北疆供水一期工程膨脹土不同循環模式條件下的脹縮特性

張 浩,張凌凱,許 佳,徐 燕

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院,新疆 烏魯木齊 830052; 2.新疆科技學院,新疆 庫爾勒 841000;3.新疆維多爾自治區水利工程安全與水災害防治重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830052;4.新疆維吾爾自治區寒旱區水資源與生態水利工程研究中心(院士專家工作站),新疆 烏魯木齊 830052)

強烈脹縮性、多裂隙性、超固結性是膨脹土的基本特性[1],導致膨脹土的工程性質十分復雜,對各類工程常造成巨大災害。強膨脹土具有強烈的膨脹潛勢,更易造成邊坡失穩,如北疆供水一期工程輸水明渠31.6%的區域經過膨脹土區域,由于季節交替及降水的周期性變化[2-3],會引起膨脹土的脹縮變形,引發渠坡的安全問題[4-5]及膨脹土的路塹邊坡巖體失穩、建筑地基因吸水體脹而發生破壞等問題[6],這些災害均與膨脹土的脹縮特性密切相關。

針對膨脹土的脹縮特性,諸多學者從不同角度對此進行了探究。一是進行無荷膨脹率試驗,如楊慶等[7]對重塑膨脹土試樣進行膨脹力試驗,發現非飽和膨脹土的膨脹力和含水率之間存在指數關系;劉靜德等[8]對膨脹巖進行吸濕條件下的膨脹率試驗,推導得出膨脹力經驗公式,發現膨脹率與干密度線性正相關,與初始含水率線性負相關;Chertkov[9]建立膨脹巖膨脹和收縮的物理模型,定量化描述膨脹和收縮的變化;尹鑫等[10]為準確評價膨脹土脹縮等級,建立直覺模糊集評價模型,對不同指標脹縮性評價結果的敏感性依次排序;吳珺華等[11]對重塑膨脹土進行無荷條件下的反復膨脹和收縮試驗,結果表明隨著干濕循環次數的增加,試樣的膨脹率和收縮率逐漸減小。二是進行有荷膨脹率試驗,如楊和平等[12-13]對膨脹土進行干濕循環條件下有荷條件下的試驗研究,得到了膨脹土脹縮變形與強度的變化規律。三是進行收縮試驗,如柴肇云等[14]采用自主開發研制的膨脹試驗裝置,分析泥質巖的循環脹縮特性;楊和平等[12,15]通過研制相關儀器來模擬太陽光照加熱膨脹土試樣,以實現試樣的失水過程;唐朝生等[16]采用全干燥及部分干燥兩種干縮途徑,發現膨脹土脹縮特征受干縮路徑的影響明顯;王佩等[17]通過無側限抗壓強度試驗、收縮試驗對水泥改性膨脹土進行系統研究,結果表明摻入水泥可以有效改善膨脹土的土體強度和脹縮特性。四是進行微觀試驗,如錢苗苗等[18]通過電鏡試驗研究初始含水率對膨脹力影響的微觀機理;張善凱等[19-20]開展了膨脹巖經歷干濕循環后利用掃描電子顯微鏡(SEM)和氮吸附試驗,從微觀角度分析了膨脹巖吸水膨脹失水收縮的微觀機制;Lin等[21-22]研究了膨脹巖在經歷干濕循環后的微觀結構變化,解釋了干濕循環對膨脹巖微觀結構的影響;葉萬軍等[23]利用X射線衍射、掃描電鏡等技術,從礦物成分等方面對不同條件下古土壤的細微觀特征進行了系統研究;Hiroaki等[24]采用納米焦點X射線CT、X射線衍射結合三維顯微結構分析,研究了不同溶脹性能的致密蒙脫石在不同干密度時的顯微結構;Qi等[25-26]研究了干濕循環條件下的土壤收縮膨脹特性及微觀結構變化;何俊等[27]開展干濕循環條件下固化污泥電鏡掃描試驗,研究了堿渣-礦渣-石灰對固化污泥的微觀結構影響。

目前國內外學者在膨脹土的脹縮特性及微觀機制方面的研究已取得明顯進展,主要集中于干濕循環作用下膨脹土脹縮特性的研究,但不同循環模式條件下全年氣溫、降水等因素對膨脹土渠坡的脹縮的影響未能得到全面反映。鑒于此,本文以北疆供水一期工程膨脹土為研究對象,采用室內試驗模擬干濕循環、凍融循環及干濕-凍融循環模式,對膨脹土在不同循環模式條件下的變形規律進行試驗研究,并通過電鏡掃描揭示其微觀結構,從微觀角度探討其宏觀變形的根本原因。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所用膨脹土取自北疆供水一期工程總干渠“13+175”挖方段的黃色泥巖,具有中膨脹性,顏色呈土黃色,帶有少量青色雜質,具有較好的代表性。該土粒的不均勻系數為33,曲率系數為0.33,屬于不良級配。通過室內基本物理特性試驗及X射線衍射試驗,得到其天然含水率為14.8%,天然干密度為1.60g/cm3,最大干密度為1.67g/cm3,最優含水率為18.9%,礦物成分蒙脫石、石英、長石、方解石和鈉長石的質量分數分別為60.4%、32.7%、6%、0.5%和0.4%。

1.2 循環模式

試驗所用土樣最優含水率為18.9%,采用輕型擊實法將配置好的濕土壓制成直徑61.8mm、高20mm的環刀試樣,以現場實測干密度1.6g/cm3進行制樣。

循環模式分為干濕循環、凍融循環和干濕-凍融循環3種。①干濕循環:濕潤階段采用抽氣飽和法模擬膨脹土渠坡濕潤過程(試樣抽氣2h,浸泡10h),干燥階段參考取樣地歷史氣象資料,確定干燥階段邊界溫度為40℃,干燥過程在烘箱中進行(12h),烘干至天然含水率(約為14.8%)狀態;②凍融循環:設置-20℃和20℃為北疆膨脹土渠坡凍結及融化環境溫度,將膨脹土試樣用保鮮膜包裹后放入GDJ/YH-225L高低溫交變濕熱試驗箱,凍結及融化階段均為24h,共進行9次凍融循環;③干濕-凍融循環:采用抽氣飽和法模擬渠基土濕潤過程,干燥階段采用40℃烘箱烘干至天然含水率狀態,凍融階段均在GDJ/YH-225L高低溫交變濕熱試驗箱中進行,凍結及融化階段均為24h。

1.3 試驗方法

a.無荷膨脹率試驗。采用WG-3A單杠桿固結儀,對經過1、3、5、7、9次不同循環模式條件下的試樣進行無荷膨脹率試驗,環刀試樣共16個,向單杠桿固結儀中注水,保持水面高出試樣5mm,記錄注水開始時間,按照試驗開始后5min、10min、20min、30min、1h、2h、3h、6h、12h、24h測讀百分表讀數,當6h內變形不大于0.01mm時終止試驗。

b.有荷膨脹率試驗。采用WG-3A單杠桿固結儀,對經過1、3、5、7、9次不同循環模式條件下的試樣進行有荷膨脹率試驗,上覆荷載分別為25、50、75、100kPa,按照試驗開始后5min、10min、20min、30min、1h、2h、3h、6h、12h、24h測讀百分表讀數,當6h內變形不大于0.01mm時終止試驗。

c.收縮試驗。將進行無荷膨脹率試驗的飽和膨脹土試樣放入105℃高溫烘箱,烘干12h,記錄膨脹土環刀試樣高度變化,稱量膨脹土試樣質量,每隔6h測記百分表讀數并稱質量,直至2次測量試樣質量相差不大于0.1g時終止試驗。

d.SEM掃描電鏡試驗。通過S-3400N Ⅱ型SEM對不同循環模式條件下膨脹土試樣進行SEM試驗。試驗時在SEM放大250、1000、2000、4000、8000和10000倍情況下分析土體微觀結構圖像,利用Image-J軟件對SEM微觀圖像進行預處理,定量分析土體微觀結構的變化。

2 試驗結果與分析

2.1 無荷膨脹率試驗

采用膨脹率及線縮率來描述膨脹土脹縮變形,膨脹率為膨脹土試樣浸水后的膨脹量與初始高度之比,線縮率為膨脹土試樣失水后的收縮量與初始高度之比。圖1為不同循環模式條件下膨脹土無荷膨脹率變化曲線,可以看出膨脹土試樣的膨脹變形與時間呈非線性變化,無荷膨脹率變化曲線可分為3個階段:①快速膨脹階段:在無荷膨脹率試驗初期,膨脹率隨時間的增加而增大,膨脹速率較大,變化較為強烈,該階段持續時間在0～60min之間;②勻速膨脹階段:在無荷膨脹率試驗中期,膨脹率變化較為緩慢,膨脹速率逐漸減小,該階段持續時間在60～360min之間;③穩定階段:膨脹率曲線慢慢接近水平,逐漸趨于穩定值。試樣在較短時間內即達到較大的膨脹變形。此外,隨著循環次數的增加,膨脹土的無荷膨脹率均隨循環次數的增加而不斷降低,第1次循環后無荷膨脹率變化最明顯,第5次循環后無荷膨脹率逐漸趨向于穩定值。

圖1 不同循環模式條件下膨脹土無荷膨脹率變化曲線

圖2為不同循環模式條件下膨脹土無荷膨脹率與循環次數關系曲線。由圖2可知,膨脹土試樣在干濕-凍融循環作用下無荷膨脹率降低幅度最大,第1次循環衰減幅度達43.7%,最終衰減幅度達82%;在凍融循環作用下無荷膨脹率衰減幅度最小,第1次循環衰減幅度為8.9%,最終衰減幅度為24.2%;在干濕循環作用下無荷膨脹率第1次循環衰減幅度為37.9%,最終衰減幅度達81%。

圖2 不同循環模式條件下膨脹土無荷膨脹率與循環次數關系曲線

分析原因可知,試驗所用膨脹土中含有較多黏土礦物,黏土礦物的親水能力決定了土體的膨脹程度,其中蒙脫石膨脹性能最為顯著。向WG-3A單杠桿固結儀中注水,試樣初始含水率較小,孔隙較多,水通過滲透作用更易進入膨脹土試樣內部,土體含水率增加,黏土礦物吸水膨脹,試驗初期膨脹變形較為強烈,隨著時間的延長,膨脹變形逐漸趨于穩定值。膨脹土試樣經過干濕循環、凍融循環及干濕-凍融循環,土體出現大量微小裂隙,結構整體性遭到破壞,黏土礦物聚集體分解,無荷膨脹率隨循環次數增加逐漸減小,且最終趨于穩定。

2.2 有荷膨脹率試驗

圖3為上覆荷載25kPa、不同循環模式條件下膨脹土有荷膨脹率變化曲線。由圖3可知,有荷膨脹率試驗初期,膨脹變形隨時間的延長而增大,膨脹速率逐漸減小;有荷膨脹率試驗后期,膨脹變形逐漸趨于平穩,膨脹速率逐漸趨于零。

圖3 不同循環模式條件下膨脹土有荷膨脹率變化曲線

圖4為不同上覆荷載、不同循環模式條件下膨脹土有荷膨脹率變化曲線,可以看出:①隨著循環次數的增加,膨脹土有荷膨脹率逐漸減小,第1次循環變化最為明顯,第5次循環后,有荷膨脹率逐漸趨于穩定值;且上覆壓力越大,其有荷膨脹率均越低,說明壓力抑制了膨脹土吸水膨脹作用。②以25kPa上覆荷載為例,膨脹土試樣在干濕-凍融循環作用下有荷膨脹率衰減幅度最大,第1次循環衰減幅度達70%,最終衰減幅度達153%;在凍融循環作用下有荷膨脹率衰減幅度最小,第1次循環衰減幅度為23.6%,最終衰減幅度達42%;在干濕循環作用下有荷膨脹率第1次循環衰減幅度為62.4%,最終衰減幅度達149.8%。

圖4 不同上覆荷載、不同循環模式條件下膨脹土有荷膨脹率變化曲線

分析上覆荷載對膨脹率的影響原因可知,由于上覆荷載對膨脹土的膨脹變形具有抑制作用,當膨脹變形受抑制時將產生膨脹力,部分膨脹力用于克服上覆荷載的抑制作用,上覆荷載越大,則抵消的膨脹力越大,以膨脹變形表現出來的膨脹力越小。同時,水是直接導致膨脹土膨脹變形的重要外部因素,上覆荷載的增大導致土顆粒微孔隙面積減小,土體的吸水量減少,使試樣的膨脹受到限制,因而膨脹土的膨脹變形隨上覆荷載的增大而減小。由于循環作用使土顆粒破碎,黏土礦物吸水能力減弱,有荷膨脹率隨著循環次數及上覆荷載的增加而減小。

2.3 膨脹土的收縮特性

圖5為不同上覆荷載、不同循環模式條件下膨脹土線縮率變化曲線。由圖5可知:①隨著循環次數的增加,膨脹土的線縮率逐漸減小,不同循環模式條件下膨脹土的線縮率均在第1次循環后達到最大值,變化較為明顯,在第5次循環后逐漸趨向于穩定值;②相同循環模式條件下,荷載越大,其線縮率越小;③不同循環模式條件下膨脹土在干濕-凍融循環作用下線縮率變化幅度最大,在凍融循環作用下線縮率變化幅度最小。

圖5 不同上覆荷載、不同循環模式條件下膨脹土線縮率變化曲線

2.4 膨脹土的微觀特性

經比較,取放大2000倍SEM圖像進行定性分析,圖6為不同循環模式條件下膨脹土放大2000倍SEM的圖像。由圖6可知:①未進行過干濕-凍融循環的膨脹土微觀層面相對平整,主要為較大的聚集體,局部黏粒組呈平層片狀,具有較好的定向性,結構相對牢固;膨脹土吸水膨脹后微觀結構發生明顯變化,裂隙發育明顯,水分更易與土體中黏土顆粒接觸,發生膨脹現象;有荷膨脹率試驗后,由于荷載作用微觀結構較為平整,土體微小孔隙少量增加。②隨著干濕循環的進行,膨脹土表面由平整到粗糙乃至出現裂隙,孔隙由開始的小孔隙逐漸發展為中、大孔隙,土體骨架也發生變化;吸水后土樣微觀裂隙進一步發育,黏土礦物聚集明顯且結構松散;有荷膨脹率試驗后,膨脹土表面較為光滑。③隨著凍融循環的進行,土顆粒之間的聯結開始破壞,孔隙增大,局部薄片狀顆粒卷曲;無荷膨脹率試驗后部分聚集體的顆粒排列呈波浪狀或花朵狀,形成近似流水形態的紊流結構;有荷膨脹率試驗后,接觸面以面-面結合為主,形成定向排列的層流狀結構,層間孔隙有明顯的同向性。④隨著干濕-凍融循環的進行,土體孔隙和結構發生了明顯變化,部分較大土粒凝塊經過干濕-凍融循環逐漸分離變小,土體原有致密結構消失,出現許多新的微小裂隙,土體結構整體變得松散;吸水后裂隙進一步發育,土體顆粒間黏粒礦物不斷減少,干濕-凍融循環土體微觀結構破壞較干濕循環及凍融循環最為嚴重;有荷膨脹率試驗后,孔隙數量整體呈下降趨勢,土體顆粒趨于扁平狀。

圖6 不同循環模式條件下膨脹土放大2000倍SEM圖像

通過Image-J軟件對不同循環模式條件下土樣的1萬倍SEM圖像進行微觀信息處理,量化不同循環次數下的土體顆粒形態變化,其結果如表1所示。由表1可知:膨脹土試樣經過無荷膨脹率試驗后,顆粒總數增加,其他微觀指標呈下降趨勢;初始試樣經過有荷膨脹率試驗后,顆粒總數減小,其他微觀指標呈增大趨勢,其規律與無荷膨脹率試驗相反;微觀結構在不同循環模式作用,顆粒總數呈逐漸增大趨勢,其他微觀指標逐漸減小,其變化幅度干濕-凍融循環最大,干濕循環次之,凍融循環最小,因進行SEM微觀掃描試驗需將試樣完全烘干,微觀數據存在細小誤差。

表1 膨脹土微觀定量分析

分析膨脹土微觀結構變化可知:①干濕循環過程中水分遷移,反復沖刷原有孔隙,形成新的孔隙,反復的飽和濕潤和烘干使土體破碎,顆粒總數增加;凍融循環過程中,水分不斷經歷凍結、融化,擠壓土體顆粒,顆粒總數增加,小孔隙變大;干濕-凍融循環過程中,既受干濕循環的影響,微觀結構更為破碎,又受凍融循環的影響,裂隙逐漸擴展。不同循環模式條件下,干濕-凍融循環微觀結構破壞最為嚴重,顆粒總數增加21.7%,顆粒總面積下降10.1%,其余微觀指標均有不同程度下降,膨脹率試驗變化最為顯著;凍融循環條件下微觀結構破壞最小,顆粒總數增加7.9%,顆粒總面積下降3.9%,其余微觀指標均有不同程度的微小下降,膨脹率試驗變化最小;干濕循環條件下膨脹土微觀結構,顆粒總數增加17.7%,顆粒總面積下降11.4%,其余微觀指標均有不同程度下降。②膨脹土試樣出現脹縮特性的主要因素是膨脹土的特殊物質組成成分和微觀結構特征,微觀結構特征包括土顆粒的大小、排列、含水量及外部環境等因素,其中土顆粒大小及含量是影響脹縮性的主要因素。不同循環模式條件下,循環作用會影響黏土顆粒的大小、含量及排列等因素的變化,導致脹縮特性減弱,其中干濕-凍融循環對微觀結構影響最為顯著,顆粒破碎最為嚴重,顆粒總面積變化程度最大,則膨脹率變化程度最大,凍融循環對微觀結構影響最小,膨脹率變化程度最小。

圖7為未循環及循環后脹縮變形機制示意圖。由圖7可知,膨脹土發生脹縮變形是土體內部因素從而決定的,同時受到外部水分條件的影響,膨脹土含水率的變化引起黏土礦物的吸水膨脹和失水收縮,產生脹縮現象。膨脹土試樣經過干濕循環、凍融循環及干濕-凍融循環后,土體的整體性遭到破壞,影響黏土顆粒的大小、含量及排列等因素的變化,宏觀上表現為膨脹土試樣膨脹-收縮能力的變化,其中干濕-凍融循環對微觀結構影響最為顯著,膨脹率變化幅度最大,凍融循環對微觀結構變化最小,則膨脹率變化幅度最小。隨著循環次數的增加,膨脹土微觀結構不再變化,土體內部呈平衡狀態,膨脹土試樣循環脹縮特性趨于穩定。

圖7 未循環及循環后脹縮變形機制示意圖

3 結 論

a.在膨脹土無荷膨脹率試驗中,隨著時間的延長,膨脹土的膨脹變形可分為快速膨脹、勻速膨脹及穩定3個階段,膨脹變化主要集中在快速膨脹階段;無荷膨脹率隨循環次數增加均呈逐漸減小的趨勢,第1次循環后無荷膨脹率變化最為明顯,第5次循環后逐漸趨于穩定;受凍融循環作用的試樣無荷膨脹率減小程度最小,干濕-凍融循環減小程度最大。

b.在膨脹土有荷膨脹率試驗中,膨脹土的膨脹變形隨時間的延長而增大,膨脹速率逐漸減小,試驗后期,膨脹變形逐漸趨于穩定值。上覆荷載越大,有荷膨脹率越低,說明上覆荷載抑制了膨脹土吸水膨脹作用;隨著循環次數的增加,有荷膨脹率逐漸減小,第5次循環后逐漸趨向于穩定值;膨脹土試樣在干濕-凍融循環作用下有荷膨脹率衰減幅度最大。

c.隨著循環次數的增加,不同循環模式條件下膨脹土試樣的線縮率均在第1次循環變化最為顯著,隨后逐漸減小,在第5次循環后逐漸趨向于穩定值;相同循環模式條件下,荷載越大,其線縮率越小;膨脹土試樣在干濕-凍融循環作用下線縮率變化幅度最大,在凍融循環作用下線縮率變化幅度最小。

d.掃描電鏡結果表明,試樣經過循環后,土體孔隙和結構發生了明顯變化,顆粒破損,影響黏土顆粒的大小、含量及孔隙分布等因素的變化,不同循環模式條件下微觀參數均有不同程度變化,其中干濕-凍融循環變化幅度最大,凍融循環變化幅度最小,影響了脹縮特性,黏土礦物吸水膨脹能力減弱,試樣高度變小,宏觀上表現為膨脹土試樣膨脹-收縮能力的變化。