凍融循環對膨脹土變形和力學特性的影響研究

陳 永，黃英豪，朱 洵，吳 敏，王 碩，朱 銳

(南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

膨脹土是一種富含蒙脫石和伊利石等強親水性礦物的高塑性黏土，具有裂隙性、強衰減性和強脹縮性等特點[1-2]。膨脹土亦稱脹縮性土，受外界正負溫度變化極易發生脹縮變形，進而造成土體結構的破壞和抗剪強度的急劇減弱，是工程界典型的“問題土”。目前，已有眾多針對膨脹土特性的試驗研究，楊和平等[3]對南寧膨脹土進行了干濕循環作用后的直剪試驗，指出土體抗剪強度的下降主要是因為干濕循環次數的增加；朱洵等[4]通過三軸剪切試驗研究了不同干密度下膨脹土的力學性質與濕干凍融耦合循環次數的關系，指出在濕干凍融耦合作用下膨脹土的體積變形和彈性模量等受干密度的影響較大；劉清秉等[5]通過室內K0應力狀態膨脹試驗，認為含水率越大，膨脹率越小；蔡正銀等[6]通過無側限抗壓強度試驗測得，隨著含水率的升高土體強度先增加后減小，并存在最大強度。上述研究大多集中在干濕循環、凍融循環、含水率等單因素對膨脹土脹縮變形和力學性質等方面的影響，而且局限于土體宏觀力學的研究，針對凍融循環與含水率之間的交互作用對膨脹土的脹縮變形和力學性質的影響少有研究，土體微觀結構的演化等微細觀機理與宏觀力學性質相結合的研究也尚待開展。

基于此，本文以北疆阿勒泰地區某長距離輸水渠道渠基膨脹土為研究對象，其膨脹土段工程約占渠道總長的32%，渠道沿線的年平均地溫3.4 ℃，冬季極端低溫達?40.3 ℃，夏季平均氣溫約為20 ℃。這些因素共同作用形成了明顯的凍融循環過程，造成渠基膨脹土嚴重變形，嚴重影響渠道穩定[7-8]。通過12%、16%和20%共3種不同含水率膨脹土試樣的體積變形試驗、無側限抗壓強度試驗和SEM電鏡掃描試驗，研究凍融循環作用下不同含水率的膨脹土的體積變形和力學性質的演化規律，并將土體的性質從宏微觀角度進行聯系，進一步明確凍融循環作用與含水率對脹縮變形、力學性質及土體微觀結構演化規律的影響。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

本次試驗所用土料取自北疆長距離輸水渠道建設工地，取樣深度約為1.5 m，土料在此深度具有代表性。土料呈黃色，通過一系列室內試驗測得土料的基本物理性質及礦物組成，如表1所示。土料的不均勻系數為 16，d10、d30、d50和d60分別為 0.001、0.005、0.010和 0.016 mm，曲率系數為 1.56，說明土的級配良好。同時，土料的自由膨脹率為86%，具有中強膨脹性。

表1 膨脹土的基本物理性質及礦物組成Tab.1 Basic physical properties and mineral composition of expansive soil

1.2 試樣制備

將從工程現場運回的土料進行翻曬、自然風干碾壓后過2 mm篩，測定過篩土的初始含水率為5.18%，然后根據試樣預設的含水率（按干土質量的12%、16%和20%）用噴霧器向土中均勻地噴灑一定量的蒸餾水，攪拌15 min后，裝入密封袋悶料24 h，使水分分布均勻。控制所有試樣的壓實度為95%，即干密度均為1.62 g /cm3，含水率分別為12%、16%和20%，按照土工試驗規范[9]，采用三層擊實法制樣，將土樣等量分3次填入制樣器，壓實后削平土樣表面，試樣尺寸為φ39.1 mm×80 mm。將制備好的試樣用保鮮膜包裹并進行分組編號，然后放入略大于試樣的密封袋中，確保試樣不與外界接觸，避免水分的散失和外界補給。

1.3 試驗方案

1.3.1 凍融循環試驗 渠道現場經歷的凍融循環過程本身較為復雜，室內試驗中難以完全模擬，參考文獻[10-11]中的方法，首先對現場實際邊界條件進行概化。圖1為北疆渠道總干渠段沿線某氣象站觀測到的2013—2014年地表溫度分布，不難發現，全年平均氣溫低于0 ℃的時間約為4個月（2013-11-20—2014-03-19），此過程可視為土體經歷了凍結作用；平均氣溫高于0 ℃的時間約為8個月（2014-03-19—2014-11-11），此過程可視為土體經歷了融化作用。由上述渠道溫度變化最終確定室內模擬現場凍結狀態的溫度是?22 ℃，持續時間為12 h；模擬現場融化狀態的溫度是22 ℃，時間是24 h。多項試驗結果[12-14]均發現，在進行了大約7次凍融循環后，膨脹土的力學和物理性質逐漸趨于穩定，鑒于此結果，本文將試樣的最終凍融循環次數設計為7次。凍融循環試驗采用可程式高低溫試驗裝置進行室內模擬試驗。

圖1 2013年11月—2014年11月渠道沿線地表氣溫分布曲線Fig.1 Surface temperature distribution curve along the channel from November 2013 to November 2014

1.3.2 體積變形試驗為了探究凍融循環過程中試樣的體積變形規律，每組試樣設置5個平行組，用數顯游標卡尺測量凍結和融化后試樣的直徑和高度。考慮到凍融循環過程中試樣變形的微小性和多向性[15]，參考蔡國慶等[15]的方法，對每個試樣分別進行3次直徑測量與高度測量，然后各取平均值根據公式計算出試樣的體積。每次試樣尺寸測量結束后，用電子天平對其進行稱重，對凍融循環過程中試樣的質量變化情況進行監控，避免水分的散失和外界補給帶來的試驗誤差。

1.3.3 無側限抗壓強度試驗 采用南京土壤儀器廠有限公司生產的石灰土無側限抗壓儀進行無側限抗壓強度試驗，以此獲取不同含水率下膨脹土試樣經歷多次凍融循環后的力學指標。分別對經過0（初始狀態）、1、3和7次凍融循環作用后的試樣進行無側限抗壓強度試驗，軸應變達到20%時停止剪切試驗，剪切速率為1 mm/min。

1.3.4 SEM電鏡掃描試驗 微觀試驗采用中科院蘭州化學物理研究所的SU8020型冷場發射型掃描電鏡儀。對經歷不同凍融循環次數的試樣從中心處較典型的部位切取體積為5 mm×5 mm×5 mm大小的土樣，采用液氮真空冷卻干燥法[16]，最大限度地保證土體的原始孔隙與結構特征。然后將其噴好金屬鍍膜連同基座一并放入掃描電鏡樣品區，通過調節試樣位置，在觀察區附近聚焦，選取具有代表性的點進行拍照，以探究凍融循環作用對不同含水率的試樣在微觀結構方面的影響，掃描倍數設為100、500、1 000。

2 試驗結果與分析

2.1 體積變形特征

試樣在7次凍融循環后質量損失約為0.51%，除極少數土粒外，都為水分損失，這說明此試驗方法密封性較為良好。圖2為不同含水率試樣的體積變化率隨凍融循環作用的變化情況（膨脹狀態為正，收縮狀態為負），“F”表示試樣每次凍結完成，“T”表示試樣每次融化完成。由圖2可以發現，不同含水率狀態下試樣的體積變形特征存在較大差異，含水率為 12%和16%的試樣在凍融循環過程中表現為“凍縮融脹”，不同的是，隨著凍融循環次數的增加，含水率12%的試樣體積變化幅度基本維持穩定不變，而含水率16%的試樣體積變化幅度逐漸減小，3次循環后體積變化幅度基本趨于穩定。含水率為20%的試樣呈現出完全相反的變化趨勢，整體表現為“凍脹融縮”，且凍脹率要大于融縮率，除第1次融化時表現為“融脹”。含水率為12%、16%和20%的試樣體積變化率最大值分別出現在第2次、第1次和第3次凍結作用后，分別為?4.51%、?2.92%和5.67%，這從側面說明了凍結作用是造成土體體積變形的主要原因。可以發現，隨著試樣含水率的增加，其整體體積變形規律由“凍縮融脹”向“凍脹融縮”轉變，所有試樣經7次凍融循環結束后，體積均略有增加。

圖2 凍融循環過程中試樣體積變化曲線Fig.2 Sample volume change curve during freeze-thaw cycle

凍融循環作用對膨脹土試樣體積變形特征影響主要體現在兩方面：一方面由于水與冰的密度不同，固態冰的體積比等質量液態水的體積大，當凍結作用發生時，液態水轉變為固態冰，冰晶生長體積膨脹，融化作用則為逆過程；另一方面在凍結作用過程中膨脹土顆粒會因失水發生收縮[17]，并且冰晶不斷地生長對周圍的土顆粒產生擠壓，這將使土顆粒發生位移，使土顆粒間的孔隙變小，融化作用則為逆過程。試樣含水率較低時宏觀呈現出“凍縮融脹”，這是因為在凍結時液態水相變成固態冰體積膨脹量小于膨脹土顆粒失水收縮量，融化時則正好相反。對于含水率較高的試樣，因為含水量較大，在凍結時液態水相變成固態冰體積膨脹量要大于膨脹土顆粒失水收縮量，融化時則正好相反，因此宏觀表現為“凍脹融縮”。7次凍融循環結束后，所有試樣體積均略有增加可解釋為膨脹土試樣的初始干密度較大（壓實度95%），水相變成冰會使試樣產生體積膨脹的塑性變形，通常這種變形是不可逆的[18]。

2.2 應力-應變關系

圖3為不同含水率和凍融循環次數對應的應力-應變關系曲線，其中NFT表示凍融循環次數。由圖3可知，本次試驗中膨脹土試樣的應力-應變曲線均表現出應變軟化型，凍融循環作用對膨脹土試樣的應力-應變曲線特性有著顯著影響，其中以第1次循環最為突出。試驗過程中，不同含水率試樣對應的應力-應變曲線形態存在較大差異，具體表現為隨著含水率的增加試樣由脆性破壞向塑性破壞轉變，破壞應變也在逐漸增大，不同的是含水率12%、16%的試樣的破壞應變隨凍融循環先減小后增大，而含水率20%的試樣卻與此相反。這是因為含水率較低時土體本身比較干硬，顆粒間膠結力較弱，試樣內部的初始孔隙和裂縫較多，凍融循環次數的增加在一定程度提高了土體的韌性，從而導致破壞應變略有增大。

圖3 應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curve

2.3 力學強度衰減規律分析及回歸分析

2.3.1 力學強度衰減規律分析 對于一般應變軟化型土，取其應力-應變曲線峰值對應的應力為無側限抗壓強度[19]。圖4為無側限抗壓強度隨凍融循環次數的變化曲線。從圖4可以看出，第1次凍融循環對土體強度的衰減作用最大，可占整個凍融循環試驗的41.3%以上，這是因為在復雜的冰水相變和土粒脹縮變形的雙重影響下，土體結構受到嚴重破壞，孔隙分布發生變化，隨著凍融循環次數的增加，土體強度衰減逐漸減緩，第3次后趨于穩定。凍融循環過程中，含水率越大，試樣的強度衰減幅度越大，7次循環結束后，含水率12%、16%和20%的試樣強度衰減率分別為31.9%、49.1%和67.7%，這是由于含水率越大的試樣在凍融循環過程中受冰水相變及土粒脹縮變形等作用造成的結構損傷越大。

圖4 qu隨凍融循作用的變化Fig.4 Changes of qu with freeze-thaw cycles

2.3.2 曲線回歸分析為了更準確地預測凍融循環次數對類似于北疆寒區長距離輸水渠道渠基膨脹土無側限抗壓強度指標的影響，對不同含水率試樣對應的無側限抗壓強度隨凍融循環次數的變化情況進行函數擬合，擬合曲線如圖4所示，函數式為：qu=A+Bexp(CNFT)。其中：qu為無側限抗壓強度；A、B、C為與含水率大小有關的系數，其值見表2；NFT為凍融循環次數。

表2 函數擬合結果Tab.2 Function fitting result

綜合圖4與表2可以發現，在同一含水率下，無側限抗壓強度與凍融循環次數的自然指數呈明顯的線性負相關關系。系數A+B為初始狀態下（0次循環）無側限抗壓強度的理論值，系數C則反映了某一含水率下無側限抗壓強度隨凍融循環次數的增大而降低的速率。系數A+B的值隨含水率的增加而減小，這說明試樣的含水率越小，初始狀態下無側限抗壓強度越大。系數C的絕對值隨含水率的增加也表現出減小的趨勢，這說明受凍融循環作用影響，含水率越大試樣的無側限抗壓強度衰減幅度越大。3組數據中R2均接近1，說明采用上述函數的擬合效果較好，函數式較為準確。

2.4 土體微觀結構的演化規律

圖5為100倍電鏡掃描后的圖像，可以看出，初始狀態下（0次循環）土顆粒之間膠結聯結形成整體，土樣表現為整體性較好，試樣經歷1次凍融循環后試樣孔隙開始發育，7次凍融循環后的孔隙明顯大于1次的孔隙，且7次凍融循環后土體內部形成了明顯的貫通裂隙。對比1 000倍下的電鏡圖像（如圖6所示）可以發現，含水率越高土體的裂隙均寬越大，這說明土體含水率越大，土體微觀結構受凍融循環作用的影響越大。

圖5 凍融循環1、7次后含水率為20%的膨脹土SEM照片（100倍）Fig.5 SEM photo of expansive soil with 20% moisture content under a magnification of 100 times after freeze-thaw cycle of 0, 1, 7 times

圖6 凍融循環7次后含水率為12%、16%、20%的膨脹土SEM照片（1 000倍）Fig.6 SEM photo of expansive soil with moisture content of 12%, 16%, 20% after 7 freeze-thaw cycles under 1 000 times magnification

通過圖像處理軟件對電鏡掃描后的圖像進行定量分析，可以提取土體孔隙相關參數，例如顆粒的形態、孔隙大小、面積等，如圖7所示。

圖7 SEM圖像處理過程Fig.7 Processing of SEM image

參考文獻[20]選擇合適的閾值對100倍下的圖像進行二值化處理，并降噪分割孔隙，得到了不同凍融次數后的孔隙大小。如圖8所示，土樣的面孔隙率（土體某平面上孔隙所占的比例）隨著凍融循環次數的增加逐漸增大，3次循環后增加的趨勢逐漸減緩，至7次循環結束后，3種含水率的土樣面孔隙率分別增加了0.087、0.110和0.155，宏觀上表現為凍融循環作用對土體力學性質的劣化影響，即相同凍融循環次數下，土體含水率越大無側限抗壓強度衰減得越快。同時可見，試驗前期，含水率越高，土體面孔隙率增加得越快。這是由于含水率越大，液態水相變為冰晶并對周圍土顆粒產生的破壞力也越大，則凍融循環后土體微觀結構的改變越明顯。

圖8 面孔隙率隨凍融循環的變化Fig.8 Surface porosity changes with freeze-thaw cycles

3 結 語

本文以凍融循環試驗為基礎，對3種不同含水率的膨脹土試樣進行了體積變形試驗、無側限抗壓強度試驗和SEM電鏡掃描試驗，試驗研究主要結論如下：

（1）隨含水率的增加，試樣的體積變形由凍縮融脹向凍脹融縮轉變；整個凍融試驗過程中，試樣體積變化最大值均發生在凍結作用后；3次循環后試樣體積變形趨于穩定，7次循環后試樣體積略有增加。

（2）應力應變曲線特性與含水率大小和凍融循環次數都有較大的關系，隨著含水率的增加，試樣由脆性破壞向塑性破壞轉變，破壞應變也在逐漸增大。試樣的含水率越大，凍融循環試驗后土體力學強度衰減幅度越大。

（3）在同一凍融循環次數下，試樣的無側限抗壓強度隨含水率的增加而增大；在同一含水率下，隨凍融循環次數的增加試樣的無側限抗壓強度逐漸減小，其中以第1次循環最為明顯，3次后趨于穩定。函數擬合發現，試樣的無側限抗壓強度與凍融循環次數呈明顯的自然指數關系。

（4）從微觀圖像上可以看出，整個凍融循環過程中，土體的面孔隙率隨凍融循環次數的增加逐漸增大，隨含水率的增加逐漸減小。凍融循環作用使土體內部微觀孔隙增大，導致宏觀上力學性能的衰減。通過提出一種高效的改良措施，減弱凍融循環作用對土體力學性質產生劣化作用，這也是后續需要開展的工作。