降雨對膨脹土孔隙結構的影響研究

關鍵詞：膨脹土；孔隙結構；核磁共振；模擬降雨；孔隙率

中圖分類號：ＴＵ４４３ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０５．０２９

引用格式：韓立煒，姬偉斌．降雨對膨脹土孔隙結構的影響研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（５）：１４３－１４７，１６２．

膨脹土是一種高塑性黏土，具有吸水膨脹、失水收縮和反復脹縮變形等特點，在降雨的自然條件下淺層膨脹土體接觸水分，導致土體軟化，內(nèi)部裂隙發(fā)育，強度大幅降低，嚴重威脅修建在其上的各種建筑物的安全［１－３］ 。為了解決此類問題，需要從膨脹土孔隙結構的研究出發(fā)探究其內(nèi)在破壞機理［４］ ，因此研究降雨對膨脹土孔隙結構的影響是十分必要的。

國內(nèi)外學者測定膨脹土孔隙結構使用的方法有壓汞法［５－６］ 、ＣＴ 法［７］ 、掃描電鏡法［８］ 、核磁共振法［９－１０］等，通過這些方法開展試驗研究取得了不少成果。胡東旭等［１１］ 對原狀膨脹土進行干濕循環(huán)的ＣＴ 掃描試驗，從定性與定量的維度分析得到了土體三維空間裂隙與干濕循環(huán)之間的關系。杜澤麗［１２］ 通過三軸試驗和掃描電鏡試驗對南陽膨脹土的力學性質和開裂行為進行同步研究，發(fā)現(xiàn)膨脹土黏聚力與裂隙率成線性關系，內(nèi)摩擦角與裂隙率成二次函數(shù)關系。吳畏［１３］ 利用核磁共振儀對膨脹土的干濕循環(huán)效應進行了研究。此外黎偉等［１４］ 使用數(shù)碼攝影技術獲取多次干濕循環(huán)下膨脹土的裂隙擴展圖像并采用圖像處理和制作玫瑰花圖的方法分析了裂隙各特征參數(shù)，發(fā)現(xiàn)膨脹土表面裂隙率和裂隙寬度隨干濕循環(huán)次數(shù)增多而增大，并指出裂隙主要沿著初始方向擴展。楊周潔等［１５］ 分析了不同濃度氯化鈉溶液對不同初始干密度試樣膨脹力的影響，并且利用核磁共振儀，探究了完成膨脹力試驗后試樣的孔隙分布情況。

目前，對于膨脹土裂隙性和膨脹特性的研究主要采用干濕循環(huán)的試驗手段［１６－１７］ ，對于模擬降雨的試驗研究［１８］ 較少。核磁共振技術具有無損、便捷、測試精度高等特點且能夠進行帶水測試，因此選用核磁共振儀對模擬降雨處理后的膨脹土展開試驗研究。

１試驗方法

１．１試驗土樣

本試驗所用土樣采自平頂山市葉縣一處膨脹土邊坡，旁邊是南水北調干渠。取樣點經(jīng)度為１１３．１５°Ｅ，緯度為３３．５５°Ｎ，取樣深度１．０～１．５ ｍ，棕紅色黏土，硬塑，多被灰綠色黏土充填，取樣現(xiàn)場見圖１。

依據(jù)《土工試驗方法標準》（ ＧＢ／ Ｔ ５０１２３—２０１９）［１９］ 對取回的土樣進行一系列基礎物理試驗，試驗結果見表１，依結果可以判斷所取土樣為弱膨脹土。

１．２試驗方案

１．２．１試樣制備

本試驗所用的試樣均為膨脹土重塑試樣。依據(jù)規(guī)范［１９］ 首先將取回的膨脹土自然風干，然后用碎土錘進行破碎處理。選取２ ｍｍ 孔徑的篩網(wǎng)對破碎處理后的膨脹土進行篩分，然后將篩好的土放入１００ ℃的烘箱中２４ ｈ，使其完全風干。風干完成后進行含水率配置，配置含水率時既不能太低導致土顆粒分散、制樣困難，也不能太高導致土樣結塊、水分分布不均。為了方便制樣且保證配置的試樣含水率均勻，最終選擇１４％的含水率進行配置［１３］ 。

１．２．２試驗原理及過程

試驗過程分為模擬降雨階段和核磁共振試驗階段。模擬真實的降雨情況則需要引入降雨強度的概念，根據(jù)降雨強度等級劃分標準（見表２），將雨強劃分為小雨、中雨、大雨、暴雨４ 個強度等級分別進行試驗。

依據(jù)式（１）和降雨強度等級劃分標準可以推算不同降雨強度所對應的流量范圍：

２試驗結果與分析

２．１降雨對膨脹土孔隙結構的影響

對于不同的降雨強度等級分別進行持續(xù)０．５、１、２、３ ｄ 的模擬降雨處理，依據(jù)降雨強度等級分４ 組進行核磁共振試驗，分別為小雨組、中雨組、大雨組和暴雨組，得到Ｔ_２譜曲線，見圖３。

按照已有孔隙分級經(jīng)驗［４，２０］ ，將孔隙按照半徑大小分為微孔隙（ｒ ＜ １．０ μｍ）、小孔隙（１．０ μｍ≤ｒ ＜３．２ μｍ）、中孔隙（３．２ μｍ≤ｒ＜１０ μｍ）和大孔隙（ｒ≥１０ μｍ）４ 類。根據(jù)核磁試驗Ｔ_２譜曲線和式（２）就可以推算出每一個弛豫時間所對應的試塊孔徑大小，公式中弛豫率由Ｄｏｎｇ 等［２１］ 研究中使用的轉換系數(shù)代替。將圖３ 中所有點進行推算處理，得到試塊的孔徑分布情況，如圖４ 所示。

由圖４ 可知，在持續(xù)降雨作用下，膨脹土內(nèi)微孔隙所占比例減小，小中孔隙和大孔隙所占比例增加，說明膨脹土在降雨作用下，微孔粗化，逐漸演變成小中孔隙或大孔隙。低強度降雨下（０ ｍｍ＜２４ ｈ 降雨量＜２５ｍｍ）各類孔隙所占比例隨降雨持續(xù)時間漸進性變化，中高強度降雨下（２５ ｍｍ≤２４ ｈ 降雨量≤１００ ｍｍ）各類孔隙所占比例急劇變化，而后趨于穩(wěn)定。考慮到蒸發(fā)因素，小雨組試塊因雨強較小，３ ｄ 降雨總量還沒有達到土體結構穩(wěn)定的雨量，推測膨脹土內(nèi)部結構仍處在變化中，故與中雨、大雨、暴雨３ 種強度下試樣穩(wěn)定后孔隙分布情況差別較大。

２．２降雨條件下膨脹土孔隙率變化規(guī)律

孔隙率反映土體孔隙狀況和松緊程度，工程上常以此指標評價土的密度、計算土的壓縮系數(shù)以及評價土的允許承載力等。表３ 為核磁共振儀測得的每組試塊孔隙率。

為了進一步探究降雨對膨脹土孔隙率的影響，繪制了孔隙率與降雨持續(xù)時間的關系曲線（見圖５）。由圖５ 可知，小雨組、中雨組試塊的孔隙率隨降雨持續(xù)時間的增長大體呈線性增長趨勢，但是增長速率有所不同。將兩組數(shù)據(jù)分別進行線性擬合，得到小雨組擬合直線方程為ｙ ＝５．６８７ ９ｘ＋４．５３５ ７，確定系數(shù)Ｒ^２ ＝０．９９１，中雨組擬合直線方程為ｙ ＝ １０． ７１４ ３ｘ ＋４． ３９９ ４，Ｒ^２ ＝０．９９８，方程中ｙ 代表孔隙率（％），ｘ 代表降雨持續(xù)時間（ｄ），可知擬合效果較好。因此，可以認為短時間（降雨天數(shù)≤３ ｄ）低強度降雨（２４ ｈ 降雨量低于２５ ｍｍ）條件下膨脹土的孔隙率與降雨持續(xù)時間為線性關系。

而大雨組和暴雨組試塊的孔隙率隨著降雨持續(xù)時間的增長，不再遵循線性規(guī)律一直增長，而是達到某一數(shù)值后逐漸趨于穩(wěn)定。基于此情況，采用指數(shù)Ｓｔｉｒｌｉｎｇ模型對大雨組和暴雨組試塊孔隙率與降雨持續(xù)時間的關系進行擬合，擬合公式為

可以看出，大雨、暴雨組Ｒ２分別為０．９８０ 和０．９９５，擬合程度較好。表示在短時間（降雨天數(shù)≤３ ｄ）中高強度降雨（２５ ｍｍ≤２４ ｈ 降雨量≤１００ ｍｍ）條件下使用Ｓｔｉｒｌｉｎｇ 模型擬合孔隙率與降雨持續(xù)時間曲線關系是完全可行的。從圖５ 還可發(fā)現(xiàn)，暴雨組試塊孔隙率最后的穩(wěn)定值略大于大雨組試塊，據(jù)此推測，在降雨持續(xù)時間一定的情況下，該穩(wěn)定值與降雨強度有關。

２．３膨脹土降雨量—孔隙率曲面方程的建立

為了找到孔隙率隨降雨條件變化的一般規(guī)律，依據(jù)試驗得到的孔隙率數(shù)據(jù)點繪３Ｄ 映射曲面，如圖６所示。

圖６ 中顏色的漸變體現(xiàn)孔隙率的變化梯度，可以看出整個曲面自下而上梯度逐漸變緩并有收斂的趨勢。將觀測點排列成矩陣，使用Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ－Ｍａｒｑｕａｒｄｔ優(yōu)化算法對觀測數(shù)據(jù)進行非線性矩陣擬合，擬合方程采用ＬｏｇｉｓｔｉｃＣｕｍ 模型，擬合結果如下：

將擬合參數(shù)代入降雨—孔隙率曲面方程并繪制降雨—孔隙率曲面（見圖７）。由降雨—孔隙率曲面方程可知，當控制ｘ 不變時，孔隙率ｚ 會隨著降雨持續(xù)時間ｙ 的增長而增大，增速會逐漸變慢，最后穩(wěn)定；當控制ｙ不變時，ｚ 會隨著ｘ 的增大而增大，增速會逐漸變慢，也會趨于穩(wěn)定。這種特性既符合前面得出的孔隙率變化規(guī)律又證實了穩(wěn)定值與降雨強度有關的推測，也驗證了降雨—孔隙率曲面方程的科學合理性。因此，利用試驗實測數(shù)據(jù)擬合的降雨—孔隙率曲面方程并結合當?shù)氐臍庀蟆⑺馁Y料就可以預測和估算膨脹土在不同降雨條件下的孔隙率，為工程和研究提供參考。

３結論

（１）在持續(xù)降雨作用下，膨脹土內(nèi)占據(jù)主導地位的微孔隙逐漸被小中孔隙所替代，說明膨脹土在降雨作用下，微孔粗化，逐漸演變成小中孔隙或大孔隙。

（２）采用ＬｏｇｉｓｔｉｃＣｕｍ 模型建立的膨脹土降雨—孔隙率曲面方程能夠很好地體現(xiàn)降雨條件下膨脹土孔隙率的變化規(guī)律，通過降雨—孔隙率曲面方程和當?shù)氐臍庀蟆⑺馁Y料就可以預測和估算膨脹土在不同降雨條件下的孔隙率，為工程和研究提供參考。

（３）受降雨持續(xù)影響，膨脹土體內(nèi)部各類孔隙含量和孔隙率變化幅度逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定，由此可知持續(xù)降雨條件下膨脹土體內(nèi)部孔隙結構先變化后趨于穩(wěn)定。

【責任編輯 張華巖】