周葆春,晏鈺哲,陳翔宇,馬全國(guó),單麗霞,易先達(dá),李 穎

(信陽師范大學(xué) 河南省非飽和土與特殊土工程技術(shù)研究中心/建筑與土木工程學(xué)院, 河南 信陽 464000)

0 引言

膨脹土指土中黏粒成分主要由親水性礦物組成,同時(shí)具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的黏性土[1]。由于工程性質(zhì)復(fù)雜多變,膨脹土對(duì)土木、水利、交通領(lǐng)域的各類淺表層工程有特殊的危害作用。膨脹土在世界范圍內(nèi)分布廣泛、致災(zāi)嚴(yán)重。在中國(guó),20多個(gè)省(市、區(qū))有膨脹土分布,3億以上人口生活在膨脹土分布地區(qū),因膨脹土危害而造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大。

膨脹土脹縮性指脫吸濕對(duì)膨脹土體積變形的影響,裂隙性由脫濕收縮(或者說干燥收縮)造成,二者是膨脹土工程病害的主因;亦是膨脹土研究的主要方面,相關(guān)成果非常豐富[2-5]。然而,濕干循環(huán)過程中,脹縮性與裂隙性是同時(shí)發(fā)生且相互影響的,將二者統(tǒng)一起來考察是確有必要的。

為此,本文以壓實(shí)度分別為100%、95%、90%、85%、80%的荊門黃褐色膨脹土為研究對(duì)象,以固結(jié)儀與收縮儀為試驗(yàn)平臺(tái),以室內(nèi)脫濕-浸水飽和的試驗(yàn)方法,開展8次濕干循環(huán)試驗(yàn),試驗(yàn)過程中,測(cè)量試樣體積變化與持水狀態(tài)變化,并連續(xù)攝像以獲得試樣裂隙分布。在此基礎(chǔ)上,探索濕干循環(huán)過程中膨脹土的體積-裂隙-持水變化規(guī)律,探索濕干循環(huán)過程中膨脹土的體積變化與含水率變化是否可逆、裂隙性和脹縮性的互饋機(jī)制等問題。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)用土取自湖北荊門[6-8],呈黃褐色,含鐵錳結(jié)核,其物理化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)、礦物成分測(cè)試結(jié)果見文獻(xiàn)[9-11],重型擊實(shí)試驗(yàn)[8]表明其最優(yōu)含水率為15.5%,最大干密度為1.86 g/cm3。根據(jù)土樣的自由膨脹率、蒙脫石含量、陽離子交換量CEC,按《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[1]判別其膨脹潛勢(shì)為中,即為中膨脹土。

1.2 試樣制備

采用直徑61.8 mm、高度20 mm的壓實(shí)環(huán)刀試樣,制樣控制指標(biāo)見表1。制樣方法參見文獻(xiàn)[12]。針對(duì)每種制樣指標(biāo),均制備2個(gè)試樣進(jìn)行平行測(cè)定。

表1 制樣指標(biāo)Tab. 1 Controlling indices of specimen preparation

1.3 室內(nèi)浸水-脫濕試驗(yàn)

為探索實(shí)際天氣狀況對(duì)膨脹土脹縮性與裂隙性的影響規(guī)律,采用室內(nèi)脫濕至體積不變、浸水飽和至體積不變的脫/吸濕試驗(yàn)方法。將制備完成的試樣室內(nèi)脫濕至體積、質(zhì)量均穩(wěn)定,作為濕干循環(huán)的初始狀態(tài),見圖1,用游標(biāo)卡尺與電子天平測(cè)定各試樣的初始體積、質(zhì)量參數(shù)。然后,將圖1所示的10個(gè)試樣依次置于固結(jié)容器中浸水飽和至體積不變?yōu)橹?試驗(yàn)過程中通過百分表量測(cè)試樣高度變化,飽和過程照片見圖2。

圖1 試樣的初始狀態(tài)Fig. 1 Initial state of the soil specimens

圖2 試樣浸水飽和Fig. 2 Wetting process of the specimens

試驗(yàn)參照無荷載膨脹率試驗(yàn)方法[13],在單杠桿固結(jié)儀上完成,飽和穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為隔6 h百分表讀數(shù)不變,飽和完成后測(cè)試樣質(zhì)量。飽和完成后的試樣高度取浸水前高度與百分表測(cè)得膨脹量之和;飽和完成后試樣直徑取環(huán)刀直徑61.8 mm。

10個(gè)試樣浸水飽和后,參照收縮試驗(yàn)方法[13]將其依次置于收縮儀的多孔板上,在室內(nèi)的溫/濕度條件下脫濕至體積不變?yōu)橹?干縮過程中測(cè)定試樣高度與質(zhì)量變化,收縮過程照片見圖3。

圖3 試樣室內(nèi)脫濕Fig. 3 Drying process of the specimens

脫濕完成后,按前述方法再將試樣置于固結(jié)容器中浸水飽和,浸水飽和后再進(jìn)行脫濕,按此步驟循環(huán)8次。8次濕干循環(huán)結(jié)束后,烘干試樣以獲得干土質(zhì)量。烘干后的試樣見圖4,可見:相對(duì)于初始狀態(tài),試樣高度增大、直徑減小,裂隙充分發(fā)育。

圖4 試樣的最終狀態(tài)Fig. 4 Final state of the soil specimens

整個(gè)試驗(yàn)過程中,采用廣州宏誠(chéng)科技公司生產(chǎn)的HT-8321專業(yè)溫濕度儀測(cè)溫/濕度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)過程中的溫/濕度變化

8次濕干循環(huán)歷時(shí)121 d,平均15.1 d完成1次。試驗(yàn)過程中的溫/濕度變化見圖5,溫度變化范圍15.4～35.8 ℃,相對(duì)濕度變化范圍25.9%～82.4%,平均氣溫26.3 ℃,平均相對(duì)濕度59.7%。將溫/濕度均值代入式(1)所示的Kelvin方程,得到總吸力均值為71 311 kPa。

圖5 濕干循環(huán)過程中的溫/濕度記錄Fig. 5 Temperature and relative humidity record during wetting-drying cycles

(1)

式中:ψt為總吸力,單位kPa;R是通用氣體常數(shù)(8.314 J/(mol·K));T是熱力學(xué)溫度,單位K;νw是水蒸氣的偏摩爾體積(1.8×10-5m3/mol);RH為相對(duì)濕度。

2.2 浸水-脫濕試驗(yàn)結(jié)果

圖4顯示的試樣最終狀態(tài)表明,每種制樣指標(biāo)的2個(gè)平行試樣浸水-脫濕試驗(yàn)結(jié)果接近,限于篇幅,且為便于分析,文中僅給出試樣編號(hào)為2、3、6、8、9的結(jié)果,即歷次飽和完成后與脫濕完成后的膨脹土試樣照片見圖6。

圖6 歷次飽和完成后與脫濕完成后的膨脹土試樣Fig. 6 Expansive soil specimens during wetting-drying cycles

由圖6可見,試樣裂隙面積隨濕干循環(huán)次數(shù)增加而增大,5到6次濕干循環(huán)后,裂隙面積趨于穩(wěn)定。每次脫濕完成后浸水,試樣裂隙愈合;前4次濕干循環(huán),裂隙完全愈合;第5次濕干循環(huán)后,裂隙不能完全愈合,推測(cè)與濕干循環(huán)導(dǎo)致裂隙性加劇有關(guān),亦與浸水-脫濕過程中干土質(zhì)量損失有關(guān)。

2.3 浸水-脫濕試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法與結(jié)果

浸水-脫濕過程中的體積變化常用膨脹率、線縮率表達(dá)[13-14],其缺點(diǎn)在于:①二者均為相對(duì)比值,不便在多次濕干循環(huán)過程中對(duì)比分析;②二者均描述試樣高度變化,而8次濕干循環(huán)結(jié)束后試樣軸向膨脹、側(cè)向收縮(對(duì)比圖1與圖4),即試樣高度變化規(guī)律不能全面表征試樣體變規(guī)律。

因此,采用孔隙比e描述試樣體變,以便對(duì)比分析濕干循環(huán)過程中的體變行為。此外,采用重力含水率w與飽和度Sr描述濕干循環(huán)過程中的持水狀態(tài)變化。e、w、Sr均按定義式確定,方法為:

e=Vv/Vs,根據(jù)干土質(zhì)量(測(cè)量值)與土粒密度可獲干土體積Vs,由總體積V(測(cè)量值)減去Vs可獲孔隙體積Vv。

w=mw/ms,根據(jù)試樣質(zhì)量m(測(cè)量值)與干土質(zhì)量ms(測(cè)量值)可獲水質(zhì)量mw。

Sr=Vw/Vv,取土中水密度為1.0 g/cm3,根據(jù)mw獲得水體積Vw。

數(shù)據(jù)處理過程中幾點(diǎn)做法說明如下:①干土質(zhì)量ms修正。浸水-脫濕過程中均會(huì)發(fā)生ms損失:脫濕完成后將試樣轉(zhuǎn)移到固結(jié)容器過程中ms損失、浸水完成后取出試樣時(shí)少量濕土顆粒附著在濾紙上造成ms損失。試驗(yàn)結(jié)果表明,8次濕干循環(huán)造成10個(gè)試樣ms損失(即Δms)在1.536～2.867 g之間。修正ms做法是:按試樣的Δms/15為步長(zhǎng),依序?qū)Φ?次浸水完成后的15個(gè)浸水-脫濕過程ms進(jìn)行遞減。②以每次脫濕結(jié)束后量測(cè)的體積(直徑與高度)、質(zhì)量作為隨后浸水過程的初始值。③浸水過程中直徑變化由浸水前實(shí)測(cè)值與61.8 mm(浸水完成后的試樣直徑取值)的差值乘以實(shí)測(cè)高度變化系數(shù)(當(dāng)前膨脹量除以總膨脹量)獲得,即假定浸水過程中直徑膨脹率與高度膨脹率相等。④脫濕過程中直徑變化由61.8 mm與脫濕后實(shí)測(cè)值的差值乘以實(shí)測(cè)高度變化系數(shù)(當(dāng)前收縮量除以總收縮量)獲得。即假定脫濕過程中直徑收縮率與高度收縮率相等。

體變方面,依據(jù)上述做法,可獲得浸水-脫濕過程中每一測(cè)點(diǎn)相應(yīng)的試樣體積與干土質(zhì)量,再根據(jù)定義式獲得8次濕干循環(huán)過程中的孔隙比數(shù)據(jù)。

持水方面,浸水過程開始前與結(jié)束后以及整個(gè)脫濕過程中均測(cè)試樣質(zhì)量,但浸水過程中無法量測(cè)試樣質(zhì)量。因此,可獲得浸水過程開始前與結(jié)束后以及整個(gè)脫濕過程中的w與Sr數(shù)據(jù),但無法獲得浸水過程中的w與Sr數(shù)據(jù)。

e、w、Sr數(shù)據(jù)表明,每種制樣指標(biāo)的2個(gè)平行試樣體變與持水狀態(tài)參數(shù)接近,限于篇幅,且為便于分析,文中僅給出試樣編號(hào)為2、3、6、8、9的結(jié)果。表2為8次濕干循環(huán)全過程中浸水-脫濕前/后e、w、Sr數(shù)據(jù)。表2中,相鄰浸水后與脫濕前、脫濕后與浸水前的e、w、Sr值存在微小差別,原因在于考慮了浸水-脫濕過程中的干土質(zhì)量損失。

表2 浸水-脫濕前/后的孔隙比、重力含水率與飽和度Tab. 2 Void ratio, water content and degree of saturation of the soil specimens during soaking-drying cycles

2.4 濕干循環(huán)過程中的體積變化

由表2浸水-脫濕過程中的孔隙比e變化可見:對(duì)于浸水后的e,制樣壓實(shí)度100%試樣,第7次濕干循環(huán)后趨于穩(wěn)定;制樣壓實(shí)度95%與90%試樣,第6次濕干循環(huán)后趨于穩(wěn)定;制樣壓實(shí)度85%試樣,第5次濕干循環(huán)后趨于穩(wěn)定;制樣壓實(shí)度80%試樣,第3次濕干循環(huán)后趨于穩(wěn)定。

對(duì)于脫濕后的e,制樣壓實(shí)度100%試樣,第6次濕干循環(huán)后趨于穩(wěn)定;制樣壓實(shí)度95%試樣,第5次濕干循環(huán)后趨于穩(wěn)定;制樣壓實(shí)度90%、85%、80%試樣,第3次濕干循環(huán)后趨于穩(wěn)定。

以上觀察表明:歷經(jīng)3～7次濕干循環(huán)后,5種制樣壓實(shí)度膨脹土試樣浸水后與脫濕后均會(huì)達(dá)到穩(wěn)定的孔隙比狀態(tài);即歷經(jīng)3～7次濕干循環(huán)后,膨脹土試樣的體積變化基本可逆;制樣壓實(shí)度大的膨脹土試樣達(dá)到體積變化可逆所需的濕干循環(huán)次數(shù)更多。

為探討初始密度(制樣壓實(shí)度)對(duì)濕干循環(huán)過程中體積變化的影響,將5種制樣壓實(shí)度膨脹土試樣第1次浸水前后、第8次浸水前與脫濕后的孔隙比(e)繪制在圖7中。

圖7 第1次與第8次濕干循環(huán)孔隙比對(duì)比Fig. 7 Comparison of void ratio between the 1st and 8th wetting-drying cycles

由圖7可見:第1次浸水前(試樣照片見圖1),試樣的e差別較大,從0.363到0.694,相差0.331;第1次浸水后,e為0.775～1.071,相差0.296。第8次浸水后,e為1.044～1.182,相差0.138,表明8次濕干循環(huán)后,初始密度對(duì)于浸水后體變的影響減弱,5種初始密度下的試樣趨于一致的孔隙比狀態(tài)。第8次脫濕后,e為0.571～0.775,相差0.204,差別較大,推測(cè)與濕干循環(huán)中5種初始密度試樣的裂隙性差別相關(guān)。另一方面,制樣壓實(shí)度95%試樣的e為0.571,低于制樣壓實(shí)度100%(0.644)、90%(0.587)、85%(0.744)、80%(0.775)的試樣,表明制樣壓實(shí)度95%試樣抵御濕干循環(huán)的能力最強(qiáng)。

2.5 濕干循環(huán)過程中的含水率變化

由表2浸水-脫濕過程中的含水率變化可見:對(duì)于浸水后的含水率,制樣壓實(shí)度100%試樣,第7次濕干循環(huán)后趨于穩(wěn)定;制樣壓實(shí)度95%試樣,第6次濕干循環(huán)后趨于穩(wěn)定;制樣壓實(shí)度90%、85%、80%試樣,第3次濕干循環(huán)后趨于穩(wěn)定。對(duì)于脫濕后的含水率,5種制樣壓實(shí)度膨脹土試樣在第4次濕干循環(huán)后即趨于穩(wěn)定。

以上觀察表明:歷經(jīng)3～7次濕干循環(huán)后,5種制樣壓實(shí)度膨脹土試樣浸水后與脫濕后均會(huì)達(dá)到穩(wěn)定的持水狀態(tài);即歷經(jīng)3～ 7次濕干循環(huán)后,膨脹土試樣的含水率變化基本可逆;制樣壓實(shí)度大的膨脹土試樣達(dá)到含水率變化可逆所需的濕干循環(huán)次數(shù)更多。

為探討初始密度(制樣壓實(shí)度)對(duì)濕干循環(huán)過程中含水率變化的影響,將5種制樣壓實(shí)度膨脹土試樣第1次浸水前后、第8次浸水前與脫濕后的含水率繪制在圖8中。

圖8 第1次與第8次濕干循環(huán)含水率對(duì)比Fig. 8 Comparison of water content between the 1st and 8th wetting-drying cycles

由圖8可見:第1次浸水前(試樣照片見圖1),5種試樣含水率從7.2%到8.5%,相差1.3%;表明初始密度對(duì)脫濕后含水率影響不大。

第1次浸水后,試樣含水率為28.6%～36.6%,制樣壓實(shí)度100%的試樣比制樣壓實(shí)度80%的試樣含水率低8.0%,表明初始密度對(duì)浸水后含水率影響顯著。第8次浸水后,試樣含水率為36.3%～40.3%,相差4.0%,表明8次濕干循環(huán)后,初始密度對(duì)于浸水后含水率的影響減弱,5種初始密度下的試樣含水率趨于一致。

第8次脫濕后,試樣含水率為5.6%～6.9%,相差1.3%,差別不大。此外,8次濕干循環(huán)后,脫濕后含水率(5.6%～6.9%)相對(duì)第1次浸水前含水率(7.2%～8.5%)有小幅降低,推測(cè)與濕干循環(huán)導(dǎo)致的試樣開裂相關(guān)。

2.6 濕干循環(huán)過程中的膨脹曲線

將5種制樣壓實(shí)度膨脹土試樣8次浸水過程中的孔隙比-時(shí)間(e-t)關(guān)系(膨脹時(shí)程曲線)繪制在圖9中。采用文獻(xiàn)[15]建議的Logistic 函數(shù)描述膨脹時(shí)程曲線,見式(2):

圖9 濕干循環(huán)過程中的膨脹時(shí)程曲線Fig. 9 Swelling curves during wetting-drying cycles

(2)

式中:ei為浸水前孔隙比;ef為浸水膨脹穩(wěn)定后孔隙比;p為與膨脹曲線反彎點(diǎn)處斜率相關(guān)的土性參數(shù),p越大表明斜率越大,膨脹愈快達(dá)到穩(wěn)定;t0為與反彎點(diǎn)位置相關(guān)的土性參數(shù)(min),t0越大,反彎點(diǎn)位置坐標(biāo)值愈大,膨脹達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間愈長(zhǎng)。由圖9可見,式(2)可以很好再現(xiàn)濕干循環(huán)過程中的膨脹時(shí)程曲線。

此外,由圖9可見:(1)隨濕干循環(huán)的次數(shù)增加,膨脹時(shí)程曲線上移,表明濕干循環(huán)導(dǎo)致孔隙比增大,即試樣體積增大。與2.4節(jié)相互印證的是:制樣壓實(shí)度100%試樣歷經(jīng)7次、制樣壓實(shí)度95%與90%試樣歷經(jīng)6次、制樣壓實(shí)度85%試樣歷經(jīng)5次、制樣壓實(shí)度80%試樣歷經(jīng)3次濕干循環(huán)后,膨脹時(shí)程曲線趨于一致。(2)膨脹穩(wěn)定時(shí)間隨濕干循環(huán)次數(shù)增加而減少,隨初始密度(制樣壓實(shí)度)的降低而減少。

2.7 濕干循環(huán)過程中的收縮曲線

將5種制樣壓實(shí)度膨脹土試樣8次脫濕過程中的孔隙比-含水率(e-w)關(guān)系(收縮曲線)繪制在圖10中?？梢?隨濕干循環(huán)的次數(shù)增加,收縮曲線上移,亦體現(xiàn)濕干循環(huán)導(dǎo)致的試樣體積增大。與2.4節(jié)相互印證的是:制樣壓實(shí)度100%的試樣歷經(jīng)6次、制樣壓實(shí)度95%的試樣歷經(jīng)5次、制樣壓實(shí)度90%、85%、80%的試樣歷經(jīng)3次濕干循環(huán)后,收縮曲線趨于一致。

圖10 濕干循環(huán)過程中的收縮曲線Fig. 10 Shrinkage curves during wetting-drying cycles

2.8 濕干循環(huán)過程中的裂隙演化

采用ImageJ軟件[16]處理圖6中脫濕完成后的照片,得到歷次脫濕完成后膨脹土試樣面積與裂隙面積。處理完成后的裂隙圖像,即濕干循環(huán)下5種制樣壓實(shí)度膨脹土試樣裂隙演化過程見圖11。對(duì)比圖11與圖6,可見采用ImageJ軟件可以很好刻畫濕干循環(huán)過程中膨脹土的裂隙特征。

圖11 濕干循環(huán)下的膨脹土裂隙演化Fig. 11 Crack evolution of expansive soil during wetting-drying cycles

將通過ImageJ軟件獲得的歷次脫濕完成后的試樣面積、裂隙面積與裂隙率繪制在圖12中,可見:對(duì)歷次脫濕完成后的試樣面積而言,其隨濕干循環(huán)次數(shù)增加有一定幅度的上下波動(dòng),但大體呈減小趨勢(shì),5次濕干循環(huán)后試樣面積大體趨于穩(wěn)定。這與前文結(jié)論:歷經(jīng)3～7次濕干循環(huán)后膨脹土試樣體積變化基本可逆,相互印證。

圖12 歷次脫濕完成后的試樣面積、裂隙面積與裂隙率Fig. 12 Surface area, crack area and surface crack ratio after each drying

對(duì)歷次脫濕完成后的裂隙面積而言,第1次濕干循環(huán)結(jié)束后,制樣壓實(shí)度95%、90%試樣裂隙面積最大,隨濕干循環(huán)次數(shù)增加,其裂隙面積先減小、后增大,8次濕干循環(huán)后裂隙面積是5個(gè)制樣壓實(shí)度試樣中最小的2個(gè)。第1次濕干循環(huán)結(jié)束后,制樣壓實(shí)度85%、80%試樣裂隙較少發(fā)育,隨濕干循環(huán)次數(shù)增加,其裂隙面積逐漸增大,8次濕干循環(huán)后裂隙面積最大的有2個(gè)。制樣壓實(shí)度100%試樣第1次與8次濕干循環(huán)后的裂隙面積均為中間值。這表明:隨濕干循環(huán)次數(shù)增加,初始密度(制樣壓實(shí)度)對(duì)裂隙面積影響規(guī)律較為復(fù)雜?？傮w而言,第6次濕干循環(huán)后,裂隙面積趨于穩(wěn)定。

文中裂隙率為裂隙面積除以試樣面積,以百分比表達(dá)。對(duì)歷次脫濕完成后的裂隙率而言,第1次濕干循環(huán)后,裂隙率為1.0%～7.4%; 第8次濕干循環(huán)后,裂隙率為7.1%～10.1%;表明隨濕干循環(huán)次數(shù)的增加,初始密度對(duì)裂隙率影響減弱,5種制樣壓實(shí)度試樣趨于較為一致的裂隙率(7%～10%)。本文建議:7%～10%是歷經(jīng)足夠多次濕干循環(huán)后壓實(shí)中膨脹土裂隙率的參考值。

3 結(jié)論

(1)歷經(jīng)3～7次濕干循環(huán)后,膨脹土試樣的體積變化、含水率變化基本可逆;制樣壓實(shí)度(初始密度)大的膨脹土試樣達(dá)到體積變化可逆、含水率變化可逆所需的濕干循環(huán)次數(shù)更多。

(2)隨濕干循環(huán)次數(shù)增加,膨脹時(shí)程曲線、收縮曲線上移,表明濕干循環(huán)導(dǎo)致試樣體積增大。膨脹穩(wěn)定時(shí)間隨濕干循環(huán)次數(shù)增加而減少,隨制樣壓實(shí)度(初始密度)的降低而減少。

(3)試樣脫濕完成后的裂隙面積隨濕干循環(huán)次數(shù)增加而增大,5到6次濕干循環(huán)后,裂隙面積趨于穩(wěn)定。歷經(jīng)足夠多次濕干循環(huán)后,壓實(shí)中膨脹土裂隙率參考值為7%～10%。

(4)每次脫濕完成后浸水,試樣裂隙愈合;其中,前4次濕干循環(huán),裂隙完全愈合。

致謝感謝中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所特殊土土力學(xué)組提供的土樣。感謝中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所土動(dòng)力學(xué)組董毅研究員在圖像處理方面給予的指導(dǎo)。