干湿循环作用下膨胀土变形特性

　　摘 要：为探究自然界干湿循环作用下膨胀土的膨胀变形特性及其影响机理，以南宁膨胀土为研究对象，分别测定0～4次干湿循环后试样膨胀量与时间的关系曲线，分析了膨胀曲线不同阶段特征及其影响机理，研究了不同干湿循环次数下的土水特征曲线，分析了基质吸力在膨胀变形中的作用。研究发现不论是否经历干湿循环作用，膨胀量与时间的关系曲线(膨胀曲线)都是非线性的;未经历循环的试样的膨胀速率最低，约在230 min后完才成总膨胀量的90%;经历了1～4次循环后，试样均在约100 min就完成膨胀量的90%，之后缓慢达到稳定值;不同循环次数下，膨胀速率随时间增加而逐渐降低，膨胀曲线大致分为快速膨胀、减缓膨胀和缓慢稳定3个阶段，膨胀曲线可用3段直线进行近似拟合;经历1次循环后，试样总膨胀量增加约20%，之后随着循环次数的增加而逐渐减小;在低含水率下(ω<3%)，不同循环试样的基质吸力较为接近，随着含水率增大，基质吸力的差异也增大。非饱和土吸水过程中的水封闭、双开敞、气封闭等3个阶段的三相特征差异，是造成膨胀速率变化的主要原因。经历不同干湿循环次数后，试样破碎化程度和基质吸力的差异，是导致膨胀曲线及总膨胀量差别的重要因素。

　　关键词：膨胀土;干湿循环;膨胀速率;基质吸力

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　　0 引 言

　　膨脹土是一种特殊的非饱和土，在我国广西、云南、四川、内蒙古等20多个地区均有不同范围的分布[1]。因其含有蒙脱石、伊利石等亲水性矿物，表现出明显的吸水膨胀和失水收缩特性，且这种随含水率变化而胀缩变形具有反复性[2]。膨胀土的膨胀特性受到密实度、矿物组成、含水率、结构、裂隙等众多因素的影响。其中，含水率因素受外界环境影响最大。大自然的降雨和蒸发作用导致浅层膨胀土存在干湿循环现象，经历多次干湿循环作用后，土体裂隙发育、颗粒破碎、强度降低，导致膨胀土地基上的各种工程建筑物存在重大安全隐患[3-7]。众多专家学者已对膨胀土及其灾害防治进行近60年的研究，然而由于对干湿变化的敏感性及其结构的复杂性，膨胀土灾害仍时有发生。据相关统计，我国膨胀土地区每年有数百万平方米的建筑物受损，直接经济损失高达数亿元，膨胀土地区对建成构筑物的维护费用也高达数千万[8-9]。吸水膨胀是膨胀土成灾的主要形式之一，造成破坏也最严重[10-11]。因为对含水率变化敏感的特性，膨胀土灾害属于具有显著的突发性的地质灾害[12-13]。

　　随着全球范围内工程建设的全面展开，膨胀土的研究也取得许多新进展。主流研究认为，干湿循环作用对膨胀土来说是弊大于利的，贯入阻力、弹性模量、抗剪强度等各项指标会因干湿循环而出现不同程度的衰减[14-18]。Nicolai David Jablonowski等研究发现，干湿循环作用可促进无机物在土壤中富集，形成具有一定粘结力的胶结物，胶结物的扩容作用会提高膨胀率。经历不同循环次数，富集程度是不同的，其膨脹特性也存在显著差异[19]。Sai K.Vanapall等学者注意到，由于应力状态变化和软化特性，膨胀土的变形很难用当前的一般非饱和土模型进行推算[20]。膨胀率的测试和预测的方法较多，通过初始含水率、塑性指数、初始干密度等简单指标可对膨胀能力进行简单的预测[21-23]。矿物成分、基质吸力、PH值等因素与膨胀性能有良好的线性关系，也可以对膨胀率的大小进行预估[24]。膨胀率常用于表征土体膨胀量的大小，膨胀量与时间的关系往往不是线性的，膨胀的不同阶段都有各自特殊性，而干湿循环作用下不同膨胀阶段的特征及其影响机理尚不明了。

　　结合前人研究成果，以膨胀土为研究对象，研究不同干湿循环次数下重塑膨胀土吸水膨胀变形能力，探究膨胀过程不同阶段的膨胀特性及其影响机理，从过程角度初步揭示干湿循环对膨胀特性的影响。

　　1 试验方案设计

　　1.1 试验用土基本物性

　　试验所用膨胀土取自广西南宁市西南部地表以下2～4 m之间，为灰白色弱膨胀土，其主要物性参数见表1.根据相关规程[25]可知，该土为弱膨胀土。

　　1.2 试样制取

　　为保证试样均匀性，采取静压制样方式。取过2 mm筛的烘干土，分层喷水配制含水率约为12.0%的湿土，密封保存48 h以上使水分均匀后用烘干法测定含水率。按相同干密度1.7 g/cm3，采用千斤顶静压制样，试样直径为61.8 mm，高度为20.0 mm.密度差小于0.2 g/cm3的3个试样为一组，取3个试样变形读数平均值作为该时刻竖向膨胀量。

　　1.3 膨胀试验

　　试验利用固结仪完成，为防止试样膨胀时超出环刀限制范围，试验中环刀直径为61.8 mm，高度为25.0 mm.参照公路土工试验规程(JTG E40—2007)[26]的要求安装好试样，试样竖向不施加荷载。记录百分表初读数，加蒸馏水至稍稍没过试样下底面。试验开始20 min内每隔5 min记录一次百分表读数，开始2 h内每10 min记录一次百分表读数，之后根据试样膨胀速率调整读数时间。当间隔2 h时，2次读数之差小于0.01 mm时，可认为试样膨胀变形达到稳定。拆除百分表，将试样置于40 ℃的烘箱内烘干至恒重，测量干试样高度，如此完成一次干湿循环过程。试样后续膨胀测量及干湿循环过程与第一次操作相同。

　　2 试验结果及分析

　　2.1 不同循环次数下膨胀曲线

　　以试样吸水时间为横坐标，以试样竖向累计变形量(膨胀量)为纵坐标，对比分析0～4次干湿循环下试样膨胀特性曲线(图1)。

　　2.2 曲线总体走势

　　试样横向受到环刀的固定约束，只能发生竖向膨胀，竖向累计变形也即是膨胀量。不同干湿循环次数下，试样吸水膨胀趋势相同，随吸水时间增加试样先迅速膨胀，之后膨胀速率减慢，最后膨胀达到稳定。第0次循环时，试样膨胀速率最低，约在230 min后完才成膨胀量的90%.而第1～第4次循环后，试样均在约100 min后就完成膨胀量的90%，之后缓慢达到变形稳定。0次循环试样的吸水过程中，试样初始状态为静压低含水率试样，孔隙大小和分布都较为均匀，水分从试样底部通过毛细作用上升的速度较为均匀且缓慢。待较大孔隙充满水并实现一定膨胀后，水分才能进入颗粒之间的细小孔隙，完成后续约10%的膨胀量。

　　完成第1次干湿循环过程后，试样经历了脱水过程。脱水时毛细管内水分与试样的浸润角要小于吸水过程的浸润角[27]，从而使试样土粒间距减小，孔隙收缩变小。水分在孔隙内进出流动，使得部分粘粒随之迁移并在孔径缩小位置停留形成孔喉。当试样再次吸水时，细小孔径具有更大的吸力，水分迅速沿细孔上升，使试样在不到2 h内就完成超过90%的膨胀量。孔喉对水分进入存在一定阻挡作用，其内部的孔隙吸水膨胀过程存在一定滞后现象。

　　各次干湿循环下，膨胀量与时间关系曲线(膨胀曲线)无法用1条曲线进行拟合。以3次干湿循环后吸水膨胀数据为例，根据不同时段试样吸水特性采用3段直线近似拟合。

　　如图2所示，各膨胀阶段均可用直线拟合，不同阶段拟合直线的斜率不同。用分段拟合符合性较好，相关系数都大于0.9.根据拟合关系式，由不同时间点推算第3次循环后吸水膨胀过程中不同阶段膨胀量，并与实测膨胀量进行误差分析由图3可知，分为3段进行拟合的膨胀数据与实测数据符合良好，其最大误差约为0.1 mm.不同干湿循环次数下，试样吸水膨胀量随时间的变化膨胀曲线用3段直线进行拟合较为合理。

　　2.3 各阶段膨胀速率

　　试样在各个时间段的膨胀速率存在较大差异，0～30 min快速膨胀阶段，30～90 min减缓膨胀阶段，90 min之后缓慢稳定阶段。将不同干湿循环次数下3阶段膨胀速率曲线列于图3中，横坐标为膨胀阶段，纵坐标为对应图2中各膨胀阶段拟合直线的斜率。

　　从图3可以看出，第1阶段于第2，3阶段的膨胀速率差距较大，第二、三2个阶段膨胀速率较为接近。对于未经历干湿循环的试样(第0次循环)，膨胀速率随时间增加而逐渐降低，但其各个阶段膨胀速率差距不大。经历干湿循环的试样(第1～4次循环)，各阶段膨胀速率相差较大;第1阶段膨胀速率最大，约为第2阶段膨胀速率的4倍。经历干湿循环试样膨胀速率与吸水阶段之间可近似用对数回归方程来表示，本试验中，k为膨胀速率，x为吸水阶段(取值1，2，3)。

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