吳珺華，袁俊平，楊 松，盧廷浩

(1.南昌航空大學土木建筑學院，江西南昌 330063;2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇南京 210098;3.河海大學巖土工程科學研究所，江蘇南京 210098;4.云南農業(yè)大學水利水電與建筑學院，云南昆明 650201)

干濕循環(huán)下膨脹土脹縮性能試驗

吳珺華1，袁俊平2，3，楊 松4，盧廷浩2，3

(1.南昌航空大學土木建筑學院，江西南昌 330063;2.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇南京 210098;3.河海大學巖土工程科學研究所，江蘇南京 210098;4.云南農業(yè)大學水利水電與建筑學院，云南昆明 650201)

采用壓縮儀和收縮儀，對重塑膨脹土進行了無荷條件下的反復膨脹和收縮試驗。試驗結果表明:隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的最終膨脹率和最終收縮率逐漸減小;膨脹變形明顯減小，而收縮變形減小的幅度不大;試樣的最終高度均呈現(xiàn)減小趨勢;收縮系數(shù)不斷減小，最終趨于穩(wěn)定;采用絕對膨脹率、相對膨脹率、絕對收縮率和相對收縮率等參數(shù)可以合理描述干濕循環(huán)作用下膨脹土的脹縮變形特征。

膨脹土;脹縮變形;干濕循環(huán);膨脹率;收縮率

膨脹土在我國分布廣泛。膨脹土中含有蒙脫石和伊利石等強親水性礦物，故具有強烈的濕脹干縮特性，在干濕循環(huán)作用下反復脹縮變形，導致土體結構松散，裂隙發(fā)育，工程性能差。研究表明，干濕循環(huán)作用是導致土體產生反復脹縮變形，既而形成裂隙的主要外界因素之一［1-2］。干濕循環(huán)表現(xiàn)為土體含水率的反復變化，導致膨脹土產生脹縮變形，而反復的不均勻脹縮變形即會導致裂隙的形成和發(fā)育。

膨脹土在某一上覆壓力作用至變形穩(wěn)定后，由于含水率的增加(或減少)而產生的附加變形稱為脹縮變形，包括膨脹變形和收縮變形。許多學者對膨脹土的一次浸水膨脹和失水收縮的脹縮變形特性進行了大量研究［3-11］;筆者也曾對膨脹土脹縮過程中變形與含水率的變化規(guī)律進行了試驗研究［12］，試驗過程只考慮了持續(xù)吸水或失水條件下試樣的脹縮變形，不能反映試樣的反復脹縮性能。實際工程中，不同干濕循環(huán)次數(shù)下膨脹土的脹縮變形也不一樣，即膨脹土的脹縮變形具有不可逆性［12］，而目前對膨脹土在干濕循環(huán)作用下的脹縮性能研究并不多見?；诖耍疚睦贸Ｒ?guī)壓縮儀和收縮儀分別進行了重塑膨脹土的持續(xù)浸水膨脹和收縮試驗，獲得了干濕循環(huán)條件下膨脹土的脹縮性能變化規(guī)律，為后續(xù)研究提供試驗基礎。

1 試驗方案

土樣和文獻［12］試驗土樣相同，取自南水北調中線一期工程總干渠膨脹巖(土)試驗段工程(潞王墳段)，基本參數(shù)為:液限42.7%，塑限19.2%，塑性指數(shù)24，自由膨脹率57.5%，最大干密度1.81g/cm3，相對密度2.74，試樣初始高度20 mm。采用常規(guī)壓縮儀和收縮儀對土樣進行反復浸水膨脹和收縮試驗，試驗過程主要如下:試樣初始為低含水率狀態(tài)，首先進行一次浸水膨脹試驗，當膨脹變形穩(wěn)定后，根據(jù)試樣的最終高度和質量求得相應的干密度和含水率，以該結果作為接下來收縮試驗初始狀態(tài)的參數(shù);然后進行收縮試驗，待變形穩(wěn)定后根據(jù)試樣的最終高度和質量求得相應的干密度和含水率，再進行下一次的浸水膨脹變形試驗。如此進行4次反復脹縮試驗，試驗操作參照GB/T 50123—1999《土工試驗標準》進行，總共進行了3種不同初始干密度和初始含水率方案的試驗，具體參數(shù)見表1。

表1 反復脹縮試驗試樣的基本參數(shù)

2 相關參數(shù)

為定量分析干濕循環(huán)過程中膨脹土的脹縮變形變化規(guī)律，采用絕對脹縮率和相對脹縮率的概念來描述試樣的脹縮程度和變化趨勢，故分別定義如下參數(shù):

a.第i級膨脹試驗的絕對膨脹率δap。

式中:zpi為第i級膨脹后試樣高度，mm;z0為試樣初始高度，mm。

b.第i級膨脹試驗的相對膨脹率δrp。

式中:Δzpi為第i級膨脹試驗后的最終高度與第i-1級收縮試驗的最終高度之差，mm;zs(i-1)為第i-1級收縮試驗后試樣高度，mm。

c.第i級收縮試驗的絕對收縮率δas。

式中:zp1為第1級收縮后試樣高度，mm;zsi為第i級收縮后試樣高度，mm。

d.第i級收縮試驗的相對收縮率δrs。

式中:Δzsi為第i級收縮試驗后的最終高度與第i級膨脹試驗的最終高度之差，mm。

3 試驗結果與分析

圖1為不同干濕循環(huán)次數(shù)下一次浸水膨脹試驗的結果。由圖1可見，試樣的膨脹變形與浸水歷時的關系曲線呈典型的非線性特征。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同初始干密度試樣的最終膨脹率變小，試樣在較短時間內即達到較大的膨脹變形，達到膨脹穩(wěn)定階段的時間也變短。相同干濕循環(huán)次數(shù)條件下，試樣的干密度越大，其最終膨脹率也越大。對于干密度較小的試樣，當干濕循環(huán)次數(shù)增加時，膨脹試驗的后期土體體積不但沒有膨脹反而收縮，呈現(xiàn)濕陷狀態(tài)。對于體積一定的試樣，干密度小的孔隙比大，能夠吸收更多的水分，因而能溶解更多黏土顆粒之間的膠結物質，導致土體團粒結構的松散崩坍。另外，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣反復膨脹收縮，其內部結構逐漸松散，產生細微裂隙。這兩方面的因素直接導致浸水后期的試樣呈現(xiàn)收縮態(tài)勢。

圖1 不同干濕循環(huán)次數(shù)下的膨脹時程曲線

圖2 不同干濕循環(huán)次數(shù)下的收縮曲線

圖2為不同干濕循環(huán)次數(shù)下收縮試驗的結果(圖中Δw為初始含水率與某一時刻含水率之差)。由圖2可見，經歷不同干濕循環(huán)次數(shù)的試樣，其收縮曲線的初期階段仍表現(xiàn)為線性特征。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，初始斜率逐漸減小，即收縮系數(shù)不斷變小，不同初始干密度試樣的最終收縮率減小;相同的干濕循環(huán)次數(shù)下，干密度越小的試樣，其最終收縮率越小。這與文獻［12］的常規(guī)收縮試驗結果有所不同，這是由于失水路徑及初始狀態(tài)的不同而引起的。常規(guī)收縮試驗采用的試樣是未經任何擾動而均勻脫濕的;而在反復脹縮試驗中的收縮試驗試樣是從浸水膨脹變形穩(wěn)定后再均勻脫濕的，即收縮試驗開始前已經進行了浸水膨脹變形試驗。干密度越大，試樣在浸水膨脹變形階段產生的膨脹變形越大，在收縮階段時的收縮變形相應也越大，導致試樣的最終收縮率越大，其值與常規(guī)收縮試驗相比明顯偏大。另外，反復脹縮試驗中，第一次收縮試驗的收縮率與后3次的收縮率相比要明顯偏大，后3次收縮試驗的收縮率相差不大，這表明土體在第一次干濕循環(huán)下的膨脹收縮變形最為明顯，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹變形有著明顯的降低，而收縮變形減小的幅度不大。

圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)下試樣的最終高度

將反復脹縮試驗中試樣的最終高度繪于圖3?？梢钥闯觯S著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，對于膨脹過程，試樣的最終高度總體上逐漸減小，初始干密度越小，減小趨勢越明顯;對于收縮過程，試樣的最終高度先有小幅度的增加，且干密度越大，增加的幅度越大，隨后又減小?？傮w而言，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不論是膨脹試驗還是收縮試驗，試樣的最終高度都呈現(xiàn)減小趨勢，這說明經歷干濕循環(huán)作用后，土體的初始結構遭到明顯破壞，土顆粒間原有的咬合和黏結作用被明顯削弱，土體抵抗膨脹和收縮變形的能力減弱，呈坍塌收縮態(tài)勢。

由于本研究進行的膨脹試驗為一次浸水膨脹試驗，故不能求得膨脹系數(shù)。根據(jù)收縮系數(shù)的定義，可求得不同干濕循環(huán)次數(shù)下的收縮系數(shù)，見圖4。可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同干密度下試樣的收縮系數(shù)均有不同程度的減小，這表明試樣的收縮性能變弱，降低相同的含水率對其收縮變形的影響減弱。試樣經過反復脹縮變形后，土體顆粒重新調整和排列，其內部孔隙被有效地充填，收縮的空間范圍減小，收縮性能也隨之降低。

圖4 不同干濕循環(huán)次數(shù)下的收縮系數(shù)

根據(jù)收縮系數(shù)αs與干濕循環(huán)次數(shù)關系曲線，可采用式(5)進行擬合，擬合結果見表2。

式中:n為干濕循環(huán)次數(shù);l、t、pres為待定系數(shù)。

表2 反復脹縮條件下擬合結果

將反復脹縮試驗中試樣的絕對膨脹率δap和絕對收縮率δas與干濕循環(huán)次數(shù)的關系列于表3，它表征了整個干濕循環(huán)過程中試樣的脹縮程度及其變化規(guī)律。從表3可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的δap總體呈減小趨勢，干密度越小，減小的趨勢越明顯;試樣的δas一開始減小，隨后逐漸增大，且隨著干密度的減小，增大的趨勢更明顯。絕對膨脹率變化率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，干密度越小，減小趨勢越明顯;絕對收縮率變化率均逐漸增大，干密度越大，增大趨勢越明顯。

表3 試樣絕對膨脹率δap和絕對收縮率δas

將反復脹縮試驗中試樣的相對膨脹率δrp和相對收縮率δrs與干濕循環(huán)次數(shù)的關系列于表4(第一次干濕循環(huán)的相對膨脹率和相對收縮率無法由計算得出)，它表征了某次干濕循環(huán)過程中試樣的脹縮程度及其變化規(guī)律，反映了不同干濕循環(huán)次數(shù)后試樣脹縮性能的差異。由表4可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的δrp和δrs均逐漸減小;δrp的變化率比δrs的要大得多，這說明干濕循環(huán)對膨脹變形的影響程度遠比對收縮變形的要大;干密度越大，膨脹率變化率越小(為負)。干濕循環(huán)次數(shù)增加到一定值時，試樣的δrs比δrp要大，干密度越小，差異越明顯。

表4 試樣相對膨脹率δrp和相對收縮率δrs

4 結論

a.隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同初始干密度試樣的最終膨脹率變小，試樣越能在較短時間內即達到較大的膨脹變形，達到膨脹穩(wěn)定階段的時間也變短。相同的干濕循環(huán)次數(shù)下，試樣的干密度越大，其最終膨脹率也越大。對于干密度較小的試樣，當干濕循環(huán)次數(shù)較多時，膨脹試驗的后期土體體積有所收縮，呈現(xiàn)濕陷狀態(tài)。

b.隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，不同初始干密度試樣的最終收縮率變小。相同的干濕循環(huán)次數(shù)下，干密度越小的試樣，其最終收縮率越小。由于試樣干密度越大，浸水膨脹變形階段產生的膨脹變形越大，在收縮階段時的收縮變形相應也越大，導致試樣的最終收縮率越大。

c.試樣在第一次干濕循環(huán)下的膨脹收縮變形最大，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹變形明顯減小，而收縮變形減小的幅度不大。對于膨脹試驗，試樣的最終高度總體上逐漸減小，初始干密度越小，減小趨勢越明顯;對于收縮試驗，試樣的最終高度先有小幅度的增加，且干密度越大，增加的幅度越大，隨后又減小?？刹捎媒^對膨脹率、相對膨脹率、絕對收縮率和相對收縮率等參數(shù)描述干濕循環(huán)作用下膨脹土的脹縮變形特征。

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Experimental study on swell-shrinking performance of expansive soil under wetting-drying cycles

WU Junhua1，YUAN Junping2，3，YANG Song4，LU Tinghao2，3(1.College of Civil Engineering and Architecture，Nanchang Hangkong University，Nanchang330063，China;2.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing210098，China;3.Geotechnical Research Institute，Hohai University，Nanjing210098，China;4.College of Hydraulic and Architectural Engineering，Yunnan Agricultural University，Kunming650201，China)

The repeated swell-shrinking tests on remolded expansive soils without loads are performed by means of compression apparatus and shrinkage apparatus.The results show that both the final expansion ratio and shrinkage ratio of specimens gradually decrease as wetting-drying cycles increase.The swelling deformation obviously decreases，while the shrinking one slightly decreases.The final height of the specimens has a tendency of decrease.The shrinkage coefficient continuously decreases and finally tends to be stable.The parameters such as absolute expansion ratio，relative expansion ratio，absolute shrinkage ratio and relative shrinkage ratio can rationally depict the swell-shrinking performance of expansive soil under wetting-drying cycles.

expansive soil;swell-shrinking deformation;wetting-drying cycle;expansion ratio;shrinkage ratio

TU443

A

1006-7647(2013)01-0062-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.01.014

南昌航空大學博士啟動基金(EA201211115);國家自然科學基金(51008117)

吳珺華(1985—)，男，江西吉安人，講師，博士，主要從事膨脹土基本性質及邊坡穩(wěn)定研究。E-mail:wjh0796@163.com

2012-04-12 編輯:熊水斌)