馬英潔 張凌凱 張 浩

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052；2.新疆水利工程安全與水災(zāi)害防治重點實驗室，新疆烏魯木齊 830052）

0 引言

膨脹土是一種對環(huán)境濕熱變化十分敏感的高塑性黏土，主要的礦物成分包括蒙脫石等強吸水性黏土礦物，具有強烈的吸水膨脹特性。在膨脹土分布地區(qū)，降水等因素會引起膨脹土膨脹，膨脹變形會導(dǎo)致膨脹土邊坡破壞，工程災(zāi)害頻發(fā)，如膨脹土渠坡失穩(wěn)、膨脹土建筑地基因吸水膨脹而發(fā)生破壞等危害[1-2]，因此對膨脹土脹縮特性的研究十分重要。

針對膨脹土的膨脹特性，眾多國內(nèi)外學(xué)者從不同角度進行了探究。吳珺華等[3]、舒志樂等[4]、肖宏彬等[5]對膨脹土進行干濕循環(huán)條件下無荷膨脹與收縮試驗，試驗結(jié)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。段尚磊等[6]研究了膨脹土脹縮機理、微觀機理及基質(zhì)吸力在膨脹變形中的作用，測定多次干濕循環(huán)后試樣膨脹量與時間的關(guān)系曲線，分析吸水膨脹曲線不同階段膨脹特征，發(fā)現(xiàn)試樣破損程度是導(dǎo)致膨脹曲線變化的重要原因。劉靜德等[7]對強膨脹巖重塑樣進行了膨脹率試驗，發(fā)現(xiàn)膨脹巖體吸水膨脹量與其干密度、含水率有關(guān)，并推導(dǎo)膨脹力經(jīng)驗公式。武 科等[8]對干濕循環(huán)作用下脹縮變形特性開展研究，在微觀層面解釋膨脹土吸水膨脹、失水收縮的微觀機理，探討了不同壓力及含水率條件下膨脹土膨脹率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系。劉祖強等[9]揭示渠頂膨脹土在干濕循環(huán)作用下膨脹變形和位移變形特征，為渠坡穩(wěn)定性評價及處理方案提供依據(jù)。葉萬軍等[10-11]通過室內(nèi)干濕循環(huán)試驗，研究不同干濕循環(huán)條件下脫濕過程中膨脹土的開裂、收縮特性，并以微觀角度從礦物成分等方面對不同條件下土體的細微觀特征及力學(xué)特性進行了系統(tǒng)研究。唐朝生等[12-13]對膨脹土脹縮特性進行兩組干濕循環(huán)試驗，發(fā)現(xiàn)脹縮特征受干縮路徑的影響明顯，從宏微觀角度解釋其變化機制，建立土體龜裂的理論體系。Koteswaraarao 等[14]、張沛然等[15]、侯曉亮等[16]研究了微觀指標(biāo)、控制吸力與壓實度等因素對膨脹土壓縮指標(biāo)的影響。高可可等[17]基于ArsGIS 軟件分析浸水條件下土體微觀圖片，定量分析不同時間條件下膨脹土微觀結(jié)構(gòu)變化。

目前對干濕循環(huán)條件下膨脹土膨脹特性及微觀機理的研究較少，鑒于此，本文通過對北疆供水一期工程膨脹土進行干濕循環(huán)條件下的無荷膨脹率、有荷膨脹率及電鏡掃描試驗，對膨脹率在干濕循環(huán)條件下不同隨循環(huán)次數(shù)及不同壓力條件下的變化規(guī)律進行研究，為膨脹土渠坡穩(wěn)定性評價與維護提供一定的理論基礎(chǔ)和試驗基礎(chǔ)。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗材料

試驗材料為北疆供水一期工程總干渠某挖方段的黃色泥巖，具有強膨脹性。依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 50123-2019）[18]對試驗材料進行基本物理性質(zhì)試驗及X 射線衍射試驗，物理性質(zhì)見表1，礦物成分見表2。

表1 膨脹土基本物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 膨脹土基本礦物組成

1.2 試驗方案

1.2.1 試樣制備

將原狀膨脹土進行重復(fù)碾壓，過2 mm 土工篩，放入105℃烘箱中烘干24 h，通過噴水法向膨脹土土樣中加水，攪拌放入密封墊靜止48 h，以最優(yōu)含水率18.9%、天然干密度1.60 g/cm3為制樣標(biāo)準(zhǔn)，通過輕型擊實法制備高20 mm、直徑61.8 mm 的重塑環(huán)刀樣（見圖1）。

圖1 膨脹土環(huán)刀試樣

1.2.2 干濕循環(huán)方案

干濕循環(huán)中包括濕潤及干燥兩個步驟，其中濕潤階段采用抽氣飽和法模擬濕潤階段（抽氣2 h，浸泡10 h），達到最大含水率（約27%），干燥階段將飽和膨脹土試樣在烘箱中干燥12 h（干燥溫度為40℃），通過稱重法控制膨脹土試樣含水率，約烘干至天然含水率14.8%（見圖2）。

1.3 試驗方法

1.3.1 無荷膨脹率試驗

采用固結(jié)儀（見圖3（a）），對進行1、3、5、7、9 次干濕循環(huán)后的膨脹土試樣進行無荷膨脹率試驗，向固結(jié)儀中注水，超過試樣上端透水石5 mm，記錄5 min、10 min、20 min、30 min、1 h、2 h、3 h、6 h、12 h、24 h百分表度數(shù)。

圖3 試驗儀器

1.3.2 有荷膨脹率試驗

采用WG-3A 單杠桿固結(jié)儀（見圖3（b）），對進行1、3、5、7、9 次干濕循環(huán)后的膨脹土試樣進行有荷膨脹率試驗，上覆荷載為25 kPa、50 kPa、75 kPa、100 kPa，記錄各級荷載下5 min、10 min、20 min、30 min、1 h、2 h、3 h、6 h、12 h、24 h 百分表度數(shù)。

1.3.3 SEM 掃描電鏡試驗

對干濕循環(huán)0、1、3、5、7、9 次的膨脹土試樣進行SEM 電鏡掃描試驗，將膨脹土試樣放置烘箱（105℃）進行完全烘干處理，置于離子濺射儀進行噴金處理，分別放大250、1000、2000、4000、8000 和10000 倍觀察土體微觀結(jié)構(gòu)，經(jīng)比較，選取10000 倍微觀掃描圖片定性分析干濕循環(huán)作用下膨脹土試樣微觀結(jié)構(gòu)變化。利用Image-J 軟件對放大10000 倍的微觀圖像進行處理（見圖4），定量分析在干濕循環(huán)作用下土顆粒及顆粒間孔隙的變化機制。

圖4 膨脹土微觀圖片處理

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 無荷膨脹率試驗

圖5 為不同干濕循環(huán)次數(shù)下膨脹土無荷膨脹率曲線?？芍孩倥蛎浲猎谠囼炃捌冢s200 min 之前），無荷膨脹率隨時間增加而增加，膨脹速率較大，試驗中期（約200～600 min），無荷膨脹率隨時間增加而略微增長，膨脹速率較小，試驗后期，膨脹率較為穩(wěn)定；②隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，無荷膨脹率逐漸減小，同時膨脹率穩(wěn)定時間會逐漸提前，在5 次循環(huán)之后，逐漸在400 min 時趨于穩(wěn)定，無荷膨脹率約為2%。

圖5 不同干濕循環(huán)次數(shù)下膨脹土無荷膨脹率曲線

分析原因可知，試驗所用膨脹土中含有較多黏土礦物，黏土礦物吸水能力決定膨脹土的膨脹能力，試驗初期，水分子通過膨脹土微裂隙進入土體內(nèi)部，與親水性黏土礦物結(jié)合產(chǎn)生膨脹，變化較為強烈，試驗后期膨脹土試樣趨于飽和，無荷膨脹率逐漸趨于穩(wěn)定；膨脹土經(jīng)過干濕循環(huán)，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，水分子溶解黏土顆粒之間的連接物質(zhì)，黏土礦物聚集體分解，膨脹土試樣膨脹導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸破壞，產(chǎn)生大量微小裂隙，吸水能力減弱，導(dǎo)致膨脹土無荷膨脹率呈逐漸減小的趨勢。干濕循環(huán)后期，微觀結(jié)構(gòu)逐漸穩(wěn)定，無荷膨脹率趨于穩(wěn)定。

2.2 有荷膨脹率試驗

圖6 為不同干濕循環(huán)次數(shù)下膨脹土有荷膨脹率曲線。可知：①有荷膨脹率試驗前期，膨脹速率較大，有荷膨脹率隨著時間的增加而快速增加，試驗后期膨脹速率逐漸趨于零，有荷膨脹率逐漸趨于穩(wěn)定；②隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，有荷膨脹率逐漸減小，第5次干濕循環(huán)后，低壓力條件下有荷膨脹率變化較小，高壓力條件下有荷膨脹率幾乎不再變化；③隨著上覆荷載的增加，同一循環(huán)次數(shù)下有荷膨脹率逐漸減小。

圖6 不同干濕循環(huán)次數(shù)下膨脹土有荷膨脹率曲線

圖7 為1 次干濕循環(huán)條件下無荷膨脹率與有荷膨脹率曲線。可知當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)相同時，無荷膨脹率大于有荷膨脹率，且隨著荷載的增加有荷膨脹率逐漸減小。

圖7 1 次干濕循環(huán)條件下膨脹土無荷膨脹率與有荷膨脹率曲線

分析原因可知，施加上覆荷載相當(dāng)于試樣上方施加了一個力，隨著荷載的增加膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)會變得更加的緊密，從而減小了土顆粒之間的間隙，導(dǎo)致水分難以進入，因此會限制土的膨脹程度，所以隨著荷載的增加膨脹率逐漸減小。荷載越大，膨脹土試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)越緊實，試樣中水含量就越少，有荷膨脹率越小。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，破壞土體微觀結(jié)構(gòu)，有荷膨脹率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小。

2.3 膨脹率變化的微觀機理

圖8 為不同干濕循環(huán)次數(shù)下膨脹土放大10000倍的圖像。根據(jù)圖8 的微觀圖片可以看出，在無干濕循環(huán)作用時土體微觀結(jié)構(gòu)較為密實且無明顯裂隙，土體多以聚集體形式存在，土顆粒接觸形式以“面-面”、“面-邊”為主；膨脹土試樣經(jīng)過干濕循環(huán)后，原本密實結(jié)構(gòu)被破壞，土體孔隙和結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，較大土顆粒聚集體逐漸分散，土體裂隙逐漸增多，孔隙由開始的小孔隙逐漸發(fā)展為中、大孔隙，整體性遭到破壞，顆粒與顆粒之間的連接力遭到破壞，顆粒破碎，土顆粒接觸形式由以“面-面”、“面-邊”為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐浴斑?邊”、“點-邊”為主的形式。

圖8 不同干濕循環(huán)次數(shù)下膨脹土放大10000 倍的圖像

通過Image-J 軟件對10000 倍不同循環(huán)次數(shù)SEM 圖像進行微觀信息處理（見表3）。可知隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，顆?？倲?shù)逐漸增多，顆?？偯娣e及顆粒平均尺寸等微觀指標(biāo)均呈不同程度的下降趨勢。第5 次干濕循環(huán)后，各微觀指標(biāo)逐漸趨于穩(wěn)定。

表3 顆粒參數(shù)

分析原因可知，膨脹土吸水膨脹的過程就是黏土礦物吸水膨脹的過程，經(jīng)過干濕循環(huán)后，土體中的水分隨干濕循環(huán)來回遷徙，顆粒破碎，水分夾帶走部分體積較小黏土顆粒，使得孔隙不斷增大，黏土礦物粒徑逐漸較小，土顆粒面積逐漸減小，吸水能力減弱，膨脹性減??；循環(huán)次數(shù)達到5 次時，微觀指標(biāo)變化基本不在發(fā)生變化，宏觀表現(xiàn)為膨脹率幾乎不再發(fā)生變化。有荷膨脹率試驗中，上覆荷載越大，膨脹土膨脹時內(nèi)部消耗膨脹勢越多，宏觀表現(xiàn)為膨脹率高度減小。

3 結(jié)論

（1）在試驗前期（約200 min 之前），無荷膨脹率增幅明顯，隨著時間的增加，無荷膨脹率增幅緩慢，最終趨于穩(wěn)定值；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，無荷膨脹率逐漸減小，在第5 次循環(huán)后趨于穩(wěn)定。

（2）膨脹土有荷膨脹率隨時間的增加而逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定值，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，有荷膨脹率逐漸減小，在第5 次循環(huán)后逐漸趨于穩(wěn)定；上覆荷載對有荷膨脹率存在抑制作用，即有荷膨脹率隨上覆荷載增加逐漸減小。

（3）掃描電鏡顯示，未經(jīng)過干濕循環(huán)的膨脹土試樣微觀結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。經(jīng)過干濕循環(huán)后，膨脹土微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，顆粒逐漸破碎，顆?？倲?shù)逐漸增多，顆粒總面積等微觀指標(biāo)逐漸減小，出現(xiàn)較多微小裂隙，黏土顆粒的粒徑由大變小，膨脹土吸水膨脹能力逐漸減弱。