吳珺華 匡唐亮 葉云雪 趙貴濤

(1.南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院, 南昌 330063; 2.水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210024; 3.江西省智慧建筑工程研究中心, 南昌 330063; 4.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 武漢 430072)

膨脹土的收縮行為較膨脹行為引起的關(guān)注較少。但由膨脹土收縮行為引起的工程問題卻不容忽視。在邊坡工程中,膨脹土收縮引起的裂隙,為降雨入滲提供了通道,嚴(yán)重影響邊坡的穩(wěn)定性;[1]在核廢物處置庫中,膨潤土收縮可能導(dǎo)致放射性核素的遷移或泄露;[2]在垃圾衛(wèi)生填埋場中,襯墊系統(tǒng)因收縮產(chǎn)生的裂隙會使垃圾滲濾液污染周圍土體及地下水。[3]因此對膨脹土收縮特性的研究十分必要。

目前,關(guān)于膨脹土收縮特性的研究主要集中在礦物成分[4]、粒組組成[5]、初始含水率和干密度[6]、干濕和凍融循環(huán)[7]、溫度和濕度[8]等方面。鑒于收縮特性帶來的工程危害,不少學(xué)者提出了抑制膨脹土脹縮性的改良措施,如摻風(fēng)化砂[9]、石灰[10]、聚苯乙烯泡沫塑料顆粒[11]、陽離子[12]和纖維加筋[13]等。土的收縮特征曲線(SSCC)是研究膨脹土收縮特性的重要工具之一,SSCC描述了重力含水率(或含水比)與孔隙比的關(guān)系。SSCC的測量方法通常有直接測量法、排液法(如石蠟法)、數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)和激光掃描成像法等。[4]對于不規(guī)則試樣,石蠟法是簡單易行且經(jīng)濟(jì)可靠的方法。為了定量地描述SSCC,一些學(xué)者提出了SSCC數(shù)學(xué)模型[14-16]。

影響膨脹土收縮特性的主要因素除了上述礦物成分(如蒙脫石含量)外,還包括受地質(zhì)成因?qū)е碌牟煌馏w狀態(tài),如流塑、可塑和硬塑?，F(xiàn)有文獻(xiàn)[17-19]主要考慮單一因素對土體收縮特性的影響,鮮有同時(shí)考慮蒙脫石含量和土體狀態(tài)這兩個(gè)因素的影響,尤其是土體狀態(tài)。在膨脹土收縮特性試驗(yàn)中,通常采用壓實(shí)或擊實(shí)的方法制作試樣,而這些試樣大部分處于硬塑狀態(tài)。事實(shí)上,在實(shí)際工程中所遇到的膨脹土不完全能由壓實(shí)或擊實(shí)土所模擬,如淤泥質(zhì)脹縮土[20]和岸坡膨脹土[21]。淤泥質(zhì)脹縮土可由湖積或海積相成因產(chǎn)生,屬于流塑狀態(tài)。岸坡膨脹土長期與水接觸,水位以下可看作可塑或軟塑狀態(tài),當(dāng)遇到枯水期水位下降時(shí),因蒸發(fā)收縮導(dǎo)致的裂隙會進(jìn)一步降低膨脹土岸坡的穩(wěn)定性。

為此,將開展如下研究:1)探究泥漿樣(流塑)、預(yù)固結(jié)樣(可塑)和壓實(shí)樣(硬塑)三種不同土體狀態(tài)對膨脹土收縮特性的影響; 2)針對泥漿樣和預(yù)固結(jié)樣,研究不同膨潤土摻量對膨脹土收縮特性的影響;3)鑒于常規(guī)方法獲得SSCC的試驗(yàn)周期較長,對SSCC的測量提出適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)措施,從而縮短試驗(yàn)周期,提高試驗(yàn)效率。

1 改進(jìn)措施及試樣制備

1.1 改進(jìn)措施

1.1.1改進(jìn)縮限試驗(yàn)

基于GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的縮限試驗(yàn)操作規(guī)程,在泥漿樣分層裝入收縮皿之前,在收縮皿的內(nèi)部貼上一層聚乙烯膜(保鮮膜),方便取出土樣并進(jìn)行體積測量和烘干稱取質(zhì)量,避免試樣在高含水率條件下黏在收縮皿中而不易取出。

1.1.2自制預(yù)固結(jié)試樣裝置

GB/T 50123—2019中并沒有利用泥漿樣制作預(yù)固結(jié)樣的裝置。自制預(yù)固結(jié)試樣裝置如圖1所示。該裝置包括主體部分和輔助部分。主體部分是常用的聚酯透明罐,內(nèi)徑為65 mm,厚度為9 mm,高度為140 mm;輔助部分由集水盤、托盤、金屬支架和外荷載組成。主體部分包含土樣、濾紙、透水石及分布在罐身四周和罐底的排水孔,其中排水孔可采用圓規(guī)的針尖制作,最大孔徑不超過1 mm。

圖1 預(yù)固結(jié)裝置 mmFig.1 Pre-consolidation devices

1.1.3改進(jìn)測量方法

相對于土體收縮特性試驗(yàn)中常用的自然風(fēng)干法,采用烘箱進(jìn)行輔助控制目標(biāo)含水率,縮短了試驗(yàn)周期。由于要測量多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),為減少液體石蠟的使用量及減小操作誤差,可將達(dá)到目標(biāo)含水率的試樣先用保鮮膜包裹并置入密閉容器中靜置不少于24 h,確保水分在試樣內(nèi)部均衡分布,待全部試樣都準(zhǔn)備完畢后,再用液體石蠟法測量不同目標(biāo)含水率下試樣的體變,得到土的收縮特征曲線。經(jīng)過多次試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn),為避免蒸發(fā)過快導(dǎo)致所研究土體表面產(chǎn)生較大的收縮裂隙,建議將烘箱溫度設(shè)置在55～70 ℃,每隔30 min左右取出一塊試樣,檢驗(yàn)其含水率是否達(dá)到目標(biāo)含水率,若達(dá)到目標(biāo)含水率則將其冷卻至室溫后,再用保鮮膜包裹、密封備用。整個(gè)試驗(yàn)過程中,應(yīng)觀察烘箱內(nèi)的土樣狀態(tài)并調(diào)整烘箱溫度。若土樣產(chǎn)生微小收縮裂縫則可調(diào)低溫度;若土樣在烘箱內(nèi)連續(xù)30 min質(zhì)量無明顯變化,則可適當(dāng)提高溫度。值得注意的是:溫差不宜過大,溫度增量一般控制在5 ℃以內(nèi)。

1.2 試樣制備

試驗(yàn)土樣取自黑龍江,其基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。該膨脹土屬于中膨脹土,自由膨脹率為67%,主要礦物成分為蒙脫石(23%)、伊利石(3%)、納長石(17%)、方解石(5%)和石英(44%)等。由于液體石蠟密度隨溫度在0.845 ～ 0.890 g/cm3之間變化,故在試驗(yàn)前先用容量瓶測定當(dāng)前溫度下石蠟的密度。

表1 土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical property indexes of soil

為研究蒙脫石含量變化對土體收縮特性的影響,在膨脹土中摻入了不同比例的鈉基膨潤土。由于摻加不同質(zhì)量的膨潤土?xí)淖冊信蛎浲恋南鄬γ芏?因此利用相對密度試驗(yàn)可測出對應(yīng)的相對密度,用平均相對密度表示Gsavg。基于相對密度試驗(yàn)結(jié)果和GB/T 50123—2019中土粒平均相對密度算式,Gsavg可用式(1)表示:

(1)

式中:m1為膨脹土的干土質(zhì)量,g;m2為膨潤土的干土質(zhì)量,g;m為總質(zhì)量,g,即m1與m2之和;m2/m為膨潤土摻量;Gs1為膨脹土的相對密度;Gs2為鈉基膨潤土的相對密度,其值為2.32。

1.2.1泥漿試樣的制備

土樣經(jīng)過碾碎、風(fēng)干并過2 mm篩。考慮不同膨潤土摻量和測量方法,共制備五組泥漿試樣(液性指數(shù)大于 1,土體呈流塑狀態(tài))進(jìn)行土的收縮特性試驗(yàn),對應(yīng)的參數(shù)列在表2中。試樣制備步驟如下:1)取一定質(zhì)量的膨脹土和膨潤土,用無氣水制備成約為1.2 ～ 1.5倍液限的泥漿樣,用保鮮膜密封靜置24 h 以上;2)將凡士林涂在收縮皿內(nèi)表面后,再貼一層保鮮膜,同時(shí)在收縮皿杯口處留有適當(dāng)長度的保鮮膜,便于后續(xù)取樣,制樣完備后如圖2a所示;3)將制備好的試樣放入烘箱進(jìn)行輔助干燥,每隔30 min 左右取出一個(gè)試樣,如圖2b所示。當(dāng)取出的試樣呈現(xiàn)一定的可塑狀態(tài)時(shí),可將收縮皿內(nèi)的試樣全部取出,尤其是低含水率的試驗(yàn)。

表2 泥漿樣的膨潤土摻量及測量方法Table 2 The bentonite content and measurement method for slurry specimens

a—內(nèi)置保鮮膜的試樣; b— 高含水率的試樣。圖2 泥漿試樣的制備Fig.2 Preparation for slurry specimens

值得注意的是:由于液體石蠟的沸點(diǎn)超過300 ℃,因此,在石蠟法測量試樣體積后,若繼續(xù)測量試樣含水率,可用土工刀切除試樣表面的石蠟層,然后取試樣的芯部進(jìn)行最終含水率的測定,也可以將土樣一分為二,分別用來測量試樣體積和最終含水率。

1.2.2預(yù)固結(jié)樣的制備

與泥漿樣類似,考慮不同膨潤土摻量、上覆荷載P和測量方法,共制備四組預(yù)固結(jié)樣(0.25

表3 預(yù)固結(jié)土樣的膨潤土摻量、上覆荷載及測量方法Table 3 The bentonite content, overburden load and measurement method for pre-consolidated specimens

試樣制備過程如下:1)將制備好的泥漿樣,分層裝入一個(gè)聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)罐中,并振搗密實(shí)。罐身內(nèi)壁提前涂抹凡士林,罐底依次放置透水石和濾紙;2)為了確保罐內(nèi)試樣的空氣能夠順利排出,利用真空抽氣法持續(xù)抽氣1 h,然后在土樣的頂部依次放置濾紙和透水石;3)逐級施加上覆荷載p,每級荷載的穩(wěn)定時(shí)間不少于24 h,荷載施加的順序依次為0 kPa→2.5 kPa→5 kPa→10 kPa→20 kPa→30 kPa。4)待固結(jié)完成后,利用鉛筆刀將瓶身劃開并取出土樣,取出后的土樣如圖3a所示;5)將試樣全部切成塊狀,見圖3b所示,利用改進(jìn)測量法控制試樣目標(biāo)含水率,其余同上。

a—預(yù)固結(jié)完成后; b—塊狀試樣。圖3 預(yù)固結(jié)試樣的制備Fig.3 Preparation of pre-consolidated specimens

1.2.3壓實(shí)樣的制備

通過靜壓法完成環(huán)刀樣(0

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 自然風(fēng)干法與改進(jìn)測量法的結(jié)果對比

為定量地描述SSCC,采用Cornelis等提出的SSCC模型[16],該模型的表達(dá)式如式(2)所示:

e=es+λexp(-uwv)

(2)

式中:es為干燥狀態(tài)下土的孔隙比,一般與縮限對應(yīng)的孔隙比相等;λ、u、v為模型擬合參數(shù)。

根據(jù)Groenevelt等的建議[22],以靠近收縮曲線(干燥段)曲率最大的點(diǎn)所對應(yīng)的含水率作為縮限?？s限是土體收縮過程中體積不再變化時(shí)的含水率,由于縮限的確定較難,故在SSCC中通常以零收縮段與正常收縮段曲線的切線交點(diǎn)所對應(yīng)的含水率作為縮限,為了區(qū)分這兩種方法得到的縮限值,前者稱為計(jì)算縮限wsc,后者稱為圖解縮限wsg,事實(shí)上,這兩種縮限值均為真實(shí)縮限ws的近似值,見圖4所示,其中wψ為進(jìn)氣值含水率,eψ為對應(yīng)的孔隙比,rmin為SSCC最小的曲率半徑。

圖4 圖解法計(jì)算的縮限Fig.4 A graphical method to calculate shrinkage limits

對式(2)分別進(jìn)行求導(dǎo),可得到一階導(dǎo)函數(shù)和二階導(dǎo)函數(shù):

e′=λuvexp(-uw-v)w-(v+1)

(3)

e″=λuvexp(-uw-v)w-(v+2)[-(v+1)+

uvw-v]

(4)

基于曲率的數(shù)學(xué)公式和wsc的計(jì)算式,曲率κ和wsc可分別用式(5)和式(6)表示,其中max()為最大值函數(shù)。

(5)

wsc=max(κ)

(6)

基于SSCC的試驗(yàn)數(shù)據(jù),先求出式(5)的表達(dá)式,再求出式(6)取最大值時(shí)的w值,即為wsc值。

圖5是泥漿樣和預(yù)固結(jié)樣由改進(jìn)測量法和自然風(fēng)干法所測得的結(jié)果。可知:兩種方法得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)高度吻合。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):以預(yù)固結(jié)樣為例,利用自然風(fēng)干法時(shí),試樣大約需要二周時(shí)間,而改進(jìn)測量法則需要一周不到的時(shí)間。另外,當(dāng)需要整個(gè)含水率范圍內(nèi)(從飽和到烘干狀態(tài))的試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí),改進(jìn)測量法較自然風(fēng)干法更加適用。因?yàn)槔米匀伙L(fēng)干法較難獲得含水率增量均勻分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

a—泥漿樣,e=0.36+4.14exp(-0.85w-0.80),R2=0.989; b—預(yù)固結(jié)樣,e=0.31+3.24exp(-0.70w-0.80),R2=0.998。1;2;Y01;Y02。圖5 兩種方法的比較Fig.5 Comparisons of two methods

從圖5中還可發(fā)現(xiàn):對于泥漿樣與預(yù)固結(jié)樣,所選式(2)均能很好地?cái)M合SSCC試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn),為進(jìn)一步計(jì)算wsc提供了理論支撐。

因此,所提改進(jìn)法(即利用烘箱輔助控制目標(biāo)含水率)具有合理可靠、便于操作和節(jié)省時(shí)間的優(yōu)點(diǎn),即改進(jìn)測量法不會因?yàn)榭刂骗h(huán)境溫度而改變SSCC試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,以及增加數(shù)據(jù)測量的離散程度。

2.2 蒙脫石含量變化對SSCC的影響

原膨脹土中蒙脫石含量為23%,納基膨潤土的蒙脫石含量為95%,為了更好地表征膨潤土與膨脹土混合后(即混合土)試樣中蒙脫石含量,假定原膨脹土中蒙脫石含量為A,納基膨潤土中蒙脫石含量為B,不同比例的膨潤土摻量為C,則混合土試樣中蒙脫石含量為A(1-C)+BC。通過計(jì)算得到混合土試樣中蒙脫石含量(表4),與原膨脹土相比,混合土中蒙脫石含量分別增加了4%、11%和18%。

表4 SSCC擬合結(jié)果及相關(guān)參數(shù)Table 4 Fitting results of SSCC and related parameters

圖6是采用改進(jìn)測量法獲得不同蒙脫石含量的SSCC。由圖6a可知:在零收縮段和殘余收縮段,隨著蒙脫石含量的增大,泥漿樣的SSCC逐漸向下移動。觀察表4可知:以原膨脹土泥漿樣的es為參考值,當(dāng)蒙脫石增量為4%、11%和18%時(shí),es的增量分別為-0.02、-0.08和-0.09,這與壓實(shí)膨脹土的蒙脫石含量越高其收縮性越明顯的性質(zhì)不同。

a—泥漿樣; b—預(yù)固結(jié)樣。圖6 不同蒙脫石含量的SSCCFig.6 SSCC with different contents of montmorillonite

另外,隨著蒙脫石含量的增加,SSCC殘余收縮段的曲率逐漸減小,當(dāng)蒙脫石含量為41%時(shí),曲率近似為0,SSCC可看作一條折線。由圖4可知:當(dāng)SSCC為一條折線(僅有零收縮段和正常收縮段)時(shí),wsg和wsc將會重合為一點(diǎn)。通過表4也證實(shí)了這一點(diǎn),wsg和wsc的差值在不斷縮小。

由圖6b可知:以原膨脹土預(yù)固樣的SSCC為參考曲線,對于預(yù)固結(jié)樣(上覆荷載為30 kPa),當(dāng)蒙脫石含量為34%時(shí),SSCC與參考曲線基本重合;當(dāng)蒙脫石含量為41%時(shí),SSCC在參考曲線的下方,這意味著預(yù)固結(jié)樣將克服荷載對收縮特性的抑制,產(chǎn)生較為明顯的收縮變形。類似地,隨著蒙脫石含量的增加,預(yù)固結(jié)樣SSCC殘余收縮段的曲率也在逐漸減小。

2.3 不同土體狀態(tài)對SSCC的影響

圖7是利用改進(jìn)測量法獲得不同土體狀態(tài)對SSCC的影響。由圖7可知:在零收縮段和殘余收縮段,泥漿樣的SSCC在預(yù)固結(jié)樣的上方;在整個(gè)含水率范圍內(nèi),預(yù)固結(jié)樣與環(huán)刀樣(靜壓法)的SSCC基本一致。這可能是因?yàn)槟酀{樣在制樣過程中受到的外荷載為零,而預(yù)固結(jié)樣和環(huán)刀樣在制樣過程中均受到外部荷載作用,使土樣中的大孔隙體積減少,導(dǎo)致土體的收縮變形趨于一致。

泥漿樣; 預(yù)固結(jié)樣; 環(huán)刀樣; 擬合曲線。圖7 不同土體狀態(tài)的SSCCFig.7 SSCC with different soil states

圖8是利用改進(jìn)測量法獲得不同土體狀態(tài)及蒙脫石含量對SSCC的影響?？梢园l(fā)現(xiàn):當(dāng)蒙脫石含量為34%時(shí),預(yù)固結(jié)樣的SSCC在泥漿樣的上方;當(dāng)蒙脫石含量為41%時(shí),預(yù)固結(jié)樣與泥漿樣的SSCC基本接近。這說明與土體狀態(tài)相比,蒙脫石含量對膨脹土收縮特性的影響更大。

泥漿樣(蒙脫石34%); 預(yù)固結(jié)樣(蒙脫石34%); 泥漿樣(蒙脫石41%); 預(yù)固結(jié)樣(蒙脫石41%);擬合曲線。圖8 不同土體狀態(tài)及蒙脫石含量的SSCCFig.8 SSCC with different soil states and contents of montmorillonite

3 結(jié)束語

通過開展室內(nèi)膨脹土收縮試驗(yàn),研究不同蒙脫石含量和土體狀態(tài)對土體收縮特性的影響。在此基礎(chǔ)上,對泥漿樣的收縮試驗(yàn)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn),同時(shí)自制了預(yù)固結(jié)試樣裝置。主要結(jié)論如下:

1)對泥漿樣收縮特性試驗(yàn)的改進(jìn),不僅可以得到整個(gè)含水率范圍內(nèi)土的收縮特征曲線,而且能夠明顯的節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間。

2)對于一條完整的SSCC,需要測量多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),而自制預(yù)固結(jié)試樣裝置確保預(yù)固結(jié)試樣具有一定的尺寸,同時(shí)滿足試驗(yàn)操作簡單,裝置造價(jià)便宜,便于推廣和應(yīng)用的需求。

3)隨著蒙脫石含量的增加,泥漿樣的收縮變形雖然增大但不顯著,預(yù)固結(jié)樣具有收縮潛勢;隨著蒙脫石含量的繼續(xù)增加,預(yù)固結(jié)樣將克服荷載對收縮特性的抑制,產(chǎn)生較為明顯的收縮變形;隨著蒙脫石含量的進(jìn)一步增加,無論是泥漿樣還是預(yù)固結(jié)樣,其SSCC殘余收縮段的曲率都會不斷減小,最終SSCC轉(zhuǎn)化為一條折線。

4)對于泥漿樣和預(yù)固結(jié)樣,當(dāng)SSCC為一條折線時(shí),計(jì)算縮限與圖解縮限的值相等。相比較作圖法,計(jì)算縮限更接近真實(shí)縮限。盡管SSCC受土體狀態(tài)的影響,但蒙脫石含量對膨脹土收縮特性的影響更大。