周家鑫， 閆子壯， 汪正楷， 李育超，

（1.浙江大學(xué)巖土工程研究所，杭州 310058；2.浙江大學(xué)超重力研究中心，杭州 310058；3.浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310028）

0 引言

土-膨潤(rùn)土垂直阻隔墻具有滲透性低、變形適應(yīng)性強(qiáng)、吸附性高等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)地下污染風(fēng)險(xiǎn)管控工程中應(yīng)用廣泛［1］。在服役過(guò)程中的溫度、濕度、水力等條件作用下，土-膨潤(rùn)土?xí)a(chǎn)生工程特性劣化。其中，地下水水位升降引起的干濕循環(huán)對(duì)淺部土-膨潤(rùn)土阻隔墻體的劣化作用近年逐漸受到關(guān)注，美國(guó)國(guó)家研究委評(píng)估報(bào)告指出，地下水位以上墻體干化是影響土-膨潤(rùn)土阻隔墻中長(zhǎng)期性能的關(guān)鍵因素之一［2］。

干濕循環(huán)對(duì)土-膨潤(rùn)土垂直阻隔墻防滲性的劣化作用十分顯著。Evans 等［3］從現(xiàn)場(chǎng)地下水位以上與以下分別獲取了土-膨潤(rùn)土樣，測(cè)試表明前者滲透系數(shù)比后者大5 個(gè)數(shù)量級(jí)；Malusis 等［4］在改進(jìn)壓力板儀中控制基質(zhì)吸力干化與加水濕化來(lái)模擬干濕循環(huán)，發(fā)現(xiàn)砂土-膨潤(rùn)土在基質(zhì)吸力50kPa和大于150kPa兩種情況下經(jīng)過(guò)2 次以上干濕循環(huán)滲透系數(shù)分別增大了5～300 倍和500～10000 倍。另一方面，干濕循環(huán)會(huì)改變土-膨潤(rùn)土的抗剪強(qiáng)度、變形等土工特性。土-膨潤(rùn)土在失水干化過(guò)程中會(huì)硬化變脆，在地基不均勻側(cè)向變形情況下易產(chǎn)生開裂，形成滲流優(yōu)勢(shì)流通道，導(dǎo)致阻隔性能顯著降低甚至完全失效。然而，目前國(guó)內(nèi)外未見關(guān)于干濕循環(huán)對(duì)土-膨潤(rùn)土變形和強(qiáng)度特性影響的研究。

文中研究干化過(guò)程中砂土-膨潤(rùn)土、粉土-膨潤(rùn)土的剪切波速（vs）、小應(yīng)變剪切模量（G0）、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（Suc）的變化，探究含水量、母土種類、制樣固結(jié)壓力對(duì)vs和Suc的影響規(guī)律，并結(jié)合掃描電鏡測(cè)試分析上述測(cè)試結(jié)果的機(jī)理，為土-膨潤(rùn)土垂直阻隔墻物理劣化評(píng)價(jià)提供土工特性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

土-膨潤(rùn)土試樣由美國(guó)懷俄明膨潤(rùn)土、母土和去離子水配制而成，其中母土有細(xì)砂與粉土兩種，分別來(lái)源于福建與杭州，所有土均烘干后使用。

美國(guó)懷俄明膨潤(rùn)土礦物組成質(zhì)量占比為蒙脫石71.4%、中長(zhǎng)石12.7%、石英12.3%、伊利石3.6%，顆粒比重為2.55，液限和塑限分別為340.6%和32.4%，塑性指數(shù)為308.2，比表面積為52.31m2/g，膨脹指數(shù)為36.2mL/2g，陽(yáng)離子交換量見表1。

表1 膨潤(rùn)土的陽(yáng)離子交換量

細(xì)砂與粉土的顆粒級(jí)配見圖1。細(xì)砂是石英砂，粒徑分布的主要范圍是0.1～0.25mm，占比高達(dá)99.86%，不均勻系數(shù)Cu=1.645＜5，曲率系數(shù)Cc=0.939＜1，屬于級(jí)配不良細(xì)砂，顆粒比重為2.63。粉土是以細(xì)粒中粉粒為主的天然粉土，顆粒比重為2.68，液限和塑限分別為27.2%和17.9%，塑性指數(shù)為9.3，屬于低液限粉土。細(xì)砂和粉土的滲透系數(shù)分別為2.1×10-5m/s和2.0×10-8m/s，需通過(guò)添加膨潤(rùn)土滿足垂直阻隔墻回填料滲透系數(shù)的要求（k＜1×10-9m/s）。

圖1 母土顆粒級(jí)配累積曲線

1.2 試樣制備

制備5%膨潤(rùn)土摻量的土-膨潤(rùn)土試樣，包括砂土-膨潤(rùn)土與粉土-膨潤(rùn)土（后文分別稱為“SB”與“FB”），其制備方法如下：

（1） 采用高速攪拌器將5%質(zhì)量的膨潤(rùn)土與95%質(zhì)量的去離子水?dāng)嚢枧渲瞥膳驖?rùn)土泥漿，水化24h后使用。

（2） 用土工刀將干摻膨潤(rùn)土和干母土攪拌振搗均勻，然后加入膨潤(rùn)土泥漿，采用攪拌器攪拌制成土-膨潤(rùn)土材料。

（3） 采用柔性壁滲透儀制備土-膨潤(rùn)土試樣。將制備的土-膨潤(rùn)土填入套筒支撐的乳膠膜時(shí)，不斷用玻璃棒輕微振搗以排出氣泡，根據(jù)垂直阻隔墻現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力水平［5］取3 種固結(jié)壓力，分別為25、50kPa 及75kPa。制得直徑為70mm、高度80mm的圓柱形土-膨潤(rùn)土試樣，測(cè)得滲透系數(shù)滿足垂直阻隔墻回填料滲透系數(shù)要求。

1.3 試驗(yàn)方法

測(cè)量土-膨潤(rùn)土試樣的初始尺寸、質(zhì)量后，將試樣置于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境（溫度為23±2℃，相對(duì)濕度為60±5%）中自然風(fēng)干，采用數(shù)字式天平與彎曲元分別實(shí)時(shí)測(cè)試試樣含水量和剪切波速變化，選取一定含水量的試樣測(cè)試無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

1.3.1 剪切波速測(cè)試方法

土體的剪切波速可表征土體的動(dòng)力特性，并可反映土體的結(jié)構(gòu)特性［6-11］。文中采用彎曲元測(cè)試裝置見圖2，彎曲元凸出長(zhǎng)度為10mm，測(cè)試時(shí)彎曲元凸出部分插入試樣兩端，分別作為激發(fā)端和接收端。剪切波由激發(fā)端彎曲元激發(fā)，隨后在土-膨潤(rùn)土試樣中傳播，最后由接收端彎曲元接收。試樣的剪切波速vs由下式計(jì)算：

圖2 彎曲元測(cè)試裝置照片

式中，L為剪切波傳播行程，即激發(fā)與接收彎曲元端部之間的距離，mm；Δt為剪切波在土體中的傳播時(shí)間，即激發(fā)和接收信號(hào)的時(shí)間差，由輸出信號(hào)的第一個(gè)到達(dá)波確定，ms。由剪切波速vs按式（2）獲得試樣的小應(yīng)變剪切模量G0［12］：

式中，ρ為試樣密度，g·cm-3。

1.3.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試方法

采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（儀器型號(hào)為WDW-50）測(cè)定土-膨潤(rùn)土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度［13，14］，加載過(guò)程中應(yīng)變速率恒定為1.25/min（即位移速率約為1mm/min）。根據(jù)記錄的軸向荷載及位移變形，按下式計(jì)算無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Suc：

式中，P 是試樣軸向破壞荷載，kN；A 為試樣校正截面積，mm2；A0為試樣初始截面積，mm2；ε 為試驗(yàn)破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變。值得說(shuō)明的是，經(jīng)固結(jié)制樣的土-膨潤(rùn)土試樣初始含水量較高，此時(shí)試樣較軟，無(wú)法測(cè)定其Suc。待含水量降低至25%左右后，試樣有所變硬，才可測(cè)定Suc。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 剪切波速與剪切模量測(cè)試結(jié)果

土-膨潤(rùn)土試樣干化過(guò)程中剪切波速隨含水量的變化關(guān)系測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 干化過(guò)程中土-膨潤(rùn)土剪切波速與含水量關(guān)系曲線

2.1.1 含水量的影響

土-膨潤(rùn)土試樣剪切波速總體隨著含水量降低而增大，整個(gè)過(guò)程可分成三個(gè)階段見圖3 所示。含水量30%降至25%段，初始時(shí)土-膨潤(rùn)土試樣較軟，無(wú)法測(cè)得清晰的接收波形，隨后剪切波速隨含水量減小而快速增大；含水量25%降至5%段，隨著含水量變小剪切波速接近線性緩慢增大；含水量5%降至0%段，剪切波速隨含水量變小再次快速增大，直至穩(wěn)定在干燥狀態(tài)的最大值。

兩種土-膨潤(rùn)土在干化過(guò)程中的剪切波速均不大于500m/s，根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》不屬于堅(jiān)硬場(chǎng)地土。SB含水量大于12.5%及FB 含水量大于22%時(shí)，剪切波速小于140m/s，屬于軟弱場(chǎng)地土；SB含水量小于12.5%及FB含水量介于3～22%時(shí)，剪切波速處于140～250m/s，屬于中軟場(chǎng)地土；FB含水量小于3%時(shí)，剪切波速在250～360m/s，屬于中硬場(chǎng)地土。

2.1.2 母土種類與制樣固結(jié)壓力的影響

含水量大于28%時(shí)，SB 與FB 的剪切波速均較小（＜100m/s）且兩者相差不大；含水量小于28%且大于5%時(shí)，相同含水量的SB 剪切波速均小于FB，相差約30m/s；含水量小于5%時(shí)，相同含水量的FB 剪切波速高于SB的程度有所增大，當(dāng)干化達(dá)到含水量穩(wěn)定后，F(xiàn)B的剪切波速比SB大100m/s左右。

對(duì)于同一母土的試樣，固結(jié)壓力大制得的試樣相對(duì)較密實(shí)，因此剪切波速較大，但是固結(jié)壓力總體對(duì)試樣剪切波速影響不大。試樣制備時(shí)固結(jié)壓力有所不同，但是干化過(guò)程及剪切波速測(cè)試過(guò)程中，試樣處于未約束狀態(tài)，該狀態(tài)可能對(duì)剪切波速的測(cè)試規(guī)律有一定影響。

2.1.3 小應(yīng)變剪切模量

采用式（2）求得土-膨潤(rùn)土小應(yīng)變剪切模量G0隨含水量的變化如圖4所示，其變化規(guī)律與剪切波速-含水量變化規(guī)律相似。值得說(shuō)明的是，土-膨潤(rùn)土試樣在風(fēng)干過(guò)程中質(zhì)量損失明顯（即含水量減?。?，因此試樣密度有顯著變化。但干化過(guò)程中試樣體積變化較?。ㄔ囼?yàn)過(guò)程未精確測(cè)定試樣體積變化），在此假定干化過(guò)程中試樣體積不變來(lái)計(jì)算試樣的密度。文中獲得的剪切模量與含水量的變化關(guān)系，與Khosravi［15］測(cè)試的淤泥和黏土剪切模量與飽和度的變化關(guān)系以及Dong 等［16］測(cè)試的土剪切模量與體積含水量的變化關(guān)系相似。另外，在干燥狀態(tài)下測(cè)得SB 和FB 的剪切模量分別達(dá)到約80MPa 和180MPa，其中FB 的剪切模量與Dong 所測(cè)試12 種不同的土體中的3 種淤泥質(zhì)土及3種膨脹性土接近。

圖4 干化過(guò)程中土-膨潤(rùn)土小應(yīng)變剪切模量隨含水量變化曲線

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

SB和FB在不同含水量下的Suc測(cè)試結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

圖5 干化過(guò)程中砂土-膨潤(rùn)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水量關(guān)系

圖6 干化過(guò)程中粉土-膨潤(rùn)土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水量關(guān)系

2.2.1 含水量的影響

由圖5、圖6 可見，土-膨潤(rùn)土Suc總體隨含水量降低而增大。當(dāng)含水量大于10%時(shí)，土-膨潤(rùn)土Suc隨含水量的變化程度較小，SB 和FB 的Suc分別保持在50kPa 和150kPa 以下。當(dāng)含水量降低至10%以下時(shí)，土-膨潤(rùn)土Suc隨含水量減小而顯著增大。含水量接近0%時(shí)，SB 的Suc達(dá)到約500～600kPa，比含水量10%時(shí)增大了450kPa 以上；含水量為3%左右時(shí)，F(xiàn)B 的Suc即達(dá)到600kPa，比10%含水量時(shí)增大了約450kPa。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含水量還影響無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)土-膨潤(rùn)土的破壞模式。圖7（a）與圖7（b）分別為試樣在高含水量（約20%）與低含水量（約5%）情況下的破壞照片。含水量較高的試樣受壓時(shí)軸向變形明顯，土樣破壞時(shí)發(fā)生塑流現(xiàn)象，試樣受壓向外側(cè)鼓起，出現(xiàn)數(shù)量多而延伸度不大的破裂細(xì)縫，呈塑性鼓脹破壞［17］，破壞應(yīng)變一般達(dá)到15%以上。含水量較低的試樣受壓時(shí)軸向變形較小，壓力較小時(shí)側(cè)面表皮產(chǎn)生微裂縫，然后裂縫延垂直方向逐漸擴(kuò)大，部分土樣會(huì)出現(xiàn)土塊脫落現(xiàn)象，達(dá)到破壞荷載后裂縫會(huì)繼續(xù)發(fā)展直至貫穿試樣高度方向，卸壓后發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)部有傾斜的斷裂面，呈脆性剪切破壞，破壞應(yīng)變一般為2%～3%。

圖7 土-膨潤(rùn)土試樣破壞時(shí)照片

2.2.2 母土種類與制樣固結(jié)壓力的影響

比較圖5、圖6 可見，相同固結(jié)壓力制備的土-膨潤(rùn)土試樣，含水量接近時(shí)FB 的Suc總體高于SB。高含水量時(shí)FB略高于SB；隨著含水量減小，兩者差距逐漸變大，直至相差超過(guò)200kPa。例如，50kPa固結(jié)壓力的試樣，F(xiàn)B 試樣在含水量為23.5%時(shí)的Suc比SB 試樣在含水量為26.0%時(shí)的Suc大39kPa；25kPa 固結(jié)壓力試樣，在含水量5%左右時(shí)，F(xiàn)B試樣的Suc比SB大160kPa。另外，由圖5、圖6可見，制壓固結(jié)壓力越大，相同含水量的土-膨潤(rùn)土Suc越大，但總體差別不顯著。

3 討論分析

SB是95%砂土、5%膨潤(rùn)土及水的混合材料，細(xì)顆粒的膨潤(rùn)土雖然含量較低，但充分吸水后會(huì)形成水化膠體，減弱了砂土顆粒間摩擦作用，從而在高含水量條件下SB強(qiáng)度較低、具有高塑性。干化過(guò)程中，膨潤(rùn)土水化膠體逐漸失去水分，附著在砂土顆粒表面，并在砂土顆粒間形成膠結(jié)作用。仍可保持圓柱形形態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)純砂土在干燥條件下因顆粒間無(wú)粘性而分散、無(wú)法成型的現(xiàn)象；同時(shí)，在低含水量條件下SB 的抗剪強(qiáng)度大小也可能由膨潤(rùn)土的膠結(jié)作用決定。

組成FB 的粉土和膨潤(rùn)土均為細(xì)粒，兩者混合程度高且較密實(shí)。干化過(guò)程中FB 試樣水分逐漸減少，基質(zhì)吸力增大，試樣體積變小程度比SB 明顯。當(dāng)含水量較低時(shí)，F(xiàn)B 試樣中可產(chǎn)生較大的基質(zhì)吸力，因此FB 在低含水量條件下具有較高的抗剪強(qiáng)度和小應(yīng)變剪切模量。

4 結(jié)語(yǔ)

文中針對(duì)砂土-膨潤(rùn)土與粉土-膨潤(rùn)土兩種試樣，測(cè)試獲得了干化過(guò)程中土-膨潤(rùn)土的剪切波速、小應(yīng)變剪切模量、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水量的關(guān)系，分析了含水量、母土種類、制樣固結(jié)壓力對(duì)剪切波速與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，并得到以下結(jié)論：

（1） 含水量對(duì)土-膨潤(rùn)土vs及Suc有顯著的影響，隨著含水量的降低，vs與Suc增大，無(wú)側(cè)限抗壓破壞形式由塑性鼓脹破壞向脆性剪切破壞變化，同時(shí)土-膨潤(rùn)土小應(yīng)變剪切模量顯著增大、破壞變形顯著減小，在地基側(cè)向變形的情況下土-膨潤(rùn)土垂直阻隔墻存在較大的開裂失效風(fēng)險(xiǎn)。

（2） 母土種類對(duì)土-膨潤(rùn)土vs及Suc有一定的影響。在相同含水量情況下，粉土-膨潤(rùn)土的vs與Suc均大于砂土-膨潤(rùn)土，且含水量越低兩者相差越大。制樣固結(jié)壓力（25～75kPa范圍內(nèi)）對(duì)土-膨潤(rùn)土vs及Suc影響較小。

（3） 失水的膨潤(rùn)土在砂土顆粒間形成膠結(jié)作用和產(chǎn)生較大基質(zhì)吸力分別是砂土-膨潤(rùn)土和粉土-膨潤(rùn)土干化過(guò)程中土工力學(xué)特性變化的主要原因。