韓少陽(yáng)，王保田

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心，江蘇 南京 210098)

膨脹土是一種高塑性、強(qiáng)親水性的特殊黏土[1]。不同地區(qū)膨脹土的脹縮性質(zhì)差別很大，對(duì)具體工程的影響大小不同。因此，對(duì)膨脹土脹縮等級(jí)進(jìn)行判別分類尤為重要。目前，膨脹土的判別與分類方法主要有兩類，一類是直接指標(biāo)法，該方法的操作方案較為復(fù)雜，且需要精密的儀器，不適合常規(guī)的工程實(shí)踐。另一類是間接指標(biāo)法，該方法簡(jiǎn)單易行，具有一定的科學(xué)依據(jù)，在工程建設(shè)中經(jīng)常被使用[2-3]。膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范(GB 50112—2013)[4]提出的按自由膨脹率劃分膨脹土膨脹潛勢(shì)的方法是目前最常用的判別方法之一，這種方法的主要缺點(diǎn)是操作復(fù)雜，對(duì)操作人員的要求相對(duì)較高，試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)。公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG30—2015)[5]提出了將標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率作為判別膨脹土等級(jí)的依據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率指標(biāo)具有較高的可信度。但是測(cè)試方法需要嚴(yán)格的試驗(yàn)條件，在工程中難以大范圍實(shí)踐。眾所周知，膨脹土具有顯著的干縮開裂特性[6]。膨脹土的失水收縮開裂現(xiàn)象主要與其中富含黏土礦物及其強(qiáng)親水性有關(guān)。許多研究表明，膨脹土的收縮性隨黏粒含量尤其是蒙脫石含量的增加而顯著增強(qiáng)[7-8]。因此，研究土體的收縮特性對(duì)分析土體的礦物組成和膨脹性有著重要的意義?？s限和Liner Shrinkage[9]是兩種用于表征黏土收縮特性的指標(biāo)。Holtz等[10]和Altmeyer[11]通過大量試驗(yàn)提出了利用縮限對(duì)膨脹土進(jìn)行分類和判別的標(biāo)準(zhǔn)。但是縮限的測(cè)量對(duì)操作人員有著很強(qiáng)的依賴性。Liner Shrinkage是指土樣干燥后的長(zhǎng)度與初始長(zhǎng)度的比值(土樣的初始狀態(tài)為泥漿)，與縮限相比線縮率試驗(yàn)更容易進(jìn)行，且重復(fù)性極高，可以更加準(zhǔn)確地描述土體的收縮特性。然而土體的收縮同時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多裂隙，線性收縮試驗(yàn)中僅通過測(cè)量土樣的長(zhǎng)度變化而忽略了裂隙的面積會(huì)低估真實(shí)的收縮量。

基于上述理論，本文通過對(duì)Liner Shrinkage方法進(jìn)行改進(jìn)，引入了一種對(duì)膨脹土進(jìn)行判別分類的新指標(biāo)，即最大面積收縮率(Maximum area shrinkage-cracking ratio,SCR)。此外，本文還討論了SCR試驗(yàn)的影響因素，并對(duì)SCR的可信度和可靠性進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)用土及材料

試驗(yàn)所用膨脹土分別取自中國(guó)8個(gè)不同地區(qū)(圖1)以及美國(guó)科羅拉多州的2個(gè)不同地區(qū)，土樣基本性質(zhì)如表1所示。試驗(yàn)所用收縮圓盤為金屬材質(zhì)，直徑為152 mm，高度為24 mm(圖2)。圓盤表面為黑色啞光、光滑、耐高溫的噴涂鐵氟龍涂料，可以降低圓盤內(nèi)腔側(cè)面對(duì)土體粘結(jié)力，黑色材料可以提高土體與圓盤的對(duì)比度，啞光特性可以有效地避免相機(jī)采集圖像數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生反光而引起的誤差。

圖1 試驗(yàn)用土分布圖Fig.1 Locations of sampling areas

表1 膨脹土的基本性質(zhì)

圖2 收縮試驗(yàn)圓盤Fig.2 The test disc

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)以初始飽和的泥漿作為研究對(duì)象，主要因?yàn)槟酀{質(zhì)地均勻，操作簡(jiǎn)單，易于制備，且試驗(yàn)的重復(fù)性強(qiáng)。試驗(yàn)的具體步驟為：(1)將取回的土樣風(fēng)干敲碎，稱取一定量的膨脹土碎塊，按液限的1.1～2.0倍加入蒸餾水，充分?jǐn)嚢杈鶆?，配制初始飽和泥漿。值得注意的是，為保證泥漿試樣不受土體初始干密度影響，在每次試驗(yàn)稱取干土?xí)r，應(yīng)保證干土質(zhì)量和體積一致；(2)攪拌均勻后稱取定量的泥漿，緩緩倒入收縮圓盤，輕輕震動(dòng)圓盤以排除氣泡并使試樣表面平整；(3)將制作好的試樣水平放入控溫烘箱烘干至不再收縮；(4)將烘干試樣取出，放置于光照條件充足的試驗(yàn)臺(tái)上。將數(shù)碼相機(jī)固定在試樣正上方，對(duì)試樣表面進(jìn)行拍照。拍照后通過圖像處理軟件ImageJ對(duì)圖像進(jìn)行分析，并根據(jù)公式(1)對(duì)最大面積收縮率指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。試驗(yàn)過程如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)過程示意圖Fig.3 Testing procedures

(1)

式中：SCR—土體的最大面積收縮率(%)；S0—土體初始面積(cm2)；Sn—烘干后土塊的面積(cm2)。

為了研究初始含水率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)選取編號(hào)為S3，S4，S5以及S7的土樣，分別配制初始含水率為1.1，1.2，1.4，1.5，1.6，1.7，1.8 以及 2.0倍液限的飽和泥漿試樣進(jìn)行試驗(yàn)，其中每個(gè)含水率條件下分別設(shè)置2個(gè)平行試樣，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選定合適的初始含水率對(duì)其他影響因素進(jìn)行研究。

為了研究試樣厚度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)挑選編號(hào)為S3，S5，S7以及S10的土樣，每個(gè)編號(hào)的土樣分別配制5，6，7，8，10，12 mm以及14 mm 厚度的泥漿試樣，其中每個(gè)厚度條件下設(shè)置2個(gè)平行試樣，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選定合適的初始試樣厚度對(duì)其他影響因素進(jìn)行研究。

為了探究溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，選取編號(hào)為S4的土樣，共配制6組試樣，分別放置于溫度為25 ℃、60 ℃和105 ℃的烘箱中進(jìn)行烘干，其中每個(gè)溫度條件下同時(shí)放置2個(gè)平行試樣，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選定合適的烘干溫度對(duì)其他影響因素進(jìn)行研究。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 初始含水率對(duì)SCR的影響

圖4給出了編號(hào)為S3，S4，S5以及S7的土樣在不同初始含水率條件下(1.1～2.0倍液限)的試驗(yàn)結(jié)果及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(均值和標(biāo)準(zhǔn)差)。結(jié)果顯示，在不同初始含水率條件下，SCR值均無(wú)明顯變化，四組土樣中標(biāo)準(zhǔn)差最大(試樣S7)僅為2.27%，體現(xiàn)出數(shù)據(jù)較小的離散性，可以認(rèn)為，初始含水率對(duì)SCR幾乎沒有影響。值得注意的是，初始含水率不同導(dǎo)致SCR數(shù)值的微小波動(dòng)對(duì)膨脹土的判別和分類(見下文)均沒有影響。

圖4 不同初始含水率下最大面積收縮率試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Results of maximum area shrinkage-cracking ratio test with different initial water content.

2.2 初始厚度對(duì)SCR的影響

利用圖像處理技術(shù)只能對(duì)膨脹土試樣表面收縮和開裂進(jìn)行分析，而試樣的收縮實(shí)際上是由兩部分組成的：橫向面積的收縮和垂直方向的收縮。因此，研究試樣厚度對(duì)判別結(jié)果的影響至關(guān)重要。本文根據(jù)唐朝生[12]提出的填充法對(duì)4組土樣干燥后的收縮和裂隙體積進(jìn)行測(cè)量。圖5給出了不同初始厚度下干燥結(jié)束后試樣的平均最大體積收縮率δv和最大面積收縮率SCR。從圖5中可以看出，當(dāng)初始試樣厚度限制在8 mm以內(nèi)時(shí)，平均最大體積收縮率δv和平均最大面積收縮率SCR值非常接近，可以忽略厚度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。這主要是因?yàn)楫?dāng)試樣初始厚度小于8 mm時(shí)，樣品厚度較薄，因此假設(shè)裂隙可以貫穿整個(gè)土層，且裂隙沿深度方向截面呈矩形。而當(dāng)試樣土層厚度較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生頂部較寬、底部較窄的裂隙，此時(shí)體積收縮不能簡(jiǎn)化為面積收縮。綜上所述，當(dāng)試樣初始厚度在8 mm以內(nèi)時(shí)，試樣的收縮開裂特征可通過測(cè)量表面的最大面積收縮率SCR來(lái)對(duì)膨脹土進(jìn)行判別。

圖5 不同初始厚度下最大面積收縮率試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Results of maximum area shrinkage-cracking ratio test with different initial thickness

2.3 界面粗糙度對(duì)SCR的影響

為了分析接觸條件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，選取編號(hào)為S6的土樣，通過在試驗(yàn)收縮圓盤底部涂抹凡士林來(lái)減少界面摩擦，研究界面接觸特性對(duì)最大面積收縮率判別結(jié)果的影響。圖6和圖7分別給出了兩種不同粗糙度下試樣的收縮開裂過程。從試樣收縮過程可以看出，當(dāng)圓盤底部未涂抹凡士林時(shí)，土體在干燥過程中表面會(huì)率先出現(xiàn)一些裂隙，隨著干燥的持續(xù)進(jìn)行，裂隙會(huì)逐漸擴(kuò)展直至相交，最終形成裂隙網(wǎng)絡(luò)。而在圓盤底部涂抹了凡士林的土樣在干燥過程中呈整體均勻收縮，未在土體中形成常規(guī)裂隙。根據(jù)公式(1)計(jì)算可得涂抹凡士林的試樣SCR為“29.25”，未涂抹凡士林的試樣SCR為“30.97”。顯然，無(wú)論是否使用凡士林，得到的平均最大面積收縮率SCR值均在30%左右，說(shuō)明接觸條件對(duì)土樣表面收縮開裂的幾何結(jié)構(gòu)有一定影響，但對(duì)最大面積收縮率SCR指標(biāo)的影響不大。

圖6 圓盤底部未涂抹凡士林Fig.6 Mold surface without Vaseline

圖7 圓盤底部涂抹凡士林Fig.7 Mold surface with Vaseline

2.4 溫度環(huán)境對(duì)SCR的影響

為了研究溫度環(huán)境對(duì)SCR的影響，選取編號(hào)為S4的土樣配制泥漿，分別在3種不同溫度(105 ℃、60 ℃和25 ℃)下進(jìn)行烘干。試驗(yàn)結(jié)果表明：105 ℃、60 ℃和25 ℃下的平均SCR分別為23.39%、21.17%和19.32%，最大收縮率隨溫度的升高而明顯增大。這主要是由于在較高溫度下孔隙中的殘余含水量較小，導(dǎo)致顆粒間距減小，裂紋擴(kuò)展增大。通常認(rèn)為，在105 ℃下烘干的試樣最終殘余含水量為0，試樣已經(jīng)達(dá)到收縮極限，因此，選取105 ℃作為最大面積收縮率試驗(yàn)的烘干溫度。

3 判別與分類標(biāo)準(zhǔn)

通過自由膨脹率指標(biāo)δef對(duì)膨脹土進(jìn)行判別是目前工程實(shí)踐中最廣泛使用的方法。因此，本文參考自由膨脹率δef與最大面積收縮率SCR的關(guān)系，對(duì)膨脹土的分類界限值進(jìn)行確定，自由膨脹率試驗(yàn)按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[13]進(jìn)行。

自由膨脹率δef與最大面積收縮率SCR的關(guān)系如圖7所示。為了提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，除上述S1—S10試樣外，本文又添加了82組樣本進(jìn)行試驗(yàn)。由圖8可知，隨著δef增加，SCR增大，SCR與δef呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。本文在自由膨脹率δef分類基礎(chǔ)上建立了最大面積收縮率SCR的分類標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果如表2所示。

表2 膨脹土膨脹潛勢(shì)等級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)

圖8 最大面積收縮率與自由膨脹率的關(guān)系Fig.8 Maximum area shrinkage-cracking ratio versus free swelling index

4 討論和驗(yàn)證

4.1 最大面積收縮率可信度分析

從礦物學(xué)角度出發(fā)，膨脹土的脹縮性主要取決于黏土礦物的種類和含量，其中蒙脫石含量是膨脹土脹縮的物質(zhì)基礎(chǔ)；而陽(yáng)離子交換量可以反應(yīng)膨脹土晶格的吸附能力，是膨脹土脹縮的外在影響因素[14]。所以，研究最大面積收縮率與蒙脫石含量以及陽(yáng)離子交換量的關(guān)系具有重要意義。

圖9與圖10分別給出了土樣SCR與蒙脫石含量以及陽(yáng)離子交換量的關(guān)系?？梢钥闯觯琒CR與蒙脫石含量線性關(guān)系較好，其相關(guān)系數(shù)為R2=0.86；SCR與陽(yáng)離子交換量之間也呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.82。由此可見，SCR與蒙脫石含量以及陽(yáng)離子交換量具有良好的相關(guān)性，這說(shuō)明最大面積收縮率可以反映膨脹土的本質(zhì)特性，作為膨脹土判別和分類的指標(biāo)具有較高的可信度。

圖9 最大面積收縮率與陽(yáng)離子交換量之間的關(guān)系Fig.9 Relationship between maximum area shrinkage ratio and cation exchange capacity (CEC)

圖10 最大面積收縮率與蒙脫石含量之間的關(guān)系Fig.10 Relationship between maximum area shrinkage ratio and montmorillonite content

4.2 最大面積收縮率與其他判別方法的比較

《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD20—2015)提出了按標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率和塑性指數(shù)進(jìn)行判別和分類的方法。其中塑性指數(shù)可以反映土顆粒與水的相互作用，在一定程度上反映了土體的親水性[15]；而標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率與比表面積、陽(yáng)離子交換量和蒙脫石含量之間存在線性關(guān)系，這兩項(xiàng)指標(biāo)也經(jīng)常用于工程實(shí)踐中。為了研究最大面積收縮率SCR作為分類指標(biāo)的準(zhǔn)確性，本文研究了最大面積收縮率SCR與塑性指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率之間的關(guān)系。

圖11與圖12為SCR與塑性指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率之間的關(guān)系圖?？梢钥闯觯琒CR與塑性指數(shù)Ip、標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率線性關(guān)系良好，其相關(guān)系數(shù)接近于1(相關(guān)系數(shù)分別為R2=0.93與R2=0.97)，說(shuō)明最大面積收縮率作為膨脹土判別和分類指標(biāo)的可靠度很高。

圖11 最大面積收縮率與塑性指數(shù)之間的關(guān)系Fig.11 Relationship between maximum area shrinkage ratio and plasticity index

圖12 最大面積收縮率與標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率之間的關(guān)系Fig.12 Relationship between maximum area shrinkage ratio and standard moisture

5 結(jié)論

本文提出利用最大面積收縮率SCR指標(biāo)對(duì)膨脹土進(jìn)行判別及分類，該方法具有簡(jiǎn)便、可靠、重復(fù)性高、周期短、對(duì)試驗(yàn)環(huán)境無(wú)限制且不需要復(fù)雜儀器的優(yōu)點(diǎn)。通過大量的平行室內(nèi)試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析，研究了試驗(yàn)的影響因素，驗(yàn)證了該指標(biāo)的可行性，可以得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)初始含水率和界面粗糙度對(duì)最大面積收縮率用于膨脹土的判別和分類沒有影響。當(dāng)初始厚度限制在8 mm以內(nèi)時(shí)，可以忽略厚度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。建議試驗(yàn)條件為：初始含水率為1.8倍液限，初始試樣厚度為5 mm，烘干溫度為105 ℃。

2)最大面積收縮率與蒙脫石含量和陽(yáng)離子交換量相關(guān)性良好，線性相關(guān)系數(shù)分別為0.82和0.86，說(shuō)明最大面積收縮率可以反映膨脹土的本質(zhì)屬性。

3)最大面積收縮率與塑性指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率呈良好的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)分別為0.93與0.97，說(shuō)明最大面積收縮率方法具有很強(qiáng)的可靠性。