陳 寶，潘燕敏，路曉軍，喻 達(dá)

（同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092）

1 研究背景

因含有較多的黏粒及親水性的蒙脫石、伊利石等礦物成分，膨脹土具有遇水膨脹，失水收縮的變形特性，常使膨脹土地基上建構(gòu)筑物產(chǎn)生裂縫、發(fā)生傾斜或失穩(wěn)現(xiàn)象，給國家?guī)砹司薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失［1］，引起了工程界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。國內(nèi)外專家學(xué)者對膨脹土的工程特性開展了眾多的研究，認(rèn)為膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)是影響其強(qiáng)度［2］、變形特性［3-4］、土水特征及滲透特性［5］的主要內(nèi)在因素。我國典型膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)單元可以分為片狀顆粒、扁平狀聚集體顆粒及粒狀顆粒單元3種類型，微結(jié)構(gòu)可以分為絮凝結(jié)構(gòu)、定向排列結(jié)構(gòu)、紊流結(jié)構(gòu)、粒狀堆積結(jié)構(gòu)等類型［2，6］。膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)除了與其礦物成分，形成條件有關(guān)外，還與其吸力（含水率）［7］以及所處的應(yīng)力環(huán)境［8］等外部條件有關(guān)。

為了探究外部條件的改變對膨脹土微觀結(jié)構(gòu)的影響，已有大量的學(xué)者進(jìn)行了研究。例如：Lin等［9］采用掃描電鏡試驗（Scanning Electron Microscope，簡稱SEM）和環(huán)境掃描電鏡試驗（Environmental Scanning Electron Microscope，簡稱ESEM）發(fā)現(xiàn)頁巖風(fēng)化膨脹土在干濕循環(huán)過程中或者在不同壓力下固結(jié)穩(wěn)定后，微觀結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。除了通過SEM試驗或ESEM試驗對土體微觀結(jié)構(gòu)的變化做出定性分析，也可以通過壓汞試驗（水銀孔隙率定試驗，Mercury Intrusion Porosimetry，簡稱 MIP）對孔徑分布的變化做定量分析。陳寶等［10］采用MIP試驗研究了不同壓縮應(yīng)力作用下，黏土產(chǎn)生體積變形后孔隙分布曲線的變化規(guī)律；Cui等［7］結(jié)合SEM和MIP試驗方法研究了膨脹土在不同吸力下微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。

上述研究表明，外部條件的變化會對土體微觀孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非常大的影響，改變其孔隙分布特征和微觀結(jié)構(gòu)類型，進(jìn)而影響其工程性質(zhì)。但是目前對于膨脹土在不同外部條件作用下微觀結(jié)構(gòu)變化的研究并不多，而且集中在脫濕過程中。由于膨脹土具有遇水膨脹，而且強(qiáng)度迅速降低的特性，其吸水過程更容易導(dǎo)致工程事故的發(fā)生。因此對膨脹土在不同外部條件下膨脹后微觀結(jié)構(gòu)變化的研究變得不可或缺。

本文擬采用MIP試驗和SEM試驗來研究重塑膨脹土在不同荷載條件下膨脹穩(wěn)定后微觀結(jié)構(gòu)的差異性。在微觀試驗的土樣制備時主要控制初始含水率和膨脹約束條件2個變量。選取不同初始含水率是為了研究和對比土樣分別從干燥狀態(tài)和較濕潤狀態(tài)膨脹穩(wěn)定后微觀結(jié)構(gòu)的差異性。對于膨脹約束條件的選取，主要考慮土體所處的膨脹狀態(tài)。首先，在真實的膨脹環(huán)境中，土單元體的橫向膨脹變形會受到相鄰?fù)馏w的限制，其所處的狀態(tài)與側(cè)限狀態(tài)接近；其次，在豎向上，隨著埋深的增大，土體遇水會從無荷載膨脹、一定荷載下膨脹逐漸過渡到膨脹力等于上覆壓力下的恒體積膨脹狀態(tài)。因此，本次試驗擬用不同荷載下的一維膨脹試驗來模擬土體的膨脹約束條件。待土樣在不同膨脹約束條件下膨脹穩(wěn)定后，再采用MIP試驗和SEM試驗相結(jié)合的方法，對其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，探討微觀結(jié)構(gòu)和孔隙分布情況的變化規(guī)律。

2 試驗方案

試驗用土取自南陽市內(nèi)鄉(xiāng)縣某220 kV變電站擬選站址之一，地層由第四系上更新統(tǒng)沖洪積物組成。土樣呈黃褐色，含黑色鐵錳質(zhì)結(jié)核，土體的基本物理參數(shù)和礦物組成分分別見表1和表2。結(jié)合自由膨脹率和親水性礦物的含量，根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》（GBJ 50112—2013），可判斷試驗用土為弱膨脹土。

表1 膨脹土的基本物理特性Table 1 Basic physical properties of test expansive soil

表2 礦物組成成分Table 2 Mineral composition of test soil

2.1 土樣制備

將自然風(fēng)干后的膨脹土采用碎土機(jī)破碎并過2 mm篩，配置成初始含水率為15%和20%的濕土，并靜置24 h，使土中水分?jǐn)U散均勻。將配置好的濕土用靜壓法制成干密度為1.70 g／cm3環(huán)刀土樣，每個含水率制4個相同的土樣。將制作好的土樣分別進(jìn)行無荷載一維膨脹試驗、50 kPa荷載下一維膨脹試驗和恒體積膨脹試驗，各土樣的膨脹力、膨脹率與時間的關(guān)系如圖1所示。當(dāng)土樣達(dá)到膨脹穩(wěn)定狀態(tài)后（如圖中各曲線標(biāo)記“×”的試驗點）將土樣取出，制備用于微觀試驗的土樣。

圖1 土樣膨脹力、膨脹率與時間的關(guān)系Fig．1 Swelling force and swelling ratio against time

因為MIP試驗和SEM試驗需要采用干燥的土樣，為了避免干燥過程中土樣出現(xiàn)干縮現(xiàn)象，改變其內(nèi)部孔隙分布情況，采用液氮冷凍真空干燥法［11］干燥土樣。具體步驟為：用細(xì)鋼絲鋸切成多個1.5 cm×1.5 cm×2 cm左右的土塊，將土塊小心包裹在細(xì)鐵絲網(wǎng)中，放入冷凍干燥機(jī)，倒入液氮對土樣冷凍15 min，接著在-50℃下持續(xù)抽真空24 h，使土中冰升華。將干燥后的土樣小心掰掉鋼絲鋸切出的光滑表面，掰成約1 cm×1 cm×1 cm的土塊用于MIP試驗；另外的土樣掰開后用洗耳球吹去表面浮土，鍍金后進(jìn)行SEM試驗。為了方便試驗結(jié)果的展示，對不同的土樣進(jìn)行編號，如表3所示。

表3 土樣狀態(tài)及對應(yīng)的編號Table 3 Status and corresponding serial number of soil samples

2.2 試驗方法和設(shè)備

SEM試驗采用日本日立公司生產(chǎn)的Hitachi SU1510型掃描電鏡，其電子槍采用冷場發(fā)射電子源，放大倍率為5～300 000倍。選擇視野中孔隙和土顆粒分布相對均勻的點，分別拍攝500，1 000，2 000，3 000倍下土樣表面的微觀圖像，測試土樣編號為 1#—8#。

MIP試驗采用美國Mike公司生產(chǎn)的AutoPore IV 9500型全自動壓汞法孔徑分析儀，最大注汞壓力為60 000 psi（約413.8 MPa），孔徑量測范圍為0.003～1 100μm，測試土樣編號為9#—16#。

汞對土顆粒是非浸潤性的，需要在外部壓力的作用下才會進(jìn)入土體孔隙中。隨著外部壓力的增大，汞逐漸進(jìn)入土中更小的孔隙中，通過記錄每級壓力下土樣的進(jìn)汞量，可以推算出不同孔徑的孔隙體積含量，得到不同膨脹約束條件下土中孔隙分布情況?？讖降拇笮「鶕?jù)Washburn公式［12］計算，即

式中：p為施加的壓力（Pa）；σ為汞的表面張力，取值為0.485 N／m；θ為汞與土體間接觸角，取值為140°；r為將土中孔隙假設(shè)為圓柱形后的等效半徑（m）。

3 電鏡掃描試驗結(jié)果分析

由SEM試驗得到的初始含水率為15%的土樣電鏡照片見圖2。圖中呈蜂窩狀或棉絮狀等特征的礦物是伊蒙混層，該礦物是蒙脫石向伊利石或者伊利石向蒙脫石過渡的礦物，具有遇水膨脹特性，從其分布情況來看，伊蒙混層含量與表2中所示結(jié)果相一致。

圖2 初始含水率為15%的土樣微觀結(jié)構(gòu)Fig．2 SEM micrographs of samples with 15%initial water content

此外，從圖2中還可知，黏土顆粒的排布沒有明顯的定向性，整體較為雜亂。圖2（a）和圖2（b）中以片狀顆粒和扁平狀顆粒為主，其接觸方式以邊-面接觸為主，面-面和邊-邊接觸為輔，可判斷該膨脹土的微結(jié)構(gòu)類型為紊流結(jié)構(gòu)；顆粒間接觸較緊密，無明顯的大孔隙。圖2（c）和圖2（d）土顆粒以粒狀顆粒和扁平狀顆粒為主，伊蒙混層羽翼狀的邊緣被水化，土顆粒邊緣變光滑，粒間的聯(lián)結(jié)也被削弱，形成更為松散的排列，導(dǎo)致土樣的微結(jié)構(gòu)以粒狀顆粒堆疊為主。

從圖2（c）和圖2（d）可以看出土樣膨脹后孔隙明顯增多，10μm左右的孔隙增加較明顯。對比圖 2中的（b），（c），（d）可知，上覆荷載越?。?#土樣恒體積膨脹穩(wěn)定后上覆荷載為350 kPa、3#土樣在50 kPa下膨脹、4#土樣在無荷載條件下膨脹），土顆粒的膨脹越充分，粒間孔隙越大。這是因為荷載的存在限制了土體體積的膨脹，使得土顆粒排列變得緊密，進(jìn)而壓縮了顆粒間孔隙的體積。

圖3給出了初始含水率為20%的土樣在不同荷載條件下膨脹穩(wěn)定后微觀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片。同樣也可以看出荷載越小，膨脹穩(wěn)定后顆粒間的孔隙越大，宏觀上膨脹率越大。

圖3 初始含水率為20%的土樣微觀結(jié)構(gòu)Fig．3 SEM micrographs of samples with 20%initial water content

與初始含水率為15%的土樣相比較，初始含水率為20%的土樣在膨脹過程中，微結(jié)構(gòu)類型和孔隙大小的變化不明顯。因為在配土過程中，水的加入會使得土顆粒發(fā)生一定程度的膨脹，消耗一部分膨脹勢能。初始含水率越大的土樣，剩余的膨脹勢能就越小，在浸水膨脹過程中，顆粒的體積膨脹變化就越小，推開其周邊顆粒的力也變小，故而在膨脹過程中孔隙的變化沒有初始含水率低的土體變化明顯；在宏觀上表現(xiàn)為膨脹率或者膨脹力的降低，如初始含水率為15%的土樣膨脹力為325 kPa，而初始含水率為20%的土樣膨脹力下降為115 kPa。

4 MIP試驗結(jié)果分析

不同初始含水率土樣的MIP試驗結(jié)果如圖4所示。為了便于分析試驗結(jié)果，結(jié)合孔隙分布特點，將土樣中的孔隙按等效孔徑的大小分為4個等級：超微孔隙（＜0.1μm）、微孔隙（0.1～5μm）、小孔隙（5～50 μm）和大孔隙（＞50μm），其中0.1μm可以認(rèn)為是黏土中集聚體內(nèi)孔隙和集聚體間孔隙的分界值。因土樣的干密度較大（1.70 g／cm3），集聚體間的孔隙被壓縮，體積含量減小，集聚體內(nèi)的孔隙成為土樣中孔隙的主要組成部分，占孔隙總體積的70%以上。

圖4 不同初始含水率下的土樣孔隙分布曲線Fig．4 Pore size distribution of soils with varied initial water content

整體來看，雖然在不同的膨脹約束條件下，土樣內(nèi)部孔隙的體積會有相應(yīng)的變化，但是土樣的孔隙分布均呈現(xiàn)出三峰曲線的形式，而且對應(yīng)的峰值孔徑大致沒有改變。這是因為試驗用土是弱膨脹土，而且其含有的石英等粗顆粒礦物成分比較多，約占總礦物含量的70%，以伊蒙混層為主的黏土顆粒的礦物成分僅占30%左右。可以認(rèn)為土骨架主要由水穩(wěn)定性比較好的粗粒土組成，在浸水膨脹過程中，土骨架能夠整體保持不變［13］。所以，各不同條件下的土樣膨脹穩(wěn)定后的孔隙分布曲線只表現(xiàn)出了局部的變化，孔隙分布的整體并沒有太大的改變。

分開來看，與初始土樣相比，恒體積膨脹條件下土樣的大孔隙和小孔隙體積含量均減小，微孔隙的體積含量增大，超微孔隙分布情況與初始狀態(tài)土樣大致相同。這說明在恒體積浸水膨脹過程中，因土樣的體積不能發(fā)生變化，所以顆粒的膨脹會壓縮顆粒間孔隙的體積，使得顆粒間孔隙的體積變小，土樣中的總孔隙體積也有所減少。與初始樣相比，在允許有豎向膨脹的條件下，土樣膨脹穩(wěn)定后，除微孔隙外，其余各孔隙的體積含量均增大，而且大孔隙的體積含量增大最為明顯，這一點與掃描電鏡照片所呈現(xiàn)的結(jié)果相一致。50 kPa荷載下膨脹的土樣各孔隙體積含量的增量比無荷載膨脹條件下的孔隙體積含量的增量小，因為伊蒙混層水化后，顆粒體積增大，進(jìn)而推開其旁邊的顆粒，使得粒間孔隙變大，但是荷載的存在抑制了這一過程，使得顆粒排列得更為緊密，故而孔隙體積含量的增量小。

對比圖4（a）和圖 4（b），兩者的孔隙分布規(guī)律總體相似，但是初始含水率為20%的土樣各孔隙體積含量均小于初始含水率為15%的土樣孔隙體積含量?？梢娫谙嗤母擅芏认?，初始含水率越大的土樣，孔隙體積含量越小。

首先對于初始土樣：在配土的加水過程中，土顆粒在水的作用下，已經(jīng)發(fā)生了部分膨脹，而且初始含水率越高，膨脹變形越多。又因為壓樣過程中控制土樣的干密度相同，所以每個土樣中土顆粒的數(shù)量大致相同，但是含水率越大，相當(dāng)于每個土顆粒的體積越大。因為土樣的總體積相同，所以土顆粒占的體積越大，孔隙的體積就越小。這一點也可以從兩組曲線在微孔隙范圍內(nèi)的峰值來說明：初始含水率低的土樣，微孔隙范圍內(nèi)的峰值含量對應(yīng)的孔徑在3μm附近，而初始含水率高的土樣，孔徑為3μm的孔隙含量明顯減小，取而代之的是0.3μm的峰值孔徑。這一峰值遷移的現(xiàn)象說明：初始含水率大的土，在制樣過程中土顆粒會被壓得更為緊密。

其次對于膨脹穩(wěn)定后的土樣：試驗結(jié)果［14-15］表明，土樣的膨脹率隨著初始含水率的減小而呈線性或者指數(shù)形式增長，所以初始含水率低的土樣，膨脹后體積越大，孔隙的含量也就越高。

最后對于恒體積膨脹的土樣：初始含水率低的土樣，膨脹力也就越大［16-17］，在浸水后，外界施加的限制土樣體積膨脹的力也就越大，這使得土樣中的土顆粒水化不充分，進(jìn)而導(dǎo)致土顆粒體積膨脹量減小，對顆粒間的孔隙體積壓縮量減小，所以初始含水率低的土樣孔隙的體積含量大。

5 結(jié) 論

本文通過SEM和MIP試驗對重塑膨脹土浸水膨脹穩(wěn)定后的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了分析，主要結(jié)論有：

（1）重塑南陽膨脹土為紊流結(jié)構(gòu)，顆粒排列沒有明顯的方向性，接觸形式主要為邊-面形式，輔以面-面及邊-面形式。在允許體積膨脹的條件下，伊蒙混層羽翼狀的邊緣被水化，土顆粒變光滑，粒間的聯(lián)結(jié)也被削弱，形成以粒狀顆粒和扁平狀顆粒為主的顆粒堆疊結(jié)構(gòu)。

（2）不同膨脹約束條件下的膨脹土內(nèi)部孔隙按等效孔徑的大小可以分為4個等級：超微孔隙（＜0.1 μm）、微孔隙（0.1～5μm）、小孔隙（5～50μm）和大孔隙（＞50μm），其中0.1μm是黏土中集聚體內(nèi)孔隙和集聚體間孔隙的分界值。

（3）土樣在恒體積浸水膨脹過程中，微觀結(jié)構(gòu)的變化較小，孔隙的變化主要體現(xiàn)小孔隙被膨脹后的土顆粒壓縮成微孔隙。在允許土體產(chǎn)生豎向體積膨脹的條件下，膨脹穩(wěn)定后的土樣大孔隙、小孔隙和超微孔隙的體積含量均增大。

（4）初始含水率越低，土樣的孔隙分布變化和結(jié)構(gòu)變化越為明顯。因為制樣過程中水的加入會使得土顆粒產(chǎn)生部分膨脹，在浸水膨脹過程中，顆粒的體積膨脹變化就越小，推開其周邊顆粒的力也很小，從而導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)的變化小。