏土表征

采用美國 BeckmanCoulter LS230 型號激光粒度儀對試驗土樣粒徑進行分析，所得紅黏土顆分曲線如圖1所示。

圖1　紅黏土顆分曲線Fig.1　Grain size distribution of redClay

利用德國Bruker生產的D8 FOCUS X線衍射儀對紅黏土試樣進行礦物成分分析。X 線為CuKα(λ=0.15418 nm)，管電壓為40 kV，管電流為100 mA，掃描范圍為3°～70°，分析結果如圖2所示。從圖2可知：該紅黏土富含高嶺石、伊利石、石英等礦物，并含一定量的蒙脫石礦物。

1.3試樣準備

將紅黏土粉末置于110 MPa吸力環境中，吸力平衡后將得到初始含水量為 4%的土樣。利用 DDL?200 型300 kN數控萬能壓力機，以位移控制法壓制試樣。首先，稱取質量為(27±0.1)g的紅黏土粉末，倒入不銹鋼試樣環中；然后，以0.2 mm/min 的垂直加載速率，將土樣均勻壓實至預定位置，在恒體積條件下靜置1h，以防止試樣回彈；最后，卸載得到直徑為50 mm、高度為10 mm、 初始干密度為(1.30±0.02)g/cm3的壓實試樣。用同樣的方法稱取(31.0±0.1)g粉末狀紅黏土，制備得到初始干密度為(1.50±0.02)g/cm3的壓實試樣。

圖2紅黏土XRD圖譜Fig.2XRD pattern of redClay

1.4試驗方法

側限條件下，紅黏土試樣在吸水飽和過程中，其軸向將產生自由膨脹，本文設計一套能夠實時測定試樣軸向自由變形量的裝置。當試樣壓制完成后，從試樣環底部向上頂推出透水石厚度的位移；然后在試樣2 面分別墊上濾紙，并放置透水石；再將整個試樣環放置到聚四氟乙烯容器中，在頂部中心位置垂直安裝位移計，用以記錄壓實紅黏土軸向自由膨脹變形量。試驗開始時，向容器中注入蒸餾水，壓實紅黏土將吸水膨脹，位移計將記錄試樣水化過程中的軸向變形。當位移計讀數不變時，可認為軸向變形達到穩定。變形穩定后，將土樣從試樣環中取出，放置到105 ℃烘箱中干燥24 h，測得飽和含水量(wsat)。針對不同初始干密度的土樣，重復上述步驟分別進行飽和膨脹試驗。

膨脹應變計算式為

式中：ε為膨脹應變；?H 為試樣變形量，mm；H0為試樣初始高度，mm。

飽和膨脹試驗完成后，通過氣相法控制吸力對試樣進行干燥。根據鹽溶液與吸力的對應關系[20?21]，將裝有土樣的試樣環分別置于盛有不同鹽溶液的干燥皿中，相應的吸力控制為2.0，4.2，12.6，21.0，38.0和110.0 MPa[22]。由于水汽交換作用，試樣質量將不斷變化，直至土樣中的含水量與干燥皿中的濕度達到平衡，試樣質量將不再變化，此時試樣因失水引起的變形達到穩定。從試樣環中取出土樣，一部分放置到105 ℃烘箱中烘24 h測定含水量(w)，另一部分采用蠟封法[23]測量密度(ρ)，并通過式(2)計算孔隙比(e)：

式中：Gs為土樣相對密度。

2　結果與討論

2.1飽和膨脹變形

側限條件下，壓實紅黏土吸水飽和過程中的膨脹變形曲線如圖3所示。

圖3　壓實紅黏土吸水飽和過程的膨脹變形曲線Fig.3　Evolution of vertical swelling strain ofCompacted redClay with different dry density

從圖3可見：壓實紅黏土在吸水飽和過程中，土體中的含水量隨著時間而增大，導致側限條件下土體的膨脹應變增大。試驗開始時，吸入土體中的水量不多，膨脹應變較小；隨著吸入土體的水量增加，特別是土體水化作用的加強，土體的膨脹應變急劇增加；當土體基本飽和，水化作用完成后，膨脹應變也基本穩定。根據SRIDHARAN等[24?25]提出的方法，可將膨脹過程曲線近似分成3個階段：初始膨脹階段、主膨脹階段和次膨脹階段(見圖3)。所有試樣主膨脹始于試驗開始約5 min 后，且發展速度較快；與主膨脹發展的時間相比，次膨脹過程發展比較緩慢，完成時間也較長。上述3個階段的膨脹應變如表2所示。

此外，從圖3還可知：紅黏土的膨脹應變與初始干密度有關。初始干密度越大，最終膨脹應變也越大。當壓實紅黏土初始干密度由1.3 g/cm3增大至1.5 g/cm 3時，土體的最終膨脹應變由18.4%增大至 25.8%。紅黏土的吸水膨脹，主要是由于土樣中含有蒙脫石礦物，這種黏土礦物在吸水條件下會引起晶層膨脹以及擴散雙電層厚度增加，導致土體膨脹變形。初始干密度大的土樣中含有的蒙脫石礦物較多，吸水后其膨脹變形也相應較大。根據GB 50112—2013“膨脹土地區建筑技術規范”[26]，干密度為1.5 g/cm3的壓實紅黏土自由膨脹變形小于40%，屬于弱膨脹土。

2.2初始干密度對土水特征的影響

對不同初始干密度飽和壓實紅黏土，在逐級增加吸力條件下，測定相應的飽和度與孔隙比，即可繪制土樣干燥階段的土水特征曲線，如圖4所示。

表2飽和膨脹各階段膨脹應變Table1　Swelling strains of various stages

圖4不同干密度壓實紅黏土土水特征曲線Fig.4Water retentionCurves ofCompacted redClay with different dry densities

從圖4可知：對不同初始干密度的壓實紅黏土，在吸力控制干燥過程中，飽和度隨著吸力的增大而迅速降低。當吸力由飽和狀態接近0 MPa增大至4.2 MPa時，土樣飽和度減少至 40%；當吸力繼續增大至110 MPa時，土樣飽和度相應減少至8%，表明在吸力控制干燥過程中試樣不斷失水。

由圖4也可發現，在同一吸力控制條件下，初始干密度1.5 g/cm3試樣的飽和度高于初始干密度1.3 g/cm3試樣的飽和度。這主要是由于初始干密度越大，試樣越密實，試樣中大孔隙數量少，小孔隙數量相對較多，從而持水能力較強。

2.3干燥變形

紅黏土中含有一定量的蒙脫石礦物，是一種弱膨脹土，呈現出吸水膨脹和失水收縮特性。在控制吸力干燥過程中，對不同吸力控制點的土樣孔隙比進行測定，結果如圖5所示。

圖5　不同干密度試樣吸力與孔隙比的關系Fig.5　Changes of void ratio with suction of samples with different dry densities

由圖5可見：在干燥過程中，試樣孔隙比隨著吸力的增大而減小，表明試樣排水干燥而收縮。土樣收縮量基本在較低的吸力階段完成(吸力＜4.2 MPa)，當吸力增大到110 MPa時，土樣高度基本與壓樣時土樣高度一致，略有減小。同時，試樣飽和完成后，整個干燥過程中干密度為1.3 g/cm3的土樣的孔隙比都較1.5 g/cm3的土樣要大。

為考慮吸力增大干燥過程中土體變形對土水特征的影響，根據 ALONSO 等[27]的研究，建立了試樣孔隙比與吸力的關系式為

式中：S為土的吸力，MPa；e為S吸力條件下土的孔隙比；e0為土的初始孔隙比；λ 為與吸力有關的變形參數。

采用式(3)分別對2種初始干密度壓實紅黏土的試驗結果進行擬合，擬合參數如表3所示，擬合結果見圖 5。結果表明：式(3)能很好地描述不同初始干密度壓實紅黏土的孔隙比與吸力的關系。

2.4考慮變形的土水特征模型及驗證

GALLIPOLI 等[16]基于 VG 模型建立了描述土體變形對土水特征影響的關系式為

表3　孔隙比與吸力的擬合參數Table1　Fitting parameters between void ratio and suction

式中：Sr為飽和度；e為孔隙比；S為吸力；a，?，n 和m均為模型參數。

結合表3，式(3)和式(4)，對圖4中的土水特征曲線進行擬合，結果見表4和圖6。從表4和圖6可知：式(4)能很好地描述壓實紅黏土考慮變形的土水特征關系。

圖6　考慮變形的土水特征模型驗證Fig.6　SWRC model verificationConsidering effect of deformation

進氣值是氣體進入飽和土孔隙時必需達到的基質吸力。將土水特征曲線中過渡段的斜率延長并與飽和度為100%的吸力軸相交，交點對應的吸力即為進氣值。采用該方法，在考慮變形影響的土水特征曲線上，得到了2種初始干密度壓實紅黏土的進氣值，分別約為380 kPa和560 kPa，該進氣值明顯大于黃飛[28]的研究結果。可能原因是：1)試樣粒徑和礦物成分不同。本研究所用紅黏土粒徑＜0.16 mm，黃飛[28]研究的紅黏土粒徑＜1mm，兩者相差較大，同時本研究紅黏土中的黏粒含量(69.1%)也較多。2)試驗方法不同。本研究壓實紅黏土試樣，在吸力控制的干燥過程中不斷收縮，干密度相對增大，孔隙比減小，微觀孔隙尺寸的變化導致進氣值相應增大。

表4考慮變形的土水特征模型擬合參數Table1　Fitting parameters of modified WRC model

3　結論

1)飽和濕化過程中，壓實紅黏土的膨脹應變隨著飽和度的增加而增加，且初始干密度越大，膨脹應變越大。

2)逐級增加吸力干燥過程中，壓實紅黏土的孔隙比隨著吸力增大而減小；同一吸力階段，干密度大的試樣具有較小的孔隙比和較高的飽和度。

3)改進的土水特征曲線模型計算結果與試驗值吻合較好。

參考文獻：

[1]趙穎文,孔令偉,郭愛國,等.廣西原狀紅粘土力學性狀與水敏性特征[J].巖土力學,2003,24(4): 568?570 ZHAO Yingwen,KONG Lingwei,GUO Aiguo,et al.Mechanical behaviors and water-sensitive properties of intact Guangxi laterite[J].Rock and Soil Mechanics,2003,24(4): 568?570.

[2]黃質紅,朱立軍,廖義玲,等.不同應力路徑下紅黏土的力學特性[J].巖石力學與工程學報,2004,23(15): 2599?2603.HUANG Zhihong,ZHU Lijun,LIAO Yiling et al.Mechanical properties of redClay under different stress paths[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(15): 2599?2603.

[3]曹勇,賀進來.紅黏土人工防滲技術在環衛工程中的應用[J].鐵道建筑技術,2000,3(3): 28?30.CAO Yong,HE Jinlai.The application of redClay seepage prevention technique in environmental engineering[J].RailwayConstruction Technology,2000,3(3): 28?30.

[4]G?ADYSZ-P?ASKA A,MAJDAN M,GRABIAS E.Adsorption of La,Eu and Lu on raw and modified redClay[J].Journal of Radioanalytical and NuclearChemistry,2014,301: 33?40.

[5]CHEN Yonggui,ZHANG Keneng,ZOU Yinsheng,et al.Removal of Pb2+andCd2+by adsorption onClay-solidified groutingCurtain for waste landfills[J].Journal ofCentral South University of Technology,2006,13(2):166?170.

[6]CHEN Yonggui,ZHUChunming,SUN Yanhong,et al.Adsorption of La(Ⅲ)onto GMZ bentonite: effect ofContact time,bentoniteContent,pH value and ionic strength[J].Journal of Radioanalytical and NuclearChemistry,2012,292(3):1339?1347.

[7]汪東林,欒茂田,楊慶.重塑非飽和黏上的土水特征曲線及其影響因素研究[J].巖土力學,2009,30(3): 751?756.WANG Donglin,LUAN Maotian,YANG Qing.Experimental study of soil-waterCharacteristicCurve of remolded unsaturatedClay[J].Rock and Soil Mechanics,2009,30(3): 751?756.

[8]LU N,LIKOS W J.Unsaturated soil mechanics[M].New York: Wiley,2004:196?197.

[9]THYAGARAJ T,RAO T T.Influence of osmotic suction on the soil-waterCharacteristicCurves ofCompacted expansiveClay[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,ASCE,2010,136(12):1695?1702.

[10]VILLAR M V,LLORET,A.Influence of temperature on the hydro-mechanical behaviour of aCompacted bentonite[J].AppliedClay Science,2004,26(1/2/3/4): 337?350.

[11]THU T M,RAHARDJO H,LEONG EC.Soil-waterCharacteristicCurve andConsolidation behavior for aCompacted silt[J].Canadian Geotechnical Journal,2007,44(3): 266?275.

[12]van GENUCHTEN M T H.AClosed-form equation for predicting the hydraulicConductivity of unsaturated soils[J].Soil Science Society of America Journal,1980,44(5): 890?898.

[13]FREDLUND D G,XING A.Equations for the soil–waterCharacteristicCurve[J].Canadian Geotechnical Journal,1994,31(3): 521?532.

[14]HOUSTON W N,DYE H B,ZAPATAC E,et al.Determination of SWCC using one point suction measurement and standardCurves[C]//Unsaturated Soils.Carefree.AZ,United States: Geotechnical Special Publication,American Society ofCivil Engineers,2006:1482?1493.

[15]胡冉,陳益峰,周創兵.基于孔隙分布的變形土土水特征曲線模型[J].巖土工程學報,2013,35(8):1451?1461.HU Ran,CHEN Yifeng,ZHOUChuangbing.A water retentionCurve model for deformable soils based on pore size distribution[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2013,35(8):1451?1461.

[16]GALLIPOLI D,WHEELER S,KARSTUNEN M.Modelling the variation of degree of saturation in a deformable unsaturated soil[J].Géotechnique,2003,53(1):105?112.

[17]ZHOU A N,SHENG D,CARTER J P.Modelling the effect of initial density on soil-waterCharacteristicCurves[J].Géotechnique,2012,62(8): 669?680.

[18]JTGE 40—2007,公路土工試驗規程[S].JTGE 40—2007,Test methods of soils for highway engineering [S].

[19]譚云志.壓實紅黏土的工程特征與濕熱耦合效應研究[D].武漢: 中國科學院武漢巖土力學研究所,2009:13?28.TAN Yunzhi.Study on engineeringCharacteristics and moisture-heatCoupling effect ofCompacted laterite soil[D].Wuhan: Institute of Rock & Soil MechanicsChinese Academy of Sciences,2009:13?28.

[20]DELAGE P,HOWAT M D,CUI Y J.The relationship between suction and swelling properties in a heavilyCompacted unsaturatedClay[J].Engineering Geology,1998,50: 31?48.

[21]ROMERO E.Characterization and thermo-hydro-mechanical behavior if unsaturated BoomClay: An experimental study[D].Barcelona,Technical University ofCatalonia,Dept of Geotechnical Engineering and Geosciences,1999:119?147.

[22]YE Weimin,WAN Min,CHEN Bao,et al.Effect of temperature on soil-waterCharacteristics and hysteresis ofCompacted Gaomiaozi bentonite[J].Journal ofCentral South University of Technology,2009,16(5): 821?826.

[23]ASTM D1188—96(2002),Standard test method for bulk specific gravity and density ofCompacted bituminous mixtures using paraffin-coated specimens[S].

[24]SRIDHARAN A,GURTUG Y.Swelling behavior ofCompacted fine-grained soils[J].Engineering Geology,2004,72(1): 9?18.

[25]RAO S M,THYAGARAJ T.Swell–compression behaviour ofCompactedClays underChemical gradients[J].Canadian Geotechnical Journal,2007,44: 520?532.

[26]GB 50112—2013,膨脹土地區建筑技術規范[S].GB 50112—2013,TechnicalCode for buildings in expansive soil regions[S].

[27]ALONSO E E,GENS A,JOSA A.AConstitutive model for partially saturated soils[J].Géotechnique,1999,40(3): 405?430.

[28]黃飛.郴州地區紅黏土非飽和特性研究及應用[D].長沙: 中南大學地球科學與信息物理學院,2014:13?21.HUANG Fei.Research on the properties of unsaturated redClay inChenzhou distract and its application[D].Changsha:Central South University.School of Geosciences and Info-Physics,2014:13?21.

(編輯 羅金花)

Water retention properties of deformableCompacted redClay induced by wetting and drying

HE Yong1,2,3, HUANG Runqiu2,CHEN Yonggui1,2,3, YE Weimin1
(1.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 200092,China? 2.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu 650051,China? 3.School ofCivil Engineering and Architecture,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114,China)

Abstract:Two specimens with dry densities of1.3 g/cm3and1.5 g/cm3wereCompacted by the redClay powder with a waterContent of 4%.Then,the specimens were saturated in theConfinedConditions and the deformations were measured during the saturating.The saturated specimens were dried by increasing suction through the vapor phase technique,the void ratio and saturation degree were also measured during the drying,andConsequently the soil water retentionCurves(SWRCs)were obtained.The results show that the swelling strain ofCompacted redClay increases with the increase of the saturation.What’s more,the larger the initial dry density,the greater the swelling strain.During the drying,the void ratio of the specimen decreases with the increase of the suction.For a given suction,the specimen with a smaller dry density has a bigger void ratio and a higher saturation degree.According to the SWRCs,modified model was proposed to account for the effect of deformation on SWRCs,and the experimental dataCould be fitted well.

Key words:Compacted redClay? wetting? drying? deformation? soil water retentionCurve

中圖分類號：TU442

文獻標志碼：A

文章編號：1672?7207(2016)01?0143?06

DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.021

收稿日期：2015?04?12；修回日期：2015?06?30

基金項目(Foundation item)：國家自然科學基金資助項目(41272287，41422207)；地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室開放課題(成都理工大學)(SKLGP2013K004)；湖南省教育廳科學研究項目(15A009)(Projects(41272287,41422207)supported by the National Natural Science Foundation ofChina? Project(SKLGP2013K004)supported by the Opening Fund of State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection(Chengdu University of Technology)? Project(15A009)supported by Scientific Research Fund of Hunan Provincial Education Department)

通信作者：陳永貴，博士，教授，博士生導師，從事環境地質和非飽和土力學方面研究；E-mail:Cyg@tongji.edu.cn