干濕循環歷史對季凍區膨脹土體變特性的影響

樊科偉，賈昊澤，藺建國，嚴俊，鄒維列

(1.武漢大學土木建筑工程學院，湖北武漢，430072；2.中國水利水電科學研究院水利部水工程建設與安全重點實驗室，北京，100048)

膨脹土含有蒙脫石、伊利石等親水性的黏土礦物，具有比一般黏土更為顯著的遇水膨脹、失水收縮的特性。因此，在夏秋季節的干濕循環作用下，膨脹土水含水率會發生較大的變化，使其自身體積發生改變，進而引發膨脹土邊坡失穩、渠道滲漏等一系列工程問題[1-5]。而對于位于季凍區的膨脹土，在冬春季節還將經歷凍結和融化作用(凍融循環作用)，膨脹土的水分會產生相變，導致其體積發生改變，也可能影響工程的正常運行[6-8]。因此，探明干濕與凍融循環作用對膨脹土體變特性的影響具有重要意義。

針對季凍區膨脹土，以往研究多聚焦于單一的凍融循環作用對膨脹土力學特性的影響，也有部分學者采用“一次干濕、一次凍融”的交替循環模式，研究了干濕、凍融循環作用對膨脹土力學特性的影響。例如，蔡正銀等[9-10]分別研究了干濕和凍融循環作用下膨脹土裂隙的演化規律和裂隙發育的方向性；高小云等[11-13]研究了干濕和凍融循環作用對膨脹土強度、土水及收縮特性的影響。但這些研究與自然界中膨脹土在夏秋季節連續經歷多次干濕循環作用后，在冬春季節再經歷多次凍融循環作用的事實并不相符。而目前關于干濕循壞歷史對季凍區膨脹土在凍融循環過程中體變影響的研究還極少。鑒于此，本文作者以黑龍江季凍區膨脹土為研究對象，選取3種不同干濕循環次數，探究干濕循環歷史對具有不同初始含水率的膨脹土試樣經歷凍融循環作用后的體變特性的影響，以期為季凍區膨脹土工程的災害防治提供參考。

1 試驗材料、方案及體積測定方法

1.1 試驗材料

試驗所用膨脹土取自黑龍江引嫩干渠烏北段38 km處的渠道邊坡。所取膨脹土去除腐化植物和石塊后，多為2～3 cm 灰褐色土塊，如圖1所示。采集的膨脹土經風干、研磨后，過孔徑為2 mm篩子以去除大顆粒，其基本物理性質和化學成分如表1所示。顆粒分析試驗測得土樣中砂粒占10%(質量分數)，粉粒占49%，黏粒占41%，X 線衍射試驗顯示該膨脹土的主要礦物成分為石英、伊利石、鈉長石、方解石。

表1 膨脹土試樣基本特性指標Table 1 Basic properties of the tested expansive clay

圖1 膨脹土試樣Fig.1 Expansive soil sample

選取初始含水率分別為18%和24%(分別位于最優含水率的干側和濕側)的膨脹土樣進行試驗，試驗所用試樣為直徑70 mm、高20 mm 的環刀試樣。

1.2 干濕-凍融循環方案

干濕-凍融循環方案的選擇主要包括干濕循環次數、凍融循環次數和干濕-凍融組合循環次數的選擇。有研究表明，第1次凍融作用后膨脹土性能變化最大，經歷6次凍融后膨脹土各方面性質的變化不再明顯[12,14]，因此，本文選取6 次凍融循環次數模擬季凍區冬春季的凍融循環；第1次干濕循環作用對膨脹土性能影響最大，3～4次干濕循環后膨脹土力學特性變化不再明顯[15-16]。本文分別選擇0次、1 次和3 次干濕循環，研究干濕循環次數(歷史)對膨脹土后續凍融過程中體變的影響；初步選擇4個周期作為干濕和凍融組合模式的最大循環次數，研究每種組合模式下膨脹土經歷4輪循環過程中的體變特性。為簡便描述，采用數字和字母編號對循環方案進行描述，例如“24-3G6D-4”代表初始含水率為24%的膨脹土試樣經歷4輪“3次干濕循環和6次凍融循環”的組合模式。

1 次完整的干濕循環過程或凍融循環過程如下：1)干濕循環。配制初始含水率(18%或24%)的試樣，將試樣置于多孔板上并放入可控式恒溫恒濕試驗箱進行鼓風干燥，試驗箱設置溫度為40 ℃、濕度為75%，試樣干燥至縮限含水率為13%時，停止干燥。干燥完成后，對試樣進行抽真空飽和，試樣飽和后再將試樣干燥至初始含水率，即完成一次干濕循環過程。2)凍融循環。用保鮮膜包裹干濕循環后的試樣，放置在恒溫恒濕箱內進行凍結，參考試驗土樣所在地黑龍江省齊齊哈爾市的年均溫度變化范圍，確定試樣首先在-20 ℃下凍結12 h，然后在20 ℃下融化12 h，即完成一次凍融循環。

1.3 體積測定方法

將試樣視為理想圓柱體，通過測量試樣的直徑和高度計算得到試樣的體積。試樣的高度和直徑采用精度為0.01 mm的數顯游標卡尺從2個平行試樣的5個角度進行測量，然后分別取平均值作為試樣的高度和直徑。

為便于分析膨脹土的體積變化，引入相對初始體積變化率η0用于表示試驗過程中試樣體積相對于最初未處理的試樣體積的變化率(膨脹時為正值，收縮時為負值)；引入相對當年體積變化率ηd表示第i年凍融循環過程中試樣體積相對于第i年凍融作用開始前試樣體積的變化率，即

式中：V0為試驗初始體積；Vn為試驗某一過程結束時的體積；Vi0為第i年凍融作用開始前的體積；Vik為第i年凍融作用開始后第k次凍融循環完成后的體積；k的取值為0～6。

相對初始體積變化率η0在工程實際中的意義如下：以工程竣工時的膨脹土體積V0為基準，以后所有年份膨脹土經歷干濕和凍融循環后的體積相對于V0的變化。相對當年體積變化率ηd在工程實際中的意義如下：以當年冬春季節凍融循環開始前的體積Vi0為基準，當年凍融循環作用導致的膨脹土體積產生的相對變化。

2 試驗結果與分析

2.1 最優含水率濕側膨脹土的體變結果

圖2所示為初始含水率為24%的膨脹土試樣在不同干濕和凍融循環組合方式下，相對初始體積變化率η0的變化規律。從圖2可以看出，在前期沒有干濕循環(24-0G6D)作用情況下，膨脹土除了在第一次組合循環過程中(即第一年)前4次凍融循環后體積發生了一定的改變，后續組合循環作用下體積變化不再明顯。這與其他學者所得結果類似[14,17-18]。而前期經過干濕循環作用后(24-1G6D 和24-3G6D)，每次組合循環過程中膨脹土體積都會隨著凍融循環發生一定的變化，且前期3次干濕循環(24-3G6D)作用下的η0大于前期1 次干濕循環(24-1G6D)作用下的η0。

圖2 不同干濕-凍融循環組合形式下初始含水率為24%的膨脹土相對初始體積變化率η0的變化Fig.2 Variation of η0 of expansive soil with initial water content of 24%under different combinations of drying-wetting and freeze-thaw cycles

分別對第1次組合循環中干濕循環引起的相對初始體積變化率η0和凍融循環引起的相對當年體積變化率ηd進行監測，結果如圖3所示。從圖3(a)可以看出：每經過一次完整的干濕循環后，膨脹土體積均減少，該結果與唐朝生等[17]得到的研究結果基本相同。從圖3(b)可以看出：經歷過不同干濕循環次數后的膨脹土試樣在凍融循環過程中的體積變化差別不大。因此可以推斷，前期干濕循環引起的膨脹土體積減少是導致24-3G6D 模式下的η0大于24-1G6D模式下的η0的主要原因。

圖3 初始含水率為24%的膨脹土體積變化率在第1次干濕-凍融組合循環過程中的變化Fig.3 Variation of volume change rate of expansive soil with initial water content of 24%during the first combined drying-wetting and freeze-thaw cycle

圖4所示為初始含水率為24%的膨脹土在不同干濕和凍融組合循環方式下，相對當年體積變化率ηd的變化規律。從圖4可以看出，前期不經歷干濕循環作用時，ηd在第2次組合循環時已基本達到穩定(即24-0G6D-2，24-0G6D-3 和24-0G6D-4 曲線基本重合)，約為0%。前期經歷1次干濕循環作用時，ηd也是在第2次組合循環時基本達到穩定，但穩定時的ηd最大值約為0.82%；前期經歷3 次干濕循環作用時，ηd在第3 次循環時才基本達到穩定，穩定時的ηd最大值約為1.23%。這說明前期干濕循環次數會影響后續膨脹土凍融循環過程中的體積變化：隨著干濕循環次數增多，膨脹土相對當年體積變化率達到穩定時所需的組合循環次數增多，且穩定時ηd的最大值逐漸增大。

圖4 不同干濕-凍融循環組合形式下初始含水率為24%的膨脹土相對當年體積變化率ηd的變化Fig.4 Variation of ηd of expansive soil with initial water content of 24%under different combinations of drying-wetting and freeze-thaw cycles

2.2 最優含水率干側膨脹土的體變結果

圖5所示為初始含水率為18%的膨脹土在不同干濕和凍融循環組合方式下相對初始體積變化率η0的變化規律。由圖5可以看出：對于初始含水率為18%的膨脹土，干濕循環3 次的η0與干濕循環1 次的η0差別不大。采用掃描電鏡試驗(SEM)分別對初始含水率為18%和24%的試樣的微觀結構進行分析，結果分別如圖6所示。由圖6可以看出：由于初始含水率為18%的膨脹土試樣的膨脹性礦物水化不充分，導致其顆粒聚集現象較初始含水率為24%的膨脹土試樣更為明顯(如圖7所示)。這是因為試樣本身存在更多的大孔隙，在第1次干濕循環作用后土體快速達到亞穩定的破壞結構，致使3次干濕循環與1次干濕循環作用引起的體變差別并不明顯(如圖8所示)。

圖5 不同干濕-凍融循環組合形式下初始含水率為18%的膨脹土相對初始體積變化率η0的變化Fig.5 Variation of η0 of expansive soil with initial water content of 18%under different combinations of drying-wetting and freeze-thaw cycles

圖6 不同初始含水率膨脹土的SEM圖像(放大400倍)Fig.6 SEM images of expansive soils with different initial water contents

圖7 不同初始含水率膨脹土的水化現象示意圖Fig.7 Schematic diagram of hydration phenomenon of expansive soils with different initial water contents

圖8 初始含水率為18%的膨脹土相對初始體積變化率η0隨干濕循環次數的變化Fig.8 Variation of η0 of expansive soil with initial water content of 18%with the number of drying-wetting cycles

圖9所示為初始含水率為18%的膨脹土試樣在不同干濕和凍融循環組合方式下，相對當年體積變化率ηd的變化規律。與初始含水率為24%的膨脹土試樣不同的是，初始含水率為18%的膨脹土前期經歷1次和3次干濕循環作用的ηd的變化規律差別不大，但4次組合循環后ηd穩定時的最大值約為0.4%，小于初始含水率為24%的膨脹土達到穩定后的ηd最大值。這是因為相較于高含水率膨脹土，在最優含水率干側的低含水率膨脹土具有團聚體結構[19-20]，前期受到干濕循環的影響，試樣孔隙及顆粒結構更易達到極限破損狀態，所以，后續的凍融循環對膨脹土體變的影響會降低。

圖9 不同干濕-凍融循環組合形式下初始含水率為18%的膨脹土相對當年體積變化率ηd的變化Fig.9 Variation of ηd of the expansive soil with initial water content of 18%under different combinations of drying-wetting and freeze-thaw cycles

3 結論

1)干濕循環歷史(次數)會對季凍區膨脹土在凍融循環過程中的體積變化產生明顯的影響。位于最優含水率濕側(初始含水率w=24%)的膨脹土，隨著干濕循環次數增大，經過多次組合循環后的相對初始體積變化率η0逐漸增大，相對當年體積變化率達到穩定時的組合循環次數增大，且穩定時ηd的最大值逐漸增大。

2)相較于位于最優含水率濕側的膨脹土，位于最優含水率干側(w=18%)的膨脹土內的顆粒聚集現象明顯，導致其體變在組合循環作用下前期受到干濕循環的影響較大，而受到后續凍融循環的影響較小。