安陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系,河南 安陽(yáng) 455000

膨脹土廣泛分布在我國(guó)南水北調(diào)中線工程的沿線地區(qū)[1,2]。由于膨脹土礦物組成成份含有大量強(qiáng)親水性礦物，使其工程特征具有明顯的特殊性，表現(xiàn)為吸水后膨脹，脫水后收縮的性質(zhì)。同時(shí)膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的裂隙性也比較明顯。由于對(duì)膨脹土工程特性的認(rèn)識(shí)不深入，導(dǎo)致膨脹土邊坡失穩(wěn)的工程事故時(shí)有發(fā)生[3-5]。在南陽(yáng)市內(nèi)渠道邊坡中，膨脹土的地層分布廣泛，其厚度可達(dá)10～50 m，是在南水北調(diào)中線南陽(yáng)段的工程建設(shè)中涉及的重要巖土層。

由于南陽(yáng)地區(qū)的季節(jié)性凍融交替現(xiàn)象較為明顯，土體內(nèi)的孔隙水受溫差影響而頻繁凍結(jié)、融化，對(duì)膨脹土邊坡的工程特性也產(chǎn)生較大影響。膨脹土對(duì)地下水賦存狀態(tài)具有敏感性，土體體積發(fā)生膨脹時(shí)，會(huì)產(chǎn)生地層側(cè)向應(yīng)力增大和不均沉降現(xiàn)象[6,7]。因此，為保證渠道邊坡工程的穩(wěn)定性與安全性，須對(duì)該地區(qū)的膨脹土開(kāi)展凍融循環(huán)后的強(qiáng)度測(cè)試[8]。另外，凍融損傷作用對(duì)土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有很大的影響，最直接的表現(xiàn)是孔隙分布特征的改變。為了對(duì)宏觀力學(xué)性能劣化機(jī)制進(jìn)行深入探討，進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)損傷程度的評(píng)價(jià)是必不可少的[9-11]。

鑒于此，本文首先分析了膨脹土的礦物成分、粒組特征、滲透系數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)等基本物理特性，然后就膨脹土宏觀強(qiáng)度參數(shù)受凍融循環(huán)的影響進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，然后對(duì)其力學(xué)特性劣化的微觀機(jī)理進(jìn)行了相應(yīng)的分析評(píng)價(jià)，為指導(dǎo)膨脹土工程建設(shè)與工程地質(zhì)勘查提供了重要參考。

1 膨脹土的工程特性

1.1 膨脹土的取樣結(jié)果

試樣取自南水北調(diào)中線渠道沿線的邊坡，根據(jù)鉆探取樣試驗(yàn)結(jié)果，并參考場(chǎng)地的勘察資料，場(chǎng)地的土層分布為：①0～3.2 m，耕植土；②3.2～7.2 m，可塑性膨脹土，黃褐色；③7.2～23.0 m，硬塑膨脹土，灰色和黃褐色混合；④23～27.2 m，全風(fēng)化泥巖，黃褐色，質(zhì)地堅(jiān)硬，顆粒呈膠結(jié)狀；⑤27.2～30.5 m，中-強(qiáng)風(fēng)化泥巖，質(zhì)地堅(jiān)硬。原狀土樣是在渠道邊坡的不同標(biāo)段進(jìn)行取樣，先進(jìn)行人工挖槽，然后在在地表-4.0 m～-5.0 m 的深度范圍內(nèi)進(jìn)行取樣，取樣深度處未見(jiàn)地下水。切取幾何尺寸為50×25×25 cm 左右大小的立方體土樣，對(duì)取回的樣品進(jìn)行封裝，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。

1.2 礦物成分分析

將原狀土樣進(jìn)行XRD 衍射測(cè)試，礦物成分分析結(jié)果表明，膨脹土土樣的礦物成分主要為：蒙脫石28.5%，伊利石17.1%，高嶺石11.9 石英33.5%，綠泥石5.8%以及鉀長(zhǎng)石3.1%。膨脹土的石英占比最高，黏土礦物則以蒙脫石、伊利石和高嶺石等親水性礦物類(lèi)為主，標(biāo)志著該類(lèi)土體具有較強(qiáng)的水敏性，存在吸水膨脹和脫水收縮的特征[12]。

1.3 液塑限和粒組特征

南陽(yáng)膨脹土的液塑限特性指標(biāo)如圖1 所示。膨脹土在天然狀態(tài)下基本處于中塑-硬塑狀態(tài)。三組膨脹土試樣的試驗(yàn)結(jié)果顯示：細(xì)粒組液限均高于50%，塑性指數(shù)均大于22，土體在塑性圖中處于A 線(MH)和B 線(CL)之間，表明南陽(yáng)膨脹土黏土顆粒具有高液限黏土的性質(zhì)[13]。

圖1 膨脹土的塑性分類(lèi)Fig.1 The plastic classification of expansive soil

1.4 滲透特性

通過(guò)30 個(gè)膨脹土樣本的滲透試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)變化范圍為1.13×10-5～1.95×10-4cm/s。土體滲透系數(shù)值的統(tǒng)計(jì)直方圖如圖2 所示，滲透系數(shù)在10-5cm/s 出現(xiàn)概率最大。綜合分析，該土體的滲透性應(yīng)為弱透水等級(jí)。從表1 可以看出膨脹土的顆粒組成較為特殊，粗顆粒和細(xì)顆粒的含量較多，此粒徑分布特征為小顆粒從大顆粒的孔隙中涌出的運(yùn)動(dòng)提供先決條件。在動(dòng)水壓力條件下，容易引起管涌、流土等滲透變形現(xiàn)象。因此，即使膨脹土的透水性不高，但是由于粒徑分布較為特殊，也應(yīng)該在渠道邊坡工程中采取有效止水措施。

圖2 滲透系數(shù)的統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.2 Histogram of permeability coefficient

表1 膨脹土的顆粒分布Table 1 Particle distribution of expansive soils

1.5 微觀結(jié)構(gòu)形貌

膨脹土試樣內(nèi)部含有大量肉眼可見(jiàn)的石英顆粒，且大多被黏土顆粒包裹及填充。由放大100 倍的SEM 照片更加清晰，石英顆粒呈塊體狀，其周?chē)谎趸锘蚱渌ね林械哪z結(jié)物質(zhì)所覆蓋(圖3(a))，再放大到800 倍時(shí)可以看到顆粒之間以邊-面或面-面的鑲嵌接觸方式為主,裂隙清晰(圖3(b))，石英顆粒之間的黏土礦物為非定向堆疊結(jié)構(gòu)(圖3(c))，保留了原生礦物內(nèi)部構(gòu)造的特征；將黏土礦物放大2000 倍，可以發(fā)現(xiàn)蒙脫石類(lèi)親水性礦物顆粒聚集的地方則呈平片狀，呈典型疊片疇狀構(gòu)造[15,16]。

圖3 膨脹土的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.3 Scanning electron micrographs f expansive soils

1.6 壓縮特性

將膨脹土樣按標(biāo)準(zhǔn)[14]方法制成直徑61.8 mm，高度20 mm 的環(huán)刀樣，取30 個(gè)環(huán)刀樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)，所得到的壓縮系數(shù)分布直方圖如圖8 所示。從圖4 中可以看出，各取樣點(diǎn)壓縮系數(shù)a1-2 在0.14 MPa-1到0.46 MPa-1之間，出現(xiàn)最多的是0.31～0.352 MPa-1，屬于中壓縮性土。

圖4 壓縮系數(shù)的統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.4 Histogram of permeability coefficient

2 凍融循環(huán)效應(yīng)

2.1 凍融循環(huán)對(duì)力學(xué)特性的影響

將原狀土樣按標(biāo)準(zhǔn)[14]方法制作成圓柱狀土樣(直徑39.1 mm，高度80 mm)，選定試驗(yàn)的凍融循環(huán)溫度范圍為-15～20 ℃。將試樣置于溫控試驗(yàn)箱中進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，先在-15 ℃環(huán)境下冷凍8 h，然后控制溫度為20 ℃，進(jìn)行融化4 h，最后取出試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)的測(cè)定。

將上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中衰減率定義為n次凍融循環(huán)土樣和未經(jīng)凍融循環(huán)土樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的差值與未經(jīng)凍融循環(huán)土樣抗壓強(qiáng)度的比值，如公式(1)所示。

式中，qun為經(jīng)歷過(guò)第n次的循環(huán)土樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；quo為0次循環(huán)土樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與衰減率隨循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系如圖5所示?？梢钥闯鰺o(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)過(guò)程中強(qiáng)度不斷下降，且下降速率所循環(huán)次數(shù)增加而迅速減少，在0～1次循環(huán)中土樣衰減13.6%，經(jīng)過(guò)2次循環(huán)后，衰減率達(dá)到17.7%，經(jīng)過(guò)6次循環(huán)后，土樣的衰減率達(dá)到了22.8%；而在4～10次循環(huán)過(guò)程中，土樣的強(qiáng)度衰減率增長(zhǎng)幅度小于3%，說(shuō)明4次循環(huán)后的強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of unconfined compressive test

2.2 凍融循環(huán)孔隙分布特性的影響

本文使用高精度低場(chǎng)核磁共振掃描儀進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)。NMR 依據(jù)材料中水的核磁信號(hào)獲取孔隙水的核磁共振T2 分布曲線，按照曲線的特點(diǎn)分析被測(cè)試材料的微觀孔隙分布特征[17]。根據(jù)核磁共振試驗(yàn)的原理，由NMR 試驗(yàn)得到弛豫時(shí)間T2 與材料內(nèi)部孔隙的尺寸大小存在正相關(guān)的關(guān)系，本文對(duì)5 組不同凍融循環(huán)次數(shù)的試樣進(jìn)行核磁共振掃描，得到各試樣的T2 分布曲線（圖6）。

圖6 核磁共振掃描試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Results of NMR scanning tests

隨循環(huán)次數(shù)增加，表示小孔隙的主峰，表示中等孔隙的次峰1和大孔隙的次峰2均有所增長(zhǎng)。0次循環(huán)的試樣3個(gè)峰的譜峰值均最低，分布區(qū)間也最小，說(shuō)明該試樣的孔隙規(guī)模和數(shù)量較??；隨凍融循環(huán)發(fā)展，小、中、大孔隙的T2分布曲線的峰值大致呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，且曲線逐漸右移，說(shuō)明試樣在凍融過(guò)程中，經(jīng)歷反復(fù)凍結(jié)和融化，內(nèi)部黏土團(tuán)聚體逐漸溶解，黏土顆粒隨土體水分遷移而流失，使得膨脹土顆粒間的孔隙逐漸擴(kuò)大；當(dāng)對(duì)膨脹土進(jìn)行8次循環(huán)后，分布曲線的3個(gè)峰值達(dá)到最大，表示土體內(nèi)部各尺寸孔隙數(shù)量和體積達(dá)到最大[18]。

2.3 強(qiáng)度指標(biāo)與譜面積的關(guān)系

圖7 峰值強(qiáng)度與T2 譜面積的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between strength and spectrum areas

由NMR 掃描結(jié)果發(fā)現(xiàn)膨脹土內(nèi)部孔隙的T2 分布曲線隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而發(fā)生改變。與此同時(shí)，材料的強(qiáng)度值隨凍融循環(huán)次數(shù)增加逐漸下降。因此，不同凍融循環(huán)次數(shù)下的強(qiáng)度與T2 譜面積大小有一定關(guān)聯(lián)性。提取不同凍融循環(huán)次數(shù)下膨脹土峰值強(qiáng)度與譜面積進(jìn)行分析，繪制如圖7 所示的曲線。從圖中可以看出，在凍融循環(huán)過(guò)程中，無(wú)側(cè)限峰值強(qiáng)度與譜面積呈負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系。由分析得：隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，土體內(nèi)部孔隙規(guī)模與強(qiáng)度劣化程度逐漸增加。膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)探測(cè)結(jié)果很好地反映了宏觀力學(xué)損傷程度，體現(xiàn)了凍融循環(huán)對(duì)膨脹土宏觀和微觀特性均有較大影響[19]。

從膨脹土的物理特征和力學(xué)性質(zhì)出發(fā)分析凍融循環(huán)作用對(duì)土體的影響。由于膨脹土礦物顆粒之間存在部分顆粒聯(lián)結(jié)，顆粒間的接觸關(guān)系主要是層狀的面-面接觸。而凍融循環(huán)作用使得土體內(nèi)部液態(tài)水和凍結(jié)水的相態(tài)不斷發(fā)生改變，擴(kuò)大了土體內(nèi)部的裂隙分布面，土體的粘結(jié)物質(zhì)隨凍融循環(huán)過(guò)程而流失，并且逐漸使顆粒的面-面接觸轉(zhuǎn)向線-面接觸[20]。因此，在凍融循環(huán)過(guò)程中，膨脹土體的力學(xué)性能逐漸發(fā)生劣化。

3 結(jié)論

（1）膨脹土的特殊性質(zhì)與其物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)形態(tài)密切相關(guān)。膨脹土內(nèi)部含大量石英，黏土礦物成分以絮凝結(jié)構(gòu)的蒙脫石等強(qiáng)親水性礦物為主，顆粒間以面-面的鑲嵌接觸方式為主。并且，膨脹土的滲透系數(shù)較小，壓縮性為中壓縮性，粒徑分布特殊，易引起滲透變形；

（2）在凍融循環(huán)過(guò)程中，膨脹土試樣在無(wú)側(cè)限強(qiáng)度測(cè)試中的峰值強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)增加而逐漸下降。其中，0～1 次循環(huán)中的衰減幅度最大，且經(jīng)過(guò)4 次循環(huán)后的強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定；

（3）根據(jù)核磁共振掃描測(cè)試得到了不同凍融循環(huán)次數(shù)下的T2 分布曲線，其變化規(guī)律反映：隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，膨脹土內(nèi)部的小孔隙比例逐漸下降，大孔隙的比例逐漸增大，且凍融循環(huán)過(guò)程中整體孔隙體積也不斷增加；

（4）隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，由無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)得到的峰值強(qiáng)度與NMR 獲取的T2 分布曲線譜面積呈負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系，體現(xiàn)了膨脹土在凍融循環(huán)中的宏觀和微觀特性有明顯的關(guān)聯(lián)性。