不同初始含水率下廣西膨脹土膨脹變形規(guī)律及劣化機理研究

關鍵詞：膨脹土；初始含水率；膨脹變形；結構劣化；強度劣化

中圖分類號：TV21 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）11-0115-09

膨脹土是一種有問題的特殊土，因含有蒙脫石、伊利石、高嶺石等親水性礦物成分，表現(xiàn)出較強的吸水膨脹、軟化、崩解與失水收縮、干裂特性，對溫度、濕度以及應力場變化極端敏感［1-4］。在工程建設過程中，經(jīng)常遇到膨脹土遇水膨脹軟化導致的路基上拱、邊坡失穩(wěn)等問題［5-7］，因此深入研究膨脹土吸水膨脹變形及強度劣化特性，對解決膨脹土地區(qū)的工程問題具有十分重要的意義。

在膨脹土吸水膨脹特性研究方面，諸多學者開展了初始含水率、干密度、上覆荷載、干濕循環(huán)等影響因素對膨脹土膨脹特性的研究，如徐永福等［8］提出在其他條件不變的情況下，含水率越低，膨脹量越大，呈現(xiàn)明顯的負相關性。馬英潔等［9］提出經(jīng)過干濕循環(huán)作用后膨脹土膨脹率隨循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小。在膨脹土強度劣化特性研究方面，凌時光等［10］認為影響膨脹土抗剪強度的主要原因是膨脹土自身的脹縮性、裂隙性和超固結性，進一步研究發(fā)現(xiàn)膨脹土強度衰減的微觀機制是膨脹土固相顆粒在晶格膨脹作用下產(chǎn)生破碎與分離，使得顆粒級配發(fā)生改變；張波等［11］深入談論了黏聚力和摩擦強度的物理意義，闡釋了膨脹土的力學特性；羅曉倩等［12］指出膨脹土的黏聚力、內(nèi)摩擦角隨著膨脹土吸水飽和穩(wěn)定而逐漸減小。張琦等［13］通過對不同初始含水率的非飽和膨脹土開展三軸剪切試驗得出非飽和膨脹土的抗剪強度隨初始含水率的增加呈線性下降趨勢。文獻［ 14-16］中飽和度對膨脹土的抗剪強度具有很大的影響。文獻［17-18］研究表明，膨脹土經(jīng)過干濕-凍融循環(huán)后裂隙的產(chǎn)生導致黏聚力變小。以上研究均表明膨脹土的膨脹性、強度均與土中水具有很大關系。本質(zhì)上，膨脹土的吸水膨脹軟化過程是水與土中礦物成分的相互作用過程，膨脹變形、強度劣化是土中礦物顆粒大小、排列等細觀結構變化的宏觀體現(xiàn)，但目前的研究成果在系統(tǒng)分析膨脹土膨脹劣化特性及機理方面還需進一步完善。

土中水分為強結合水、弱結合水及自由水，隨著初始含水率的不同，土中水的種類及水膜厚度將發(fā)生變化，導致土中親水性礦物的吸水性發(fā)生變化，從而影響土體吸水膨脹變形特性及強度特性。基于此，本文基于已有研究成果，選取廣西膨脹土為研究對象，開展了不同初始含水率條件下膨脹土膨脹變形及強度特性試驗，基于電鏡掃描、圖像處理技術，研究膨脹土的膨脹變形特征、結構及強度劣化規(guī)律，揭示了膨脹土膨脹軟化機理，以期為膨脹土地區(qū)工程設計、施工提供依據(jù)。

1材料與試驗

1. 1試驗材料與試樣制備

試驗用土取自廣西區(qū)境內(nèi)，天然含水率下土樣呈堅硬塊狀，顏色呈褐黃色，見圖1。利用X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）方法進行礦物成分測試，結果見表1。從表中可以看出，土中石英占比81%，黏土礦物占比19%，黏土礦物主要由伊利石、高嶺石、伊蒙混層組成。

按照GB／T 50123—2019《土工試驗方法標準》的相關規(guī)定開展土樣基本物性質(zhì)指標試驗，土樣自由膨脹率試驗結果見表2，其他物理性質(zhì)指標見表3。由表2可知土樣自由膨脹率平均值為50. 93%，介于40%～65%，按照GB 50112—2013《膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范》中的規(guī)定，該土樣為膨脹土，具有弱膨脹潛勢。

試樣制備前，將土樣進行簡單清理，去除土中雜草和石子，根據(jù)GB／T 50123—2019《土工試驗方法標準》的相關規(guī)定，將土樣風干碾碎，過2 mm的篩，將篩分后的土樣放置于105°烘箱烘烤至少8 h后取出。根據(jù)試驗設定的初始含水率值加水配置土樣，制備好的土樣放置密封袋中密封24 h后，取密封袋中3個不同位置進行含水率測定，3個位置的誤差不超過1%。然后采用靜壓法制樣，把配制好的土樣放入直徑6. 18 cm，高2 cm的不銹鋼環(huán)刀中。每種含水率土樣配置12 個試樣，多余的1～2個樣備用。

1. 2試驗方法

含水率對土樣膨脹性及強度均有影響，根據(jù)表3中液限、塑限及飽和含水率值，設計初始含水率見表4，試樣干密度與原狀樣干密度相同。

為獲得不同初始含水率土樣膨脹前后的強度特性及細觀結構變化規(guī)律，開展以下試驗。

a）膨脹前土樣的直剪試驗及SEM（Scanning Electron Microscope）試驗。利用四聯(lián)應變控制式直剪儀（圖2a）測定不同初始含水率土樣的抗剪強度，利用Prisma E環(huán)境掃描電鏡（圖2b）進行SEM電鏡掃描，獲取膨脹前土樣的強度指標及細觀結構。

b）膨脹穩(wěn)定后土樣的直剪試驗及SEM 試驗。首先將不同初始含水率土樣放入膨脹儀（圖2c），嚴格按照GB／T 50123—2019《土工試驗方法標準》進行無上覆荷載作用下的側限膨脹試驗，當百分表的讀數(shù)每2 h不超過0. 01 mm時，試驗結束。然后，將膨脹穩(wěn)定后的試樣取出，放入四聯(lián)應變控制式直剪儀測定抗剪強度，并同步進行含水率測試、SEM電鏡掃描。其中，直剪試驗剪切速率控制在0. 8 mm/min，垂直壓力為50、100、150、200 kPa。SEM電鏡掃描倍數(shù)分別為500、1500倍。

2土樣膨脹變形特性

不同初始含水率試樣膨脹時程曲線試驗結果見圖3。由圖可知，膨脹曲線具有明顯的時間效應，隨浸水時間的增加呈現(xiàn)出明顯的快速膨脹、減速膨脹及膨脹穩(wěn)定三階段特征。快速膨脹階段時長在0～1 h，此階段內(nèi)試樣遇水產(chǎn)生急劇膨脹變形；減速膨脹階段時長在1～15 h，此階段膨脹速度相比于快速膨脹階段有所減緩；膨脹穩(wěn)定階段時間較長，膨脹曲線趨近于一條平穩(wěn)的直線。在相同初始干密度的情況下，膨脹變形的快速膨脹，含水率越低土樣膨脹速率越大，初始含水率為11. 54%時膨脹率最高；隨著初始含水率的增加，膨脹率越來越低，當初始含水率為34. 9%時，膨脹率變?yōu)樨撝担嚇幼罱K呈現(xiàn)出壓縮變形特性。試樣初始含水率與最終穩(wěn)定膨脹率之間的關系見表5、圖4，兩者之間可以用Asymptoticl 函數(shù)進行較好的擬合，擬合度為0. 967，見式（1）。

δef = -7.187 + 20.246 × 0.969^w （1）

考慮膨脹過程的時間效應，劉曉麗等［19］在Huder- Amberg 膨脹本構模型的基礎上建立了修正的一維膨脹本構關系，見式（2）：

ε_t = ε_∞ （1 - e^-kt ） （2）

式中：ε_t 為t 時刻土樣的軸向膨脹率；ε_∞ 為土樣軸向最終穩(wěn)定膨脹率；k為土樣的吸水膨脹系數(shù)。

利用式（2）對圖3中的試驗結果進行擬合，見圖3。研究發(fā)現(xiàn)，不同初始含水率試樣的吸水膨脹系數(shù)值k 并不是一個恒定值，而是隨初始含水率的增加逐漸衰減，結果見圖5。由圖可知，在初始含水率小于16. 54%時，衰減速率較快，呈現(xiàn)直線型下降；初始含水率在16. 54%～30. 21%時，吸水膨脹系數(shù)衰減速度逐漸變小；初始含水率大于30. 21%后，吸水膨脹系數(shù)衰減速度趨近于0。吸水膨脹系數(shù)與初始含水率之間的擬合關系見式（3）：

k = 0.162 + 176.751 ? e^-w/4.445 （3）

式（2）為考慮恒定含水率的膨脹本構關系，未考慮含水率對膨脹土膨脹變形特性的影響，不同初始含水狀態(tài)下，膨脹土吸水膨脹變形特性不同。因此，對式（2）進行改進，引入w 與ε∞，以及w 與k 的關系，可建立考慮初始含水率影響的膨脹土膨脹變形公式，見式（4）：

ε_t = ε_∞ （w）（1 - e^{-k（w）t ）} （4）

將式（1）、（3）代入式（4）中，可建立土體膨脹變形隨時間的發(fā)展變化關系見式（5）：

ε_t = （-7.187 + 20.246 × 0.969^w ）*（1 -^{e（-t）*[0.162 + 176.751*e（-w/4.445） ]} ） （5）

利用式（5）對土樣試驗結果進行擬合，見圖6，擬合度均大于0. 95，擬合效果更好。

3土樣膨脹前后強度特性

為了探究膨脹前和膨脹穩(wěn)定后2種狀態(tài)的強度指標差異，利用Mohr-Coulomb強度公式對不同初始含水率條件下的直剪試驗結果進行擬合，獲取土樣吸水膨脹前后抗剪強度指標黏聚力c 和內(nèi)摩擦角φ。見圖7。據(jù)圖可知，吸水膨脹前的土樣c、φ均隨初始含水率增加逐漸減小，說明初始含水率變化對土樣抗剪強度產(chǎn)生較大影響。

膨脹穩(wěn)定后，試樣含水率發(fā)生了改變，見圖8。從圖中可以看出，膨脹穩(wěn)定后含水率總體上呈現(xiàn)不斷上升的趨勢；初始含水率越大，吸水膨脹穩(wěn)定后含水率越大。膨脹吸水量隨初始含水率的增加呈現(xiàn)出先增后減的規(guī)律。膨脹穩(wěn)定后的試樣，c、φ 值隨著最終穩(wěn)定含水率的增加逐漸減小。這是由于初始含水率對土體的細觀結構影響較大，吸水膨脹對土體強度的影響，不僅取決于初始含水率，還與土體內(nèi)部結構有很大關系。

4土樣膨脹前后SEM

膨脹前后土樣的SEM電鏡掃描圖及二值化見圖9、10。二值化圖中黑色區(qū)域為孔隙，白色區(qū)域為土粒。由圖可知，對于膨脹前的土樣，在初始含水率較低時，土體內(nèi)裂隙、孔隙分布廣泛，土顆粒之間的接觸形式以“點-邊”“邊-邊”為主；隨著含水率的升高，土顆粒逐漸聚集在一起，土體內(nèi)部裂隙、孔隙逐漸變少，土體結構內(nèi)部無明顯裂隙，孔隙由最初的中、大孔隙逐漸演變成小孔隙，顆粒之間接觸形式由“點-邊”“邊-邊”為主轉化為“面-面”接觸為主。試樣吸水膨脹穩(wěn)定后，其內(nèi)部細觀結構發(fā)生了較大的改變。吸水后，土樣內(nèi)部的大裂隙明顯減少，內(nèi)部微小裂隙逐漸發(fā)育，且分布趨于均勻。

為定量分析土樣中孔隙特性，基于計算機圖像處理軟件IPP，將土樣孔隙按照最小定向徑進行定義［20］，用像素面積的大小來表示孔隙的大小，由于本次試驗SEM掃描圖所選取倍數(shù)不同，將膨脹前土樣孔隙按照最小定向徑定義如下：①微孔隙，直徑小于4；②小孔隙，直徑4～16；③中孔隙，直徑16～64；④大孔隙，直徑大于64。膨脹飽和穩(wěn)定后土樣孔隙最小定向徑定義如下：①微孔隙，直徑小于12；②小孔隙，直徑12～48；③中孔隙，直徑48～192；④大孔隙，直徑大于192。膨脹前后土樣中各類型孔隙數(shù)量及孔隙面積統(tǒng)計結果見圖11—13。

從圖11可以看出，吸水膨脹前，試樣中以小孔隙為主，微孔隙和中孔隙次之。吸水膨脹后，試樣中以微孔隙為主，小孔隙次之；當試樣初始含水量低于26. 54%時，試樣中微孔隙數(shù)量明顯增加，但隨著含水率的增加，小孔隙增加量變得不明顯。說明土樣吸水后，由于親水性礦物吸水膨脹，導致土體中黏土礦物顆粒的大小、排列方式發(fā)生了較大變化。

由圖12、13可知，在土體含水率較低時小孔隙和大孔隙面積占比較高，隨著初始含水率的升高，微孔隙和中孔隙面積呈現(xiàn)先增后減的趨勢，小孔隙面積總體呈現(xiàn)下降趨勢，大孔隙面積變化并不顯著。膨脹穩(wěn)定后的土樣，孔隙由小孔隙轉為微孔隙，這是因為膨脹土在吸水膨脹過程中，水與土體的親水性礦物結合，礦物晶胞間吸水膨脹后，水又進入晶胞疊聚體之間，引起疊聚體的分離，進而導致礦物顆粒體積變小，孔隙變小，但面積增大。

5土樣吸水膨脹及強度劣化機理分析

土體吸水膨脹前為固、液、氣三相體系，固體顆粒中既有黏土顆粒也有非黏土顆粒，膨脹土的膨脹性主要是由于土中含有蒙脫石、伊利石、高嶺石等親水性黏土礦物成分，見圖14。黏土顆粒為粒徑為小于0. 005 mm的細粒，顆粒表面帶有負電荷，晶格構造為2∶1型、1∶1型晶胞，晶胞表面及邊緣吸附有可交換陽離子，晶胞之間的聯(lián)結力較弱。遇水時，可交換陽離子的水化作用會導致晶層之間的膨脹，進而引起黏土礦物晶胞疊置數(shù)量減小。隨著水化作用的逐漸完成，在黏土顆粒電場引力作用下，極性水分子和水化陽離子吸附于黏土顆粒周圍，層疊體變得更加不穩(wěn)定，繼續(xù)裂解，進而變成更薄的層疊體甚至單晶體，黏土顆粒集合體膨脹。膨脹完成后，大的黏土顆粒會分解為小的黏土顆粒，顆粒與顆粒之間的排列方式也發(fā)生變化，土中小孔隙變多，孔隙面積變大。伴隨著膨脹作用的逐漸發(fā)揮，在基質(zhì)吸力作用下，水會繼續(xù)進入土體孔隙之中，促使土體孔隙中吸附毛細水，毛細水首先占據(jù)土樣中的小孔隙，然后再填充大孔隙。隨著含水率的增加，土體中基質(zhì)吸力逐漸降低，土體慢慢趨于飽和，土體吸水膨脹完成，見圖15。土體吸水后，土顆粒與顆粒之間的膠結作用變?nèi)酰馏w強度變低。

理想情況下，當土體干密度一定、體積一定時，土中固相顆粒質(zhì)量一定，孔隙率一定，土體吸水膨脹穩(wěn)定后，含水率恒定。但由于初始含水率的不同，土樣中黏土礦物顆粒大小、排列方式發(fā)生變化，所以吸水膨脹穩(wěn)定后，土樣中含水率大小、孔隙的分布形式均發(fā)生了變化。因此膨脹土宏觀上吸水后膨脹軟化，本質(zhì)上受黏土礦物控制，其次是黏土礦物與非黏土礦物之間的結合形式，即細觀的空間結構形態(tài)。

6結論

a）膨脹土吸水膨脹時程曲線具有明顯的時效性，呈現(xiàn)出快速膨脹、減速膨脹及穩(wěn)定膨脹三階段特征；土樣膨脹穩(wěn)定后最終膨脹率隨初始含水率增加逐漸減小；土體吸水膨脹系數(shù)隨初始含水率增加呈指數(shù)函數(shù)形式遞減，并最終趨于穩(wěn)定；考慮初始含水狀態(tài)的膨脹變形公式可更好地模擬不同初始含水狀態(tài)下土樣的膨脹過程。

b）土樣的c、φ值隨初始含水率的增加逐漸減小；吸水膨脹后土樣含水率增加，c、φ 值降低，但膨脹吸水量隨初始含水率的增加先增加后減小。

c）初始含水狀態(tài)下，土樣中以小、中孔隙為主，膨脹穩(wěn)定后以微、小孔隙為主，孔隙面積增加。說明吸水膨脹改變了土體細觀結構。這是因為土樣中親水性礦物吸水后，晶胞變大，晶胞與晶胞之間聯(lián)結力變?nèi)酰B聚體中晶胞數(shù)量變少，甚至變?yōu)閱尉О令w粒之間的結合方式改變，進而影響了土體的細觀結構組合形態(tài)，引起土體吸水后膨脹，并最終導致土體強度劣化。