凍融循環作用下膨脹土的力學與孔隙分布特點

安陽職業技術學院 建筑工程系,河南 安陽 455000

膨脹土廣泛分布在我國南水北調中線工程的沿線地區[1,2]。由于膨脹土礦物組成成份含有大量強親水性礦物，使其工程特征具有明顯的特殊性，表現為吸水后膨脹，脫水后收縮的性質。同時膨脹土內部結構的裂隙性也比較明顯。由于對膨脹土工程特性的認識不深入，導致膨脹土邊坡失穩的工程事故時有發生[3-5]。在南陽市內渠道邊坡中，膨脹土的地層分布廣泛，其厚度可達10～50 m，是在南水北調中線南陽段的工程建設中涉及的重要巖土層。

由于南陽地區的季節性凍融交替現象較為明顯，土體內的孔隙水受溫差影響而頻繁凍結、融化，對膨脹土邊坡的工程特性也產生較大影響。膨脹土對地下水賦存狀態具有敏感性，土體體積發生膨脹時，會產生地層側向應力增大和不均沉降現象[6,7]。因此，為保證渠道邊坡工程的穩定性與安全性，須對該地區的膨脹土開展凍融循環后的強度測試[8]。另外，凍融損傷作用對土體的內部結構也有很大的影響，最直接的表現是孔隙分布特征的改變。為了對宏觀力學性能劣化機制進行深入探討，進行微觀結構損傷程度的評價是必不可少的[9-11]。

鑒于此，本文首先分析了膨脹土的礦物成分、粒組特征、滲透系數和微觀結構等基本物理特性，然后就膨脹土宏觀強度參數受凍融循環的影響進行了系統測試，然后對其力學特性劣化的微觀機理進行了相應的分析評價，為指導膨脹土工程建設與工程地質勘查提供了重要參考。

1 膨脹土的工程特性

1.1 膨脹土的取樣結果

試樣取自南水北調中線渠道沿線的邊坡，根據鉆探取樣試驗結果，并參考場地的勘察資料，場地的土層分布為：①0～3.2 m，耕植土；②3.2～7.2 m，可塑性膨脹土，黃褐色；③7.2～23.0 m，硬塑膨脹土，灰色和黃褐色混合；④23～27.2 m，全風化泥巖，黃褐色，質地堅硬，顆粒呈膠結狀；⑤27.2～30.5 m，中-強風化泥巖，質地堅硬。原狀土樣是在渠道邊坡的不同標段進行取樣，先進行人工挖槽，然后在在地表-4.0 m～-5.0 m 的深度范圍內進行取樣，取樣深度處未見地下水。切取幾何尺寸為50×25×25 cm 左右大小的立方體土樣，對取回的樣品進行封裝，運回實驗室。

1.2 礦物成分分析

將原狀土樣進行XRD 衍射測試，礦物成分分析結果表明，膨脹土土樣的礦物成分主要為：蒙脫石28.5%，伊利石17.1%，高嶺石11.9 石英33.5%，綠泥石5.8%以及鉀長石3.1%。膨脹土的石英占比最高，黏土礦物則以蒙脫石、伊利石和高嶺石等親水性礦物類為主，標志著該類土體具有較強的水敏性，存在吸水膨脹和脫水收縮的特征[12]。

1.3 液塑限和粒組特征

南陽膨脹土的液塑限特性指標如圖1 所示。膨脹土在天然狀態下基本處于中塑-硬塑狀態。三組膨脹土試樣的試驗結果顯示：細粒組液限均高于50%，塑性指數均大于22，土體在塑性圖中處于A 線(MH)和B 線(CL)之間，表明南陽膨脹土黏土顆粒具有高液限黏土的性質[13]。

圖1 膨脹土的塑性分類Fig.1 The plastic classification of expansive soil

1.4 滲透特性

通過30 個膨脹土樣本的滲透試驗，發現滲透系數變化范圍為1.13×10-5～1.95×10-4cm/s。土體滲透系數值的統計直方圖如圖2 所示，滲透系數在10-5cm/s 出現概率最大。綜合分析，該土體的滲透性應為弱透水等級。從表1 可以看出膨脹土的顆粒組成較為特殊，粗顆粒和細顆粒的含量較多，此粒徑分布特征為小顆粒從大顆粒的孔隙中涌出的運動提供先決條件。在動水壓力條件下，容易引起管涌、流土等滲透變形現象。因此，即使膨脹土的透水性不高，但是由于粒徑分布較為特殊，也應該在渠道邊坡工程中采取有效止水措施。

圖2 滲透系數的統計直方圖Fig.2 Histogram of permeability coefficient

表1 膨脹土的顆粒分布Table 1 Particle distribution of expansive soils

1.5 微觀結構形貌

膨脹土試樣內部含有大量肉眼可見的石英顆粒，且大多被黏土顆粒包裹及填充。由放大100 倍的SEM 照片更加清晰，石英顆粒呈塊體狀，其周圍被氧化物或其他黏土中的膠結物質所覆蓋(圖3(a))，再放大到800 倍時可以看到顆粒之間以邊-面或面-面的鑲嵌接觸方式為主,裂隙清晰(圖3(b))，石英顆粒之間的黏土礦物為非定向堆疊結構(圖3(c))，保留了原生礦物內部構造的特征；將黏土礦物放大2000 倍，可以發現蒙脫石類親水性礦物顆粒聚集的地方則呈平片狀，呈典型疊片疇狀構造[15,16]。

圖3 膨脹土的掃描電鏡照片Fig.3 Scanning electron micrographs f expansive soils

1.6 壓縮特性

將膨脹土樣按標準[14]方法制成直徑61.8 mm，高度20 mm 的環刀樣，取30 個環刀樣進行標準固結試驗，所得到的壓縮系數分布直方圖如圖8 所示。從圖4 中可以看出，各取樣點壓縮系數a1-2 在0.14 MPa-1到0.46 MPa-1之間，出現最多的是0.31～0.352 MPa-1，屬于中壓縮性土。

圖4 壓縮系數的統計直方圖Fig.4 Histogram of permeability coefficient

2 凍融循環效應

2.1 凍融循環對力學特性的影響

將原狀土樣按標準[14]方法制作成圓柱狀土樣(直徑39.1 mm，高度80 mm)，選定試驗的凍融循環溫度范圍為-15～20 ℃。將試樣置于溫控試驗箱中進行凍融循環試驗，先在-15 ℃環境下冷凍8 h，然后控制溫度為20 ℃，進行融化4 h，最后取出試樣進行無側限抗壓強度指標的測定。

將上述試驗結果進行統計，其中衰減率定義為n次凍融循環土樣和未經凍融循環土樣無側限抗壓強度的差值與未經凍融循環土樣抗壓強度的比值，如公式(1)所示。

式中，qun為經歷過第n次的循環土樣的無側限抗壓強度；quo為0次循環土樣的無側限抗壓強度。

無側限抗壓強度與衰減率隨循環次數變化關系如圖5所示。可以看出無側限抗壓強度在經歷多次凍融循環過程中強度不斷下降，且下降速率所循環次數增加而迅速減少，在0～1次循環中土樣衰減13.6%，經過2次循環后，衰減率達到17.7%，經過6次循環后，土樣的衰減率達到了22.8%；而在4～10次循環過程中，土樣的強度衰減率增長幅度小于3%，說明4次循環后的強度逐漸趨于穩定。

圖5 無側限抗壓試驗結果Fig.5 Results of unconfined compressive test

2.2 凍融循環孔隙分布特性的影響

本文使用高精度低場核磁共振掃描儀進行微觀結構觀測。NMR 依據材料中水的核磁信號獲取孔隙水的核磁共振T2 分布曲線，按照曲線的特點分析被測試材料的微觀孔隙分布特征[17]。根據核磁共振試驗的原理，由NMR 試驗得到弛豫時間T2 與材料內部孔隙的尺寸大小存在正相關的關系，本文對5 組不同凍融循環次數的試樣進行核磁共振掃描，得到各試樣的T2 分布曲線（圖6）。

圖6 核磁共振掃描試驗結果Fig.6 Results of NMR scanning tests

隨循環次數增加，表示小孔隙的主峰，表示中等孔隙的次峰1和大孔隙的次峰2均有所增長。0次循環的試樣3個峰的譜峰值均最低，分布區間也最小，說明該試樣的孔隙規模和數量較小；隨凍融循環發展，小、中、大孔隙的T2分布曲線的峰值大致呈現增加的趨勢，且曲線逐漸右移，說明試樣在凍融過程中，經歷反復凍結和融化，內部黏土團聚體逐漸溶解，黏土顆粒隨土體水分遷移而流失，使得膨脹土顆粒間的孔隙逐漸擴大；當對膨脹土進行8次循環后，分布曲線的3個峰值達到最大，表示土體內部各尺寸孔隙數量和體積達到最大[18]。

2.3 強度指標與譜面積的關系

圖7 峰值強度與T2 譜面積的關系曲線Fig.7 Relationship between strength and spectrum areas

由NMR 掃描結果發現膨脹土內部孔隙的T2 分布曲線隨凍融循環次數增加而發生改變。與此同時，材料的強度值隨凍融循環次數增加逐漸下降。因此，不同凍融循環次數下的強度與T2 譜面積大小有一定關聯性。提取不同凍融循環次數下膨脹土峰值強度與譜面積進行分析，繪制如圖7 所示的曲線。從圖中可以看出，在凍融循環過程中，無側限峰值強度與譜面積呈負相關的線性關系。由分析得：隨著凍融循環次數增加，土體內部孔隙規模與強度劣化程度逐漸增加。膨脹土的微觀結構探測結果很好地反映了宏觀力學損傷程度，體現了凍融循環對膨脹土宏觀和微觀特性均有較大影響[19]。

從膨脹土的物理特征和力學性質出發分析凍融循環作用對土體的影響。由于膨脹土礦物顆粒之間存在部分顆粒聯結，顆粒間的接觸關系主要是層狀的面-面接觸。而凍融循環作用使得土體內部液態水和凍結水的相態不斷發生改變，擴大了土體內部的裂隙分布面，土體的粘結物質隨凍融循環過程而流失，并且逐漸使顆粒的面-面接觸轉向線-面接觸[20]。因此，在凍融循環過程中，膨脹土體的力學性能逐漸發生劣化。

3 結論

（1）膨脹土的特殊性質與其物質成分和結構形態密切相關。膨脹土內部含大量石英，黏土礦物成分以絮凝結構的蒙脫石等強親水性礦物為主，顆粒間以面-面的鑲嵌接觸方式為主。并且，膨脹土的滲透系數較小，壓縮性為中壓縮性，粒徑分布特殊，易引起滲透變形；

（2）在凍融循環過程中，膨脹土試樣在無側限強度測試中的峰值強度隨循環次數增加而逐漸下降。其中，0～1 次循環中的衰減幅度最大，且經過4 次循環后的強度逐漸趨于穩定；

（3）根據核磁共振掃描測試得到了不同凍融循環次數下的T2 分布曲線，其變化規律反映：隨凍融循環次數的增加，膨脹土內部的小孔隙比例逐漸下降，大孔隙的比例逐漸增大，且凍融循環過程中整體孔隙體積也不斷增加；

（4）隨著凍融循環次數增加，由無側限壓縮試驗得到的峰值強度與NMR 獲取的T2 分布曲線譜面積呈負相關的線性關系，體現了膨脹土在凍融循環中的宏觀和微觀特性有明顯的關聯性。