賀勇，黃潤(rùn)秋，陳永貴， 葉為民(.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，0009；.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都，60059；3.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，404)

?

基于干濕變形效應(yīng)的壓實(shí)紅黏土土水特征

賀勇1,2,3，黃潤(rùn)秋2，陳永貴1,2,3， 葉為民1
(1.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，200092；2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都，610059；3.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410114)

摘要：將初始含水量為4%粉末狀紅黏土分別壓制成干密度為1.3 g/cm3和1.5 g/cm3的壓實(shí)土樣；在側(cè)限條件下吸水飽和，測(cè)定土樣軸向膨脹變形量；然后通過(guò)氣相法控制逐級(jí)增加吸力，測(cè)定不同吸力階段試樣的飽和度與孔隙比，獲得土水特征曲線和干縮變形規(guī)律。研究結(jié)果表明：壓實(shí)紅黏土在飽和濕化過(guò)程中，膨脹應(yīng)變隨著飽和度的增加而增加，且初始干密度越大，其膨脹應(yīng)變?cè)酱?。在控制吸力干燥過(guò)程中，壓實(shí)紅黏土的孔隙比隨著吸力增大而減??；同一吸力階段，密度大的試樣具有較小的孔隙比和較大的飽和度?；诓煌擅芏葔簩?shí)紅黏土土水特征曲線，建立了考慮變形效應(yīng)的土水特征曲線改進(jìn)模型，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好。

關(guān)鍵詞：壓實(shí)紅黏土；濕化；干燥；變形；土水特征曲線

碳酸鹽類巖石在溫濕氣候條件下經(jīng)風(fēng)化后形成的褐紅色粉土或黏性土[1]，比表面積大，顆粒之間相互吸附能力強(qiáng)，再加上游離氧化鐵的膠結(jié)作用，在天然狀態(tài)下，形成牢固的團(tuán)粒，這種團(tuán)粒的集合體就是紅黏土[2]。因風(fēng)化與紅土化環(huán)境和程度的不同，紅黏土的地質(zhì)特性與工程特性隨地域不同而具有極其明顯的差異性。在我國(guó)，紅黏土主要分部在廣西、貴州、云南、廣東以及湖南等省，有許多學(xué)者對(duì)紅黏土的成因與分類、力學(xué)特性、工程實(shí)踐以及地質(zhì)災(zāi)害等方面進(jìn)行了深入研究，尤其在脹縮性、裂隙性與超固結(jié)性等方面取得了較多研究成果。通常，紅黏土具有裂隙性、收縮性和地層分布不均勻性等不良特征，被認(rèn)為是一種特殊性黏土。然而，紅黏土除具有很高的天然含水量和液、塑限之外，還具有較高的力學(xué)性能和中等壓縮性，在一定壓實(shí)度條件下呈現(xiàn)出沉降量小、無(wú)開裂和整體性能好等優(yōu)點(diǎn)[3]，被認(rèn)為可用作填埋場(chǎng)覆蓋層或襯墊系統(tǒng)材料[4?6]。在填埋場(chǎng)數(shù)十年運(yùn)營(yíng)期間，因氣候變化和地下水位波動(dòng)，紅黏土將不可避免地經(jīng)歷干濕循環(huán)過(guò)程，并長(zhǎng)期處于非飽和狀態(tài)。土水特征曲線不僅可以描述非飽和土飽和度與吸力之間的關(guān)系，而且能反映出非飽和土的強(qiáng)度和滲透特性[7]，并受到土的礦物類型、礦物成分、土體結(jié)構(gòu)、干密度、應(yīng)力歷史以及孔隙水化學(xué)成分等因素的影響[8?11]。土水特征量測(cè)試驗(yàn)中，土中的吸力需要經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到平衡，并且受外部環(huán)境影響較大。為此，很多學(xué)者提出了采用數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)土水特征，例如 van Genuchten 模型(VG模型)[12]，F(xiàn)redlund和Xing模型[13]以及 Houston 模型[14]等。這些模型均采用孔隙分布系數(shù)反映土體孔隙結(jié)構(gòu)變化，沒(méi)有考慮含水量對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響。針對(duì)土體變形引起的含水量變化問(wèn)題[15]，GALLIPOLI 等[16?17]基于進(jìn)氣值是孔隙比的冪函數(shù)，建立了考慮土體變形影響的土水特征曲線預(yù)測(cè)模型。本文作者以湖南省郴州地區(qū)的紅黏土為研究對(duì)象，分析初始干密度分別為1.3 g/cm3和1.5 g/cm3的重塑壓實(shí)紅黏土飽和膨脹特征，考察不同吸力控制條件下土樣的干縮變形情況，測(cè)定不同初始干密度紅黏土的土水特征曲線，最后采用 GALLIPOLI 等[16]改進(jìn) VG 模型對(duì)土水特征曲線進(jìn)行模擬。

1　材料和方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原土取自湖南省郴州地區(qū)某工地，為紅褐色黏土。天然土樣風(fēng)干后，經(jīng)研缽研磨成粉末，過(guò)孔徑為0.16 mm篩獲取試驗(yàn)土樣；參照J(rèn)TGE40—2007 “公路土工試驗(yàn)規(guī)程”[18]對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示，所測(cè)試結(jié)果與文獻(xiàn)[19]中相關(guān)指標(biāo)基本一致。

表1　紅黏土樣品物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table1　Physical and mechanical properties of tested redClay

1.2紅黏土表征

采用美國(guó) BeckmanCoulter LS230 型號(hào)激光粒度儀對(duì)試驗(yàn)土樣粒徑進(jìn)行分析，所得紅黏土顆分曲線如圖1所示。

圖1　紅黏土顆分曲線Fig.1　Grain size distribution of redClay

利用德國(guó)Bruker生產(chǎn)的D8 FOCUS X線衍射儀對(duì)紅黏土試樣進(jìn)行礦物成分分析。X 線為CuKα(λ=0.15418 nm)，管電壓為40 kV，管電流為100 mA，掃描范圍為3°～70°，分析結(jié)果如圖2所示。從圖2可知：該紅黏土富含高嶺石、伊利石、石英等礦物，并含一定量的蒙脫石礦物。

1.3試樣準(zhǔn)備

將紅黏土粉末置于110 MPa吸力環(huán)境中，吸力平衡后將得到初始含水量為 4%的土樣。利用 DDL?200 型300 kN數(shù)控萬(wàn)能壓力機(jī)，以位移控制法壓制試樣。首先，稱取質(zhì)量為(27±0.1)g的紅黏土粉末，倒入不銹鋼試樣環(huán)中；然后，以0.2 mm/min 的垂直加載速率，將土樣均勻壓實(shí)至預(yù)定位置，在恒體積條件下靜置1h，以防止試樣回彈；最后，卸載得到直徑為50 mm、高度為10 mm、 初始干密度為(1.30±0.02)g/cm3的壓實(shí)試樣。用同樣的方法稱取(31.0±0.1)g粉末狀紅黏土，制備得到初始干密度為(1.50±0.02)g/cm3的壓實(shí)試樣。

圖2紅黏土XRD圖譜Fig.2XRD pattern of redClay

1.4試驗(yàn)方法

側(cè)限條件下，紅黏土試樣在吸水飽和過(guò)程中，其軸向?qū)a(chǎn)生自由膨脹，本文設(shè)計(jì)一套能夠?qū)崟r(shí)測(cè)定試樣軸向自由變形量的裝置。當(dāng)試樣壓制完成后，從試樣環(huán)底部向上頂推出透水石厚度的位移；然后在試樣2 面分別墊上濾紙，并放置透水石；再將整個(gè)試樣環(huán)放置到聚四氟乙烯容器中，在頂部中心位置垂直安裝位移計(jì)，用以記錄壓實(shí)紅黏土軸向自由膨脹變形量。試驗(yàn)開始時(shí)，向容器中注入蒸餾水，壓實(shí)紅黏土將吸水膨脹，位移計(jì)將記錄試樣水化過(guò)程中的軸向變形。當(dāng)位移計(jì)讀數(shù)不變時(shí)，可認(rèn)為軸向變形達(dá)到穩(wěn)定。變形穩(wěn)定后，將土樣從試樣環(huán)中取出，放置到105 ℃烘箱中干燥24 h，測(cè)得飽和含水量(wsat)。針對(duì)不同初始干密度的土樣，重復(fù)上述步驟分別進(jìn)行飽和膨脹試驗(yàn)。

膨脹應(yīng)變計(jì)算式為

式中：ε為膨脹應(yīng)變；?H 為試樣變形量，mm；H0為試樣初始高度，mm。

飽和膨脹試驗(yàn)完成后，通過(guò)氣相法控制吸力對(duì)試樣進(jìn)行干燥。根據(jù)鹽溶液與吸力的對(duì)應(yīng)關(guān)系[20?21]，將裝有土樣的試樣環(huán)分別置于盛有不同鹽溶液的干燥皿中，相應(yīng)的吸力控制為2.0，4.2，12.6，21.0，38.0和110.0 MPa[22]。由于水汽交換作用，試樣質(zhì)量將不斷變化，直至土樣中的含水量與干燥皿中的濕度達(dá)到平衡，試樣質(zhì)量將不再變化，此時(shí)試樣因失水引起的變形達(dá)到穩(wěn)定。從試樣環(huán)中取出土樣，一部分放置到105 ℃烘箱中烘24 h測(cè)定含水量(w)，另一部分采用蠟封法[23]測(cè)量密度(ρ)，并通過(guò)式(2)計(jì)算孔隙比(e)：

式中：Gs為土樣相對(duì)密度。

2　結(jié)果與討論

2.1飽和膨脹變形

側(cè)限條件下，壓實(shí)紅黏土吸水飽和過(guò)程中的膨脹變形曲線如圖3所示。

圖3　壓實(shí)紅黏土吸水飽和過(guò)程的膨脹變形曲線Fig.3　Evolution of vertical swelling strain ofCompacted redClay with different dry density

從圖3可見(jiàn)：壓實(shí)紅黏土在吸水飽和過(guò)程中，土體中的含水量隨著時(shí)間而增大，導(dǎo)致側(cè)限條件下土體的膨脹應(yīng)變?cè)龃蟆Ｔ囼?yàn)開始時(shí)，吸入土體中的水量不多，膨脹應(yīng)變較小；隨著吸入土體的水量增加，特別是土體水化作用的加強(qiáng)，土體的膨脹應(yīng)變急劇增加；當(dāng)土體基本飽和，水化作用完成后，膨脹應(yīng)變也基本穩(wěn)定。根據(jù)SRIDHARAN等[24?25]提出的方法，可將膨脹過(guò)程曲線近似分成3個(gè)階段：初始膨脹階段、主膨脹階段和次膨脹階段(見(jiàn)圖3)。所有試樣主膨脹始于試驗(yàn)開始約5 min 后，且發(fā)展速度較快；與主膨脹發(fā)展的時(shí)間相比，次膨脹過(guò)程發(fā)展比較緩慢，完成時(shí)間也較長(zhǎng)。上述3個(gè)階段的膨脹應(yīng)變?nèi)绫?所示。

此外，從圖3還可知：紅黏土的膨脹應(yīng)變與初始干密度有關(guān)。初始干密度越大，最終膨脹應(yīng)變也越大。當(dāng)壓實(shí)紅黏土初始干密度由1.3 g/cm3增大至1.5 g/cm 3時(shí)，土體的最終膨脹應(yīng)變由18.4%增大至 25.8%。紅黏土的吸水膨脹，主要是由于土樣中含有蒙脫石礦物，這種黏土礦物在吸水條件下會(huì)引起晶層膨脹以及擴(kuò)散雙電層厚度增加，導(dǎo)致土體膨脹變形。初始干密度大的土樣中含有的蒙脫石礦物較多，吸水后其膨脹變形也相應(yīng)較大。根據(jù)GB 50112—2013“膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范”[26]，干密度為1.5 g/cm3的壓實(shí)紅黏土自由膨脹變形小于40%，屬于弱膨脹土。

2.2初始干密度對(duì)土水特征的影響

對(duì)不同初始干密度飽和壓實(shí)紅黏土，在逐級(jí)增加吸力條件下，測(cè)定相應(yīng)的飽和度與孔隙比，即可繪制土樣干燥階段的土水特征曲線，如圖4所示。

表2飽和膨脹各階段膨脹應(yīng)變Table1　Swelling strains of various stages

圖4不同干密度壓實(shí)紅黏土土水特征曲線Fig.4Water retentionCurves ofCompacted redClay with different dry densities

從圖4可知：對(duì)不同初始干密度的壓實(shí)紅黏土，在吸力控制干燥過(guò)程中，飽和度隨著吸力的增大而迅速降低。當(dāng)吸力由飽和狀態(tài)接近0 MPa增大至4.2 MPa時(shí)，土樣飽和度減少至 40%；當(dāng)吸力繼續(xù)增大至110 MPa時(shí)，土樣飽和度相應(yīng)減少至8%，表明在吸力控制干燥過(guò)程中試樣不斷失水。

由圖4也可發(fā)現(xiàn)，在同一吸力控制條件下，初始干密度1.5 g/cm3試樣的飽和度高于初始干密度1.3 g/cm3試樣的飽和度。這主要是由于初始干密度越大，試樣越密實(shí)，試樣中大孔隙數(shù)量少，小孔隙數(shù)量相對(duì)較多，從而持水能力較強(qiáng)。

2.3干燥變形

紅黏土中含有一定量的蒙脫石礦物，是一種弱膨脹土，呈現(xiàn)出吸水膨脹和失水收縮特性。在控制吸力干燥過(guò)程中，對(duì)不同吸力控制點(diǎn)的土樣孔隙比進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖5所示。

圖5　不同干密度試樣吸力與孔隙比的關(guān)系Fig.5　Changes of void ratio with suction of samples with different dry densities

由圖5可見(jiàn)：在干燥過(guò)程中，試樣孔隙比隨著吸力的增大而減小，表明試樣排水干燥而收縮。土樣收縮量基本在較低的吸力階段完成(吸力＜4.2 MPa)，當(dāng)吸力增大到110 MPa時(shí)，土樣高度基本與壓樣時(shí)土樣高度一致，略有減小。同時(shí)，試樣飽和完成后，整個(gè)干燥過(guò)程中干密度為1.3 g/cm3的土樣的孔隙比都較1.5 g/cm3的土樣要大。

為考慮吸力增大干燥過(guò)程中土體變形對(duì)土水特征的影響，根據(jù) ALONSO 等[27]的研究，建立了試樣孔隙比與吸力的關(guān)系式為

式中：S為土的吸力，MPa；e為S吸力條件下土的孔隙比；e0為土的初始孔隙比；λ 為與吸力有關(guān)的變形參數(shù)。

采用式(3)分別對(duì)2種初始干密度壓實(shí)紅黏土的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，擬合參數(shù)如表3所示，擬合結(jié)果見(jiàn)圖 5。結(jié)果表明：式(3)能很好地描述不同初始干密度壓實(shí)紅黏土的孔隙比與吸力的關(guān)系。

2.4考慮變形的土水特征模型及驗(yàn)證

GALLIPOLI 等[16]基于 VG 模型建立了描述土體變形對(duì)土水特征影響的關(guān)系式為

表3　孔隙比與吸力的擬合參數(shù)Table1　Fitting parameters between void ratio and suction

式中：Sr為飽和度；e為孔隙比；S為吸力；a，?，n 和m均為模型參數(shù)。

結(jié)合表3，式(3)和式(4)，對(duì)圖4中的土水特征曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表4和圖6。從表4和圖6可知：式(4)能很好地描述壓實(shí)紅黏土考慮變形的土水特征關(guān)系。

圖6　考慮變形的土水特征模型驗(yàn)證Fig.6　SWRC model verificationConsidering effect of deformation

進(jìn)氣值是氣體進(jìn)入飽和土孔隙時(shí)必需達(dá)到的基質(zhì)吸力。將土水特征曲線中過(guò)渡段的斜率延長(zhǎng)并與飽和度為100%的吸力軸相交，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的吸力即為進(jìn)氣值。采用該方法，在考慮變形影響的土水特征曲線上，得到了2種初始干密度壓實(shí)紅黏土的進(jìn)氣值，分別約為380 kPa和560 kPa，該進(jìn)氣值明顯大于黃飛[28]的研究結(jié)果?？赡茉蚴牵?)試樣粒徑和礦物成分不同。本研究所用紅黏土粒徑＜0.16 mm，黃飛[28]研究的紅黏土粒徑＜1mm，兩者相差較大，同時(shí)本研究紅黏土中的黏粒含量(69.1%)也較多。2)試驗(yàn)方法不同。本研究壓實(shí)紅黏土試樣，在吸力控制的干燥過(guò)程中不斷收縮，干密度相對(duì)增大，孔隙比減小，微觀孔隙尺寸的變化導(dǎo)致進(jìn)氣值相應(yīng)增大。

表4考慮變形的土水特征模型擬合參數(shù)Table1　Fitting parameters of modified WRC model

3　結(jié)論

1)飽和濕化過(guò)程中，壓實(shí)紅黏土的膨脹應(yīng)變隨著飽和度的增加而增加，且初始干密度越大，膨脹應(yīng)變?cè)酱蟆?/p>

2)逐級(jí)增加吸力干燥過(guò)程中，壓實(shí)紅黏土的孔隙比隨著吸力增大而減??；同一吸力階段，干密度大的試樣具有較小的孔隙比和較高的飽和度。

3)改進(jìn)的土水特征曲線模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好。

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(編輯 羅金花)

Water retention properties of deformableCompacted redClay induced by wetting and drying

HE Yong1,2,3, HUANG Runqiu2,CHEN Yonggui1,2,3, YE Weimin1
(1.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 200092,China? 2.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu 650051,China? 3.School ofCivil Engineering and Architecture,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114,China)

Abstract:Two specimens with dry densities of1.3 g/cm3and1.5 g/cm3wereCompacted by the redClay powder with a waterContent of 4%.Then,the specimens were saturated in theConfinedConditions and the deformations were measured during the saturating.The saturated specimens were dried by increasing suction through the vapor phase technique,the void ratio and saturation degree were also measured during the drying,andConsequently the soil water retentionCurves(SWRCs)were obtained.The results show that the swelling strain ofCompacted redClay increases with the increase of the saturation.What’s more,the larger the initial dry density,the greater the swelling strain.During the drying,the void ratio of the specimen decreases with the increase of the suction.For a given suction,the specimen with a smaller dry density has a bigger void ratio and a higher saturation degree.According to the SWRCs,modified model was proposed to account for the effect of deformation on SWRCs,and the experimental dataCould be fitted well.

Key words:Compacted redClay? wetting? drying? deformation? soil water retentionCurve

中圖分類號(hào)：TU442

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672?7207(2016)01?0143?06

DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.021

收稿日期：2015?04?12；修回日期：2015?06?30

基金項(xiàng)目(Foundation item)：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41272287，41422207)；地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(成都理工大學(xué))(SKLGP2013K004)；湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(15A009)(Projects(41272287,41422207)supported by the National Natural Science Foundation ofChina? Project(SKLGP2013K004)supported by the Opening Fund of State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection(Chengdu University of Technology)? Project(15A009)supported by Scientific Research Fund of Hunan Provincial Education Department)

通信作者：陳永貴，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事環(huán)境地質(zhì)和非飽和土力學(xué)方面研究；E-mail:Cyg@#edu.cn