膨脹土微結構對膨脹行為的影響
2024-05-23 09:22:20劉正楠張銳唐德力劉昭京周豫
土木建筑與環境工程 2024年2期
劉正楠 張銳 唐德力 劉昭京 周豫
DOI：?10.11835/j.issn.2096-6717.2021.268
收稿日期：2021?08?24
基金項目：國家自然科學基金（51978085）；中國國家鐵路集團有限公司科技研究開發計劃（K2020G036、K2019G045）
作者簡介：劉正楠（1992-?），男，博士，主要從事膨脹土研究，E-mail：lin@csust.edu.cn。
通信作者：張銳（通信作者），男，博士，教授，博士生導師，E-mail：zr@csust.edu.cn。
Received： 2021?08?24
Foundation items： National Natural Science Foundation of China （No. 51978085）; Research and Development Project of China National Railway Group Co.， Ltd. （Nos. K2020G036， K2019G045）
Author brief： LIU Zhengnan （1992-?）， PhD， main research interest： expansive soil， E-mail： lzn@csust.edu.cn.、
corresponding author：ZHANG Rui （corresponding author）， PhD， professor， doctorial supervisor， E-mail： zr@csust.edu.cn.
摘要：評估膨脹土的膨脹行為對于膨脹土地區的結構設計十分重要。因降雨入滲，膨脹土在垂直方向和水平方向均產生膨脹變形，當膨脹變形受抑制時將產生膨脹壓力，影響其周圍結構的穩定性。為揭示膨脹土在增濕膨脹過程中出現各向異性的原因，從微觀角度出發，通過電鏡掃描（SEM）對百色中膨脹土和枝江弱膨脹土的微觀結構進行觀察，并通過圖像處理技術統計分析膨脹土內黏土礦物顆粒的層狀排列。通過研發的二維膨脹儀和改進的試件制備方法，從宏觀角度測得了側限條件下的兩向膨脹規律。研究結果表明，膨脹土的微觀結構呈片狀且面-面相疊；當膨脹土處于天然松散狀態時，其內部的黏土礦物顆粒隨機定向排列且集聚；壓實后，因受各向不均等應力作用，黏土礦物顆粒開始趨向于水平層狀排列;干密度越大，土樣越密實，其水平層狀排列越顯著。側限條件下，兩向的膨脹規律表現出顯著的差異，干密度越大，膨脹性越強，這種差異就越明顯。然而，對黏土礦物顆粒來說，其膨脹的方向垂直于其長軸，高度的水平定向是造成膨脹土在宏觀上表現出膨脹各向異性的原因，這種兩向的膨脹差異受到干密度和膨脹性的影響，難以做出預測，建議在工程實踐中實測兩向的膨脹規律。
關鍵詞：膨脹土；膨脹各向異性；微觀結構；電鏡掃描；膨脹試驗
中圖分類號：TU443；U416.1 ????文獻標志碼：A ????文章編號：2096-6717（2024）02-0060-10
Influence of microstructure of expansive soil on swelling behavior
LIU Zhengnan1，?ZHANG Rui1，?TANG Deli1，?LIU Zhaojing2，?ZHOU Yu1
（1. School of Traffic & Transportation Engineering， Changsha University of Science & Technology， Changsha 410114， P. R. China；?2.China Railway Nanning Group Co.， Ltd.， Nanning 530029， P. R. China）
Abstract： Evaluation of swelling behavior is of great importance for designing structures in expansive soils areas. Due to infiltration， the expansive soil produces swelling deformation in both vertical and horizontal directions， and the swelling pressure occurs if the swelling deformation was restrained that influences the stability of surrounding structures. In order to reveal the causes of anisotropy behavior of expansive soil in the process of wetting and swelling， from the microscopic point of view， this paper observed the microstructure of expansive soil from Baise with medium swelling potential and Zhijiang with weak swelling potential respectively， and statistically analyzed the orientated distribution of clay mineral particles in expansive soil by image processing technique. Meanwhile， from macroscopic aspect， variations of swelling strain with swelling pressure were measured under lateral confining condition via the developed 2D dilatometer and the modified specimen preparation method. The results show that the microstructure of expansive soil is flaky and stacked layer by layer. When the expansive soil is of natural loose state， the clay mineral particles are randomly oriented and aggregated; After compaction， clay mineral particles tend to be horizontally oriented due to the anisotropic stress. The higher the dry density， the denser the soil sample， and the more obvious its horizontal orientation. Under lateral confined condition， significant swelling differences are observed between the vertical and horizontal direction. The greater the dry density， the stronger the swelling capacity， and the more obvious the difference. However， for clay mineral particles， the swelling direction is perpendicular to their long axis， so the highly horizontal orientation is the reason why expansive soil shows swelling anisotropy behavior in macroscopic view. The swelling anisotropy is influenced by dry density and swelling ability， which is difficult to estimate， therefore it is suggested to measure the swelling principle in two directions in engineering practice.
Keywords： expansive soil；?swelling anisotropy；?microstructure；?scanning electron microscope；?swelling test
膨脹土在中國分布十分廣泛，因富含蒙脫石等親水性黏土礦物，表現出吸水膨脹變形的工程特性。豎向膨脹將引起地基的不均勻隆起而使上部結構出現破壞[1-2]，側向膨脹則會影響膨脹土邊坡及其支擋結構的穩定性[3-6]。當膨脹變形受到約束時，則會對周圍土體或結構物產生較大膨脹力，給建筑、交通運輸、水利等行業的建設帶來極大的危害和巨大的經濟損失[7-8]。膨脹土在豎向和側向的膨脹行為存在差異[9-11]，這種宏觀膨脹表現與微觀結構演變必然存在關聯，因此，有必要從宏-微觀的尺度研究分析膨脹土出現膨脹各向異性的原因。
對于膨脹土微觀結構的研究方法有許多種，常用的有X射線衍射（XRD）、電子顯微鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、壓汞法（MIP）以及環境掃描電子顯微鏡（ESEM）[12]。研究者通過各種不同的方法在膨脹土微結構研究方面取得了許多成果。Katti等[13]、陳宇龍[14]通過SEM對膨脹土微結構進行了分析研究，研究表明紊流結構、層流結構、膠式結構及粒狀堆積結構是膨脹土微結構土體主要的排列方式。戴張俊等[15]用MATLAB軟件對掃描電鏡下膨脹土微結構的SEM圖像進行處理，研究了土體孔隙和微結構單元體的微觀特征，發現膨脹性不同的土的微觀結構特征存在差異。Zou等[16]通過SEM研究了氯化鈉溶液濃度對膨脹土微觀結構的影響，藺建國等[17]也利用MIP和SEM對孔隙溶液于膨脹土微觀結構的影響開展研究，結果表明溶液濃度會改變微結構的排列與疊聚。在宏觀膨脹行為研究方面，以往對膨脹土的膨脹特性研究多側重于豎向，應用固結儀和三軸儀在側限條件下的單向膨脹試驗，獲取不同濕密狀態或上覆荷載下的豎向膨脹力及變形規律[18]。由于現行規范中尚無側向膨脹試驗方法，在膨脹土地區結構設計時常用豎向膨脹力進行折減代替側向膨脹力，將膨脹土視為各向同性材料進行簡化處理，造成較大設計誤差。為此，眾多學者開展了膨脹土側向膨脹特性的研究，通過增加側向應力量測裝置對固結儀進行改進[19-20]，或研制了三向脹縮儀對三向的膨脹變形規律開展研究[21-23]，并基于宏觀試驗現象，從微觀角度解釋了膨脹各向異性的原因，認為膨潤土內的蒙脫石疊片在空間中的定向是隨機的，但在壓實作用下，疊片被迫垂直于壓實方向，使得豎向膨脹力大于側向膨脹力。謝云等[24]、楊長青等[25]、池澤成等[26]和劉洪伏等[27]也通過三向脹縮儀開展了試驗研究，發現干密度是影響膨脹各向異性的重要因素。賈景超[28]分析了土體微觀結構對宏觀膨脹特性的影響，利用概率密度函數描述了膨脹土內土顆粒的定向排列。綜上所述，膨脹土膨脹的各向異性與其物質組成、微結構特征等密切相關。但從目前已有的研究成果來看，對于膨脹土的微觀結構的研究大多是定性描述，而定量的計算分析還相對缺乏，且較少將微觀結構的定量分析與宏觀力學性質建立聯系。
為進一步揭示膨脹土的微觀結構的分布特征及其對膨脹各向異性的影響機理，以廣西百色中膨脹土和湖北枝江弱膨脹土為研究對象，通過電鏡掃描SEM對松散土樣、不同干密度下的壓實土樣進行了觀察，觀察面分別為平行壓實方向和垂直壓實方向。通過對SEM圖像進行處理，統計分析不同干密度下兩種膨脹土內的黏土礦物與水平方向夾角的分布概率，并從微觀角度分析了出現膨脹各向異性原因；利用研發的二維膨脹儀并改進試件制備方法，開展側限條件下的兩向膨脹試驗，得到了豎向和側向的膨脹力隨膨脹應變的變化規律。
1 試驗土樣
選取百色膨脹土和枝江膨脹土作為試驗土樣。其中，百色膨脹土土樣取自廣西壯族自治區隆（隆林）百（百色）高速公路K173+300處，取土深度為6 m。該地位于百色盆地，屬于中國典型的膨脹土分布區。土樣呈灰白色，硬塑-堅硬狀，天然含水率為20.1%，天然干密度為1.57 g/cm3。枝江膨脹土土樣取自湖北省枝江市安（安福寺） 猇（猇亭區）一級公路K5+448處，取土深度為4 m。該線路區膨脹土大部分分布于構造、剝蝕丘陵區的第四系更新統黏土中，土體中普遍夾有網紋狀高嶺土。土樣呈棕紅色，堅硬狀，天然含水率為27.7%，天然干密度為1.62 g/cm3。
通過室內試驗獲得了百色膨脹土和枝江膨脹土的基本土性參數，如表1所示。同時，根據《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）中膨脹土膨脹性的判別標準[29]，開展了自由膨脹率和標準吸濕含水率試驗，試驗結果一并匯總于表1。試驗結果表明，百色膨脹土為中膨脹土，枝江膨脹土為弱膨脹土。
另外，為獲得兩種土樣的礦物成分，采用Smartlab型XRD分析儀對試驗土樣的礦物組成開展了分析，測試結果如圖1所示。
XRD測試結果表明，百色膨脹土和枝江膨脹土的礦物組成基本相似，其主要成分為石英、蒙脫石、伊利石、高嶺石。其中，百色膨脹土中還含有少量的方解石。百色膨脹土的黏土礦物含量約為45.2%，其中，蒙脫石類黏土礦物的含量約為16.6%；枝江膨脹土黏土礦物約占46.8%，其中，蒙脫石類黏土礦物的含量約為8.1%。
2 試驗裝置與試件制備
2.1 試驗裝置
為研究膨脹土增濕膨脹所產生的膨脹各向異性行為，研發了二維膨脹儀。該裝置由試驗盒、加載系統以及量測系統3部分組成，如圖2所示。
試件為54.77 mm（長）×54.77 mm（寬）×20 mm（高）的長方體，試驗時置于試驗盒內。試件經透水石與試驗盒側壁相連，緊貼透水石的側壁上設有透水孔。與之相對的方向上設有電阻應變式壓力傳感器，用以實時量測土樣膨脹過程中所產生的側向壓力，該傳感器量程為0～450 kPa，精度為±1 kPa。傳感器后側設有位移傳動裝置，由步進電機、傳動桿和移動限位塊組成，通過儀表自動控制電機驅動傳動桿前進或后退，實現試驗過程中側向的加卸載；與之正交的方向上，試驗盒側壁設有限位器，以確保上蓋板放置后不會造成試件體積的改變；該裝置與三聯中壓固結儀杠桿機構配合使用，可通過增減砝碼實現豎向的加卸載。試驗時，豎向荷載通過壓力桿作用于上蓋板，再經上蓋板傳遞至試件。另外，在豎向和側向均設有LVDT位移傳感器，可實時采集兩向的位移，其量程為0～10 mm，分辨率為0.001 mm。
2.2 試件制備
增濕膨脹后，膨脹土側壓力由兩部分組成，一部分是由上覆荷載引起的側向壓力，其數值等于上覆荷載乘側壓力系數；另一部分則是增濕產生的側向膨脹壓力。若直接通過側向壓力傳感器對試件增濕過程所產生的側向壓力進行量測，測得的實際上是兩者的合力，無法獲得真實的側向膨脹力。借鑒膨脹力的測試思想，上覆荷載實際上就等于豎向膨脹壓力。若將靜壓制樣后的試件旋轉90°使之側向朝上，則原試件的側向（垂直壓實面的方向）變為膨脹儀中的豎向，即可由上覆荷載與膨脹壓力相等，在二維膨脹儀的豎向測得試件原側向的膨脹力。為此，為測得兩向的膨脹壓力隨膨脹變形的變化規律，自制了兩種試件制備裝置，分別用于制備豎向膨脹試驗試件和側向膨脹試驗試件，如圖3所示。
在實際工程中，膨脹土一般用于膨脹土下路堤填筑和土工格柵加筋膨脹土邊坡的回填。考慮到實際工程應用，采用重塑土開展試驗。由于干燥的膨脹土樣與水混合后極易成團，導致制備的混合物含水率分布極不均勻。為此，土樣經烘箱在105 ℃的溫度下干燥并破碎后，需先過一次1 mm的篩以獲得粒徑小于1 mm的粉末；在制備試樣前，配置的土樣還需再過一次1 mm的篩。
考慮到膨脹土在實際工程應用中，其壓實度不大于93%。設定試件的初始干密度為濕法重型擊實試驗所確定最大干密度的93%、90%和87%；初始含水率均設定為濕法重型擊實試驗所確定的最佳含水率，如表2所示。其中，BS93V代表在93%的最大干密度下用于豎向膨脹試驗的百色膨脹土試件；ZJ90H代表在90%的最大干密度下用于側向膨脹試驗的枝江膨脹土試件。
3 電鏡掃描（SEM）試驗
3.1 SEM樣品制備
為觀測到靜壓后的試件沿壓實方向和垂直于壓實方向的黏土礦物排列特征，在通過圖3（b）制樣裝置制備完長方體試件后，用小刀分別沿平行于壓實方向和垂直于壓實方向對不同的試件各切取了一長條土樣，如圖4所示。所取土條厚度不宜過大以免影響其導電性能。
將切割后的土條放入烘箱（溫度設為105 ℃）干燥24 h以上；待土條干燥冷卻后，再用小刀在圖4所示觀察面附近預先刻出槽痕，然后沿槽痕將土條掰斷；其后，用耳球將破裂面表面的浮土吹拂干凈，將處理后樣品的破裂面的背面用導電雙面膠帶固定在樣品臺上。試驗過程中保證試樣底面平整，以保證樣品具有良好的導電通道，接著將固定在樣品臺上的樣品置于離子濺射儀內噴金處理；最后將噴金處理后的樣品繼續抽真空干燥12 h以上，至此得到最終的SEM試驗樣品，如圖5所示。
3.2 膨脹土微結構特征
通過電鏡掃描，對天然松散狀態下的膨脹土、沿壓實方向和垂直于壓實方向的壓實樣進行了觀測，放大倍數為5 000倍，如圖6所示。
圖6表明，無論是松散狀態還是壓實狀態下的膨脹土，其微結構多呈片狀且面-面相疊或邊-面相疊。對于天然松散狀態下的膨脹土來說，這是由沉積和固結作用所致，膨脹土天然地基即為典型的層狀結構，故在其內所取的松散土樣上亦觀測到相應成層的微觀結構特征。另外，比較壓實樣品和松散樣品的SEM圖片可以發現，壓實作用加劇了土顆粒的成層。壓實過程中，土樣在側限條件下受到各向不等的應力作用，使得這些片狀結構沿其壓實方向面-面相疊。
對比壓實后的百色膨脹土（圖6（b）、（c））和枝江膨脹土（圖6（d）、（e））樣品的SEM圖片發現，百色膨脹土微結構單元以不規則片狀黏土礦物為主，有明顯的彎曲或卷曲片狀顆粒，微結構特征以紊流狀結構為主，局部層狀排列；而枝江膨脹土微結構單元以粒狀顆粒、扁平狀顆粒為主，含片狀顆粒，單粒體較多，卷曲片狀顆粒少見。微結構特征以粒狀顆粒堆疊結構為主，含紊流結構、絮凝結構。另外，對于不同干密度的樣品，其內部土顆粒的排列情況也不相同。干密度越大的土樣里面所含片狀黏土顆粒更多，所含孔隙也較少，顆粒排列也更加密實。
3.3 微結構定向度分布統計
用專業圖像處理軟件Image-Pro Plus 6.0對樣品的SEM圖像進行可視化處理，提取膨脹土微觀結構中片狀黏土顆粒，并利用軟件的測量功能對片狀黏土顆粒的傾角進行自動測量。由于單元體的定向方位在0°～180°和180°～360°范圍內為鏡像對稱，故只需統計0°～180°內的方位即可，以10°為單位分為18個方位區，并相應地將強度等級也分為18級。根據圖像中每一個像元的強度等級確定該像元所處的方位，進而統計整個圖像中單元體的傾角分布，然后對每一級的概率進行統計。某強度等級占據的概率越大，說明單元體在這一方位上成層程度越高。
為減少SEM圖像選擇的隨意性與主觀性對統計結果帶來的誤差，視樣品大小差異，每種樣品拍攝200～500張照片。拍照時，先將焦距調至5 μm（放大5 000倍），待聚焦清晰后，拍下第一張照片。其后，按從左至右、從上至下的順序，待前一張照片拍攝完畢后，移動觀察窗至前一張照片圖像徹底不見，然后再拍攝下一張，如圖7所示。
據此，得到不同干密度下的枝江膨脹土和百色膨脹土SEM照片中黏土礦物水平夾角概率統計結果，如圖8所示。
圖8表明，片狀黏土顆粒與水平面的傾角處于0°～10°和170°～180°區間內的概率相對較大，即多趨向于水平定向排列。對于不同干密度的土樣其水平夾角分布情況是不同的。隨著干密度的增加，對于百色膨脹土來說，其處于0°～10°和170°～180°區間內的分布概率之和也在增加。當密實度由87%增加至90%時，分布概率由14.5%增大至20.1%，增幅為38.6%；當密實度由90%增加至93%時，分布概率則由20.1%增大至22.6%，增幅為12.4%。對于枝江膨脹土來說，其處于0°～10°和170°～180°區間內的分布概率之和也在增加。當密實度由87%增加至90%時，分布概率由14.8%增大至16.3%，增幅為10.1%；當密實度由90%增加至93%時，分布概率則由16.3%增大至24.3%，增幅為49.1%。可見，兩種膨脹土中黏土礦物顆粒與水平方向的夾角處于0°～10°和170°～180°區間內的分布概率隨密實度的變化規律十分相近，說明相較于膨脹性（蒙脫石含量），膨脹土內黏土礦物顆粒傾向于水平分布的概率與密實度密切相關。
綜上所述，當膨脹土處于天然松散狀態時，其內部的黏土礦物顆粒隨機定向排列且集聚；壓實后，因受各向不均等應力作用，黏土礦物顆粒開始趨向于水平層狀排列。干密度越大，土樣越密實，其水平層狀排列越顯著，但絕大多數黏土礦物顆粒仍會有一定的傾角，即傾斜狀排列。而膨脹土的增濕膨脹主要是沿垂直于黏土礦物顆粒長軸的方向，故這種不均勻的定向分布將使得膨脹土出現兩向膨脹的差異，即膨脹各向異性，且因黏土礦物顆粒多趨于水平定向排列而在宏觀上表現出豎向膨脹能力強于側向的特征。
4 側限條件下的兩向膨脹試驗
4.1 試驗方法
經試樣制備后，將試件正方形截面（54.77 mm×54.77 mm）朝上放入二維膨脹儀中，然后通過儀表自動控制電機驅動傳動桿向試件前進，直至與土樣充分接觸后（壓力傳感器讀數為3～5 kPa）固定不動；其后，依次放置上蓋板、壓力桿和豎向LVDT位移傳感器，加水開展恒體積膨脹試驗；待膨脹穩定后，豎向逐級卸載直至為0。豎向約束狀態的減弱會對側向的壓力傳感器讀數造成影響，為保證側向約束狀態的一致性，每級卸荷后均需控制步進電機令壓力傳感器讀數始終保持為恒體積條件下測得的側向壓力讀數。試驗過程中試件的受力情況和邊界條件如圖9所示。
試驗過程中試件始終受側限的約束作用，不計試件的重力，在恒體積膨脹至穩定時（狀態①），如圖9（a）所示，膨脹儀豎向的膨脹力與上覆荷載相等為σz（σ′z）；膨脹儀側向膨脹力與二維膨脹儀側壁反力相等為σx（σ′x）。此時，減小上覆荷載至σzi（σ′zi），試件將于豎向產生膨脹變形，在該過程中原膨脹儀豎向的膨脹力亦將發生衰減直至再次與本次卸荷后的上覆荷載相等。待再次膨脹至穩定時（狀態②），如圖9（b）所示，膨脹儀豎向的膨脹力仍與卸荷后的上覆荷載相等為σzi（σzi′）；由于卸荷作用于豎向產生一定的膨脹變形εzi（εzi′）。可見，在狀態①到狀態②的過程中，因約束狀態的減弱，試件發生了一定的體變，但是最終又在新的約束狀態下達到了一種新的平衡狀態。待每級卸荷膨脹至穩定時，記錄該過程中每一級的應力及變形，即可分別通過豎向膨脹試驗和側向膨脹試驗，得到試件豎向（沿壓實方向）膨脹力與膨脹應變的變化規律σzi～εzi、試件側向（垂直壓實方向）膨脹力與膨脹應變的變化規律σzi′～εzi′。
4.2 試驗結果與討論
通過改進試件制備方法和研發的二維膨脹儀，并考慮干密度對膨脹性的影響，開展了側限條件下的豎向膨脹試驗和側向膨脹試驗，共計12個測試序列，見表2。圖10為不同干密度下百色膨脹土和枝江膨脹土試件的兩向膨脹規律。
圖10表明，兩種膨脹土在不同干密度下的膨脹應變均隨膨脹壓力的變化而非線性變化。而隨著干密度的減小，最大膨脹應變和最大膨脹壓力的幅值均在減小，變化曲線亦越靠近原點，這說明在初始含水率一定的情況下，膨脹土的干密度越小，其膨脹潛勢越弱。此外，比較圖10（a）和圖10（b）、圖10（c）和圖10（d）可以發現，對于同一種土來說，其兩向的膨脹規律存在差異，在初始含水率和初始干密度一定的情況下，豎向的膨脹性要強于側向，這與微觀結構分析的結果相一致。
當上覆荷載為0時，膨脹應變達到最大值，即為無荷膨脹率；當恒體積膨脹時，膨脹應變為0，恒體積膨脹壓力為最大值。故無荷膨脹率和恒體積膨脹壓力為膨脹土增濕膨脹過程中的兩個極限狀態。若定義膨脹壓力的各向異性系數（Rp）為側向的恒體積膨脹壓力比豎向的恒體積膨脹壓力，定義膨脹應變的各向異性系數（Rs）為側向的無荷膨脹率比豎向的無荷膨脹率，即可得到兩個各向異性系數隨干密度的變化關系，如圖11所示。
圖11表明，隨壓實度的降低（干密度的減小），兩個各向異性系數均在增大，其數值上亦越趨近于1，這表明膨脹的各向異性在逐漸減弱。另外，對比百色膨脹土和枝江膨脹土的各向異性系數可以發現，膨脹性更強的百色膨脹土的各向異性要比枝江膨脹土更顯著。這是由兩者蒙脫石含量的差異性所致，根據XRD的測試結果，百色膨脹土的蒙脫石類黏土礦物的含量約為16.6%，而枝江膨脹土的蒙脫石類黏土礦物的含量約為8.1%，兩者相差近一倍。干密度越大的土越密實，使得單位體積內的蒙脫石含量就越多。而干密度越大的土其內部黏土礦物的水平定向就越顯著，故而蒙脫石礦物水平定向的數量也就越多，進而使得兩向的膨脹差異越明顯。
Selig等[30]指出膨脹土的體積改變主要由作用于土樣的平均應力引起。試驗中，膨脹土試件被放置于二維膨脹儀中并受到側限的約束作用，故體變量就等于豎向LVDT位移傳感器監測到的膨脹應變。平均應力按式（1）計算。
式中：p為平均應力，kPa；σz為豎向應力，kPa；σx為側向應力，kPa。圖12為各測試序列體變量隨平均應力的變化規律。
圖12表明，兩種膨脹土增濕膨脹后的體變量均隨平均應力的增大而非線性減小，干密度越大的試件受到更大的平均應力，亦產生更大的體變量。比較任意特定土質和特定干密度下的兩向膨脹試驗結果均可發現，與側向膨脹試驗的試件相比，豎向膨脹試驗的試件受到較小的平均應力時將產生較大的體變量。例如ZJ93V和ZJ93H，ZJ93V經歷的平均應力的下限值要比ZJ93H小，但ZJ93V產生的體變量上限值要比ZJ93H大。這是由膨脹潛勢所決定的，一旦初始含水率和初始干密度一定，試件的膨脹潛勢亦已確定。在增濕膨脹的過程中，當不允許發生膨脹變形時，膨脹潛勢將轉化為膨脹壓力；而當允許發生膨脹時，則轉化為膨脹變形。從恒體積膨脹到無荷膨脹的過程中，試件所受到的約束作用逐步減小，膨脹壓力逐步轉化為膨脹變形。故豎向較大的膨脹壓力要全部釋放則會產生較大的膨脹變形，又因恒體積條件下的豎向膨脹力要大于側向膨脹力，故而完全卸除后，豎向膨脹試驗試件所受到的平均應力自然要小于側向膨脹試驗的試件。此外，比較圖12（a）和圖12（b）還可發現，百色膨脹土的體變量隨平均應力變化曲線均比枝江膨脹土的大。這說明膨脹性越強的土，其體變量對平均應力更為敏感。
5 結論
以百色中膨脹土和枝江弱膨脹土作為對象，通過XRD和SEM試驗對土樣礦物成分和微觀結構進行了分析；在研發了二維膨脹儀的基礎上，通過改進試件制備方法開展了側限條件下兩向的宏觀膨脹試驗；通過微-宏觀試驗結果，探討了膨脹各向異性產生的原因。主要結論如下：
1）無論是松散狀態還是壓實狀態下的膨脹土，其微結構多呈片狀且成層分布，壓實作用將加劇土顆粒的成層，使得黏土礦物片狀結構沿其壓實方向層層堆疊。百色膨脹土微結構特征以紊流狀結構為主，局部定向排列；枝江膨脹土微結構特征以粒狀顆粒堆疊結構為主，含紊流結構、絮凝結構。
2）片狀黏土顆粒的傾角處于0°～10°和170°～180°區間內的概率相對較大，即多趨向于水平層狀排列。隨干密度的降低，該區間的分布概率由24.3%下降至14.8%，說明隨著干密度的降低，其夾角分布趨于均勻化。而膨脹土的增濕膨脹主要是沿垂直于黏土礦物顆粒長軸的方向，故這種不均勻的定向分布將使得膨脹土出現兩向膨脹的差異，即膨脹各向異性。
3）對于同一種土來說，其兩向的膨脹規律存在差異，在初始含水率和初始干密度一定的情況下，豎向的膨脹性要強于側向。隨壓實度的降低（干密度的減小），膨脹的各向異性在逐漸減弱。膨脹土增濕膨脹后的體變量均隨平均應力的增大而非線性減小，干密度越大的試件受到更大的平均應力，亦產生更大的體變量。膨脹性越強的土，其膨脹各向異性更為顯著，其體變量對平均應力更為敏感。
4）在膨脹土地區進行結構設計時，應根據膨脹土在實際工況下的濕密狀態和應力狀態，對豎向和側向的膨脹規律進行實測，以提供重要設計依據；本文僅對重塑土樣開展了研究，后續需進一步對原狀土樣的膨脹各向異性開展研究，獲取原狀土樣的兩向膨脹規律和增濕膨脹過程中的微觀結構變化，深入揭示膨脹各向異性的形成機理。
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（編輯??王秀玲）
