張 浩,張凌凱,許 佳,徐 燕

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院,新疆 烏魯木齊 830052; 2.新疆科技學院,新疆 庫爾勒 841000;3.新疆維多爾自治區(qū)水利工程安全與水災害防治重點實驗室,新疆 烏魯木齊 830052;4.新疆維吾爾自治區(qū)寒旱區(qū)水資源與生態(tài)水利工程研究中心(院士專家工作站),新疆 烏魯木齊 830052)

強烈脹縮性、多裂隙性、超固結(jié)性是膨脹土的基本特性[1],導致膨脹土的工程性質(zhì)十分復雜,對各類工程常造成巨大災害。強膨脹土具有強烈的膨脹潛勢,更易造成邊坡失穩(wěn),如北疆供水一期工程輸水明渠31.6%的區(qū)域經(jīng)過膨脹土區(qū)域,由于季節(jié)交替及降水的周期性變化[2-3],會引起膨脹土的脹縮變形,引發(fā)渠坡的安全問題[4-5]及膨脹土的路塹邊坡巖體失穩(wěn)、建筑地基因吸水體脹而發(fā)生破壞等問題[6],這些災害均與膨脹土的脹縮特性密切相關(guān)。

針對膨脹土的脹縮特性,諸多學者從不同角度對此進行了探究。一是進行無荷膨脹率試驗,如楊慶等[7]對重塑膨脹土試樣進行膨脹力試驗,發(fā)現(xiàn)非飽和膨脹土的膨脹力和含水率之間存在指數(shù)關(guān)系;劉靜德等[8]對膨脹巖進行吸濕條件下的膨脹率試驗,推導得出膨脹力經(jīng)驗公式,發(fā)現(xiàn)膨脹率與干密度線性正相關(guān),與初始含水率線性負相關(guān);Chertkov[9]建立膨脹巖膨脹和收縮的物理模型,定量化描述膨脹和收縮的變化;尹鑫等[10]為準確評價膨脹土脹縮等級,建立直覺模糊集評價模型,對不同指標脹縮性評價結(jié)果的敏感性依次排序;吳珺華等[11]對重塑膨脹土進行無荷條件下的反復膨脹和收縮試驗,結(jié)果表明隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,試樣的膨脹率和收縮率逐漸減小。二是進行有荷膨脹率試驗,如楊和平等[12-13]對膨脹土進行干濕循環(huán)條件下有荷條件下的試驗研究,得到了膨脹土脹縮變形與強度的變化規(guī)律。三是進行收縮試驗,如柴肇云等[14]采用自主開發(fā)研制的膨脹試驗裝置,分析泥質(zhì)巖的循環(huán)脹縮特性;楊和平等[12,15]通過研制相關(guān)儀器來模擬太陽光照加熱膨脹土試樣,以實現(xiàn)試樣的失水過程;唐朝生等[16]采用全干燥及部分干燥兩種干縮途徑,發(fā)現(xiàn)膨脹土脹縮特征受干縮路徑的影響明顯;王佩等[17]通過無側(cè)限抗壓強度試驗、收縮試驗對水泥改性膨脹土進行系統(tǒng)研究,結(jié)果表明摻入水泥可以有效改善膨脹土的土體強度和脹縮特性。四是進行微觀試驗,如錢苗苗等[18]通過電鏡試驗研究初始含水率對膨脹力影響的微觀機理;張善凱等[19-20]開展了膨脹巖經(jīng)歷干濕循環(huán)后利用掃描電子顯微鏡(SEM)和氮吸附試驗,從微觀角度分析了膨脹巖吸水膨脹失水收縮的微觀機制;Lin等[21-22]研究了膨脹巖在經(jīng)歷干濕循環(huán)后的微觀結(jié)構(gòu)變化,解釋了干濕循環(huán)對膨脹巖微觀結(jié)構(gòu)的影響;葉萬軍等[23]利用X射線衍射、掃描電鏡等技術(shù),從礦物成分等方面對不同條件下古土壤的細微觀特征進行了系統(tǒng)研究;Hiroaki等[24]采用納米焦點X射線CT、X射線衍射結(jié)合三維顯微結(jié)構(gòu)分析,研究了不同溶脹性能的致密蒙脫石在不同干密度時的顯微結(jié)構(gòu);Qi等[25-26]研究了干濕循環(huán)條件下的土壤收縮膨脹特性及微觀結(jié)構(gòu)變化;何俊等[27]開展干濕循環(huán)條件下固化污泥電鏡掃描試驗,研究了堿渣-礦渣-石灰對固化污泥的微觀結(jié)構(gòu)影響。

目前國內(nèi)外學者在膨脹土的脹縮特性及微觀機制方面的研究已取得明顯進展,主要集中于干濕循環(huán)作用下膨脹土脹縮特性的研究,但不同循環(huán)模式條件下全年氣溫、降水等因素對膨脹土渠坡的脹縮的影響未能得到全面反映。鑒于此,本文以北疆供水一期工程膨脹土為研究對象,采用室內(nèi)試驗模擬干濕循環(huán)、凍融循環(huán)及干濕-凍融循環(huán)模式,對膨脹土在不同循環(huán)模式條件下的變形規(guī)律進行試驗研究,并通過電鏡掃描揭示其微觀結(jié)構(gòu),從微觀角度探討其宏觀變形的根本原因。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所用膨脹土取自北疆供水一期工程總干渠“13+175”挖方段的黃色泥巖,具有中膨脹性,顏色呈土黃色,帶有少量青色雜質(zhì),具有較好的代表性。該土粒的不均勻系數(shù)為33,曲率系數(shù)為0.33,屬于不良級配。通過室內(nèi)基本物理特性試驗及X射線衍射試驗,得到其天然含水率為14.8%,天然干密度為1.60g/cm3,最大干密度為1.67g/cm3,最優(yōu)含水率為18.9%,礦物成分蒙脫石、石英、長石、方解石和鈉長石的質(zhì)量分數(shù)分別為60.4%、32.7%、6%、0.5%和0.4%。

1.2 循環(huán)模式

試驗所用土樣最優(yōu)含水率為18.9%,采用輕型擊實法將配置好的濕土壓制成直徑61.8mm、高20mm的環(huán)刀試樣,以現(xiàn)場實測干密度1.6g/cm3進行制樣。

循環(huán)模式分為干濕循環(huán)、凍融循環(huán)和干濕-凍融循環(huán)3種。①干濕循環(huán):濕潤階段采用抽氣飽和法模擬膨脹土渠坡濕潤過程(試樣抽氣2h,浸泡10h),干燥階段參考取樣地歷史氣象資料,確定干燥階段邊界溫度為40℃,干燥過程在烘箱中進行(12h),烘干至天然含水率(約為14.8%)狀態(tài);②凍融循環(huán):設置-20℃和20℃為北疆膨脹土渠坡凍結(jié)及融化環(huán)境溫度,將膨脹土試樣用保鮮膜包裹后放入GDJ/YH-225L高低溫交變濕熱試驗箱,凍結(jié)及融化階段均為24h,共進行9次凍融循環(huán);③干濕-凍融循環(huán):采用抽氣飽和法模擬渠基土濕潤過程,干燥階段采用40℃烘箱烘干至天然含水率狀態(tài),凍融階段均在GDJ/YH-225L高低溫交變濕熱試驗箱中進行,凍結(jié)及融化階段均為24h。

1.3 試驗方法

a.無荷膨脹率試驗。采用WG-3A單杠桿固結(jié)儀,對經(jīng)過1、3、5、7、9次不同循環(huán)模式條件下的試樣進行無荷膨脹率試驗,環(huán)刀試樣共16個,向單杠桿固結(jié)儀中注水,保持水面高出試樣5mm,記錄注水開始時間,按照試驗開始后5min、10min、20min、30min、1h、2h、3h、6h、12h、24h測讀百分表讀數(shù),當6h內(nèi)變形不大于0.01mm時終止試驗。

b.有荷膨脹率試驗。采用WG-3A單杠桿固結(jié)儀,對經(jīng)過1、3、5、7、9次不同循環(huán)模式條件下的試樣進行有荷膨脹率試驗,上覆荷載分別為25、50、75、100kPa,按照試驗開始后5min、10min、20min、30min、1h、2h、3h、6h、12h、24h測讀百分表讀數(shù),當6h內(nèi)變形不大于0.01mm時終止試驗。

c.收縮試驗。將進行無荷膨脹率試驗的飽和膨脹土試樣放入105℃高溫烘箱,烘干12h,記錄膨脹土環(huán)刀試樣高度變化,稱量膨脹土試樣質(zhì)量,每隔6h測記百分表讀數(shù)并稱質(zhì)量,直至2次測量試樣質(zhì)量相差不大于0.1g時終止試驗。

d.SEM掃描電鏡試驗。通過S-3400N Ⅱ型SEM對不同循環(huán)模式條件下膨脹土試樣進行SEM試驗。試驗時在SEM放大250、1000、2000、4000、8000和10000倍情況下分析土體微觀結(jié)構(gòu)圖像,利用Image-J軟件對SEM微觀圖像進行預處理,定量分析土體微觀結(jié)構(gòu)的變化。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 無荷膨脹率試驗

采用膨脹率及線縮率來描述膨脹土脹縮變形,膨脹率為膨脹土試樣浸水后的膨脹量與初始高度之比,線縮率為膨脹土試樣失水后的收縮量與初始高度之比。圖1為不同循環(huán)模式條件下膨脹土無荷膨脹率變化曲線,可以看出膨脹土試樣的膨脹變形與時間呈非線性變化,無荷膨脹率變化曲線可分為3個階段:①快速膨脹階段:在無荷膨脹率試驗初期,膨脹率隨時間的增加而增大,膨脹速率較大,變化較為強烈,該階段持續(xù)時間在0～60min之間;②勻速膨脹階段:在無荷膨脹率試驗中期,膨脹率變化較為緩慢,膨脹速率逐漸減小,該階段持續(xù)時間在60～360min之間;③穩(wěn)定階段:膨脹率曲線慢慢接近水平,逐漸趨于穩(wěn)定值。試樣在較短時間內(nèi)即達到較大的膨脹變形。此外,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,膨脹土的無荷膨脹率均隨循環(huán)次數(shù)的增加而不斷降低,第1次循環(huán)后無荷膨脹率變化最明顯,第5次循環(huán)后無荷膨脹率逐漸趨向于穩(wěn)定值。

圖1 不同循環(huán)模式條件下膨脹土無荷膨脹率變化曲線

圖2為不同循環(huán)模式條件下膨脹土無荷膨脹率與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線。由圖2可知,膨脹土試樣在干濕-凍融循環(huán)作用下無荷膨脹率降低幅度最大,第1次循環(huán)衰減幅度達43.7%,最終衰減幅度達82%;在凍融循環(huán)作用下無荷膨脹率衰減幅度最小,第1次循環(huán)衰減幅度為8.9%,最終衰減幅度為24.2%;在干濕循環(huán)作用下無荷膨脹率第1次循環(huán)衰減幅度為37.9%,最終衰減幅度達81%。

圖2 不同循環(huán)模式條件下膨脹土無荷膨脹率與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

分析原因可知,試驗所用膨脹土中含有較多黏土礦物,黏土礦物的親水能力決定了土體的膨脹程度,其中蒙脫石膨脹性能最為顯著。向WG-3A單杠桿固結(jié)儀中注水,試樣初始含水率較小,孔隙較多,水通過滲透作用更易進入膨脹土試樣內(nèi)部,土體含水率增加,黏土礦物吸水膨脹,試驗初期膨脹變形較為強烈,隨著時間的延長,膨脹變形逐漸趨于穩(wěn)定值。膨脹土試樣經(jīng)過干濕循環(huán)、凍融循環(huán)及干濕-凍融循環(huán),土體出現(xiàn)大量微小裂隙,結(jié)構(gòu)整體性遭到破壞,黏土礦物聚集體分解,無荷膨脹率隨循環(huán)次數(shù)增加逐漸減小,且最終趨于穩(wěn)定。

2.2 有荷膨脹率試驗

圖3為上覆荷載25kPa、不同循環(huán)模式條件下膨脹土有荷膨脹率變化曲線。由圖3可知,有荷膨脹率試驗初期,膨脹變形隨時間的延長而增大,膨脹速率逐漸減小;有荷膨脹率試驗后期,膨脹變形逐漸趨于平穩(wěn),膨脹速率逐漸趨于零。

圖3 不同循環(huán)模式條件下膨脹土有荷膨脹率變化曲線

圖4為不同上覆荷載、不同循環(huán)模式條件下膨脹土有荷膨脹率變化曲線,可以看出:①隨著循環(huán)次數(shù)的增加,膨脹土有荷膨脹率逐漸減小,第1次循環(huán)變化最為明顯,第5次循環(huán)后,有荷膨脹率逐漸趨于穩(wěn)定值;且上覆壓力越大,其有荷膨脹率均越低,說明壓力抑制了膨脹土吸水膨脹作用。②以25kPa上覆荷載為例,膨脹土試樣在干濕-凍融循環(huán)作用下有荷膨脹率衰減幅度最大,第1次循環(huán)衰減幅度達70%,最終衰減幅度達153%;在凍融循環(huán)作用下有荷膨脹率衰減幅度最小,第1次循環(huán)衰減幅度為23.6%,最終衰減幅度達42%;在干濕循環(huán)作用下有荷膨脹率第1次循環(huán)衰減幅度為62.4%,最終衰減幅度達149.8%。

圖4 不同上覆荷載、不同循環(huán)模式條件下膨脹土有荷膨脹率變化曲線

分析上覆荷載對膨脹率的影響原因可知,由于上覆荷載對膨脹土的膨脹變形具有抑制作用,當膨脹變形受抑制時將產(chǎn)生膨脹力,部分膨脹力用于克服上覆荷載的抑制作用,上覆荷載越大,則抵消的膨脹力越大,以膨脹變形表現(xiàn)出來的膨脹力越小。同時,水是直接導致膨脹土膨脹變形的重要外部因素,上覆荷載的增大導致土顆粒微孔隙面積減小,土體的吸水量減少,使試樣的膨脹受到限制,因而膨脹土的膨脹變形隨上覆荷載的增大而減小。由于循環(huán)作用使土顆粒破碎,黏土礦物吸水能力減弱,有荷膨脹率隨著循環(huán)次數(shù)及上覆荷載的增加而減小。

2.3 膨脹土的收縮特性

圖5為不同上覆荷載、不同循環(huán)模式條件下膨脹土線縮率變化曲線。由圖5可知:①隨著循環(huán)次數(shù)的增加,膨脹土的線縮率逐漸減小,不同循環(huán)模式條件下膨脹土的線縮率均在第1次循環(huán)后達到最大值,變化較為明顯,在第5次循環(huán)后逐漸趨向于穩(wěn)定值;②相同循環(huán)模式條件下,荷載越大,其線縮率越小;③不同循環(huán)模式條件下膨脹土在干濕-凍融循環(huán)作用下線縮率變化幅度最大,在凍融循環(huán)作用下線縮率變化幅度最小。

圖5 不同上覆荷載、不同循環(huán)模式條件下膨脹土線縮率變化曲線

2.4 膨脹土的微觀特性

經(jīng)比較,取放大2000倍SEM圖像進行定性分析,圖6為不同循環(huán)模式條件下膨脹土放大2000倍SEM的圖像。由圖6可知:①未進行過干濕-凍融循環(huán)的膨脹土微觀層面相對平整,主要為較大的聚集體,局部黏粒組呈平層片狀,具有較好的定向性,結(jié)構(gòu)相對牢固;膨脹土吸水膨脹后微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化,裂隙發(fā)育明顯,水分更易與土體中黏土顆粒接觸,發(fā)生膨脹現(xiàn)象;有荷膨脹率試驗后,由于荷載作用微觀結(jié)構(gòu)較為平整,土體微小孔隙少量增加。②隨著干濕循環(huán)的進行,膨脹土表面由平整到粗糙乃至出現(xiàn)裂隙,孔隙由開始的小孔隙逐漸發(fā)展為中、大孔隙,土體骨架也發(fā)生變化;吸水后土樣微觀裂隙進一步發(fā)育,黏土礦物聚集明顯且結(jié)構(gòu)松散;有荷膨脹率試驗后,膨脹土表面較為光滑。③隨著凍融循環(huán)的進行,土顆粒之間的聯(lián)結(jié)開始破壞,孔隙增大,局部薄片狀顆粒卷曲;無荷膨脹率試驗后部分聚集體的顆粒排列呈波浪狀或花朵狀,形成近似流水形態(tài)的紊流結(jié)構(gòu);有荷膨脹率試驗后,接觸面以面-面結(jié)合為主,形成定向排列的層流狀結(jié)構(gòu),層間孔隙有明顯的同向性。④隨著干濕-凍融循環(huán)的進行,土體孔隙和結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化,部分較大土粒凝塊經(jīng)過干濕-凍融循環(huán)逐漸分離變小,土體原有致密結(jié)構(gòu)消失,出現(xiàn)許多新的微小裂隙,土體結(jié)構(gòu)整體變得松散;吸水后裂隙進一步發(fā)育,土體顆粒間黏粒礦物不斷減少,干濕-凍融循環(huán)土體微觀結(jié)構(gòu)破壞較干濕循環(huán)及凍融循環(huán)最為嚴重;有荷膨脹率試驗后,孔隙數(shù)量整體呈下降趨勢,土體顆粒趨于扁平狀。

圖6 不同循環(huán)模式條件下膨脹土放大2000倍SEM圖像

通過Image-J軟件對不同循環(huán)模式條件下土樣的1萬倍SEM圖像進行微觀信息處理,量化不同循環(huán)次數(shù)下的土體顆粒形態(tài)變化,其結(jié)果如表1所示。由表1可知:膨脹土試樣經(jīng)過無荷膨脹率試驗后,顆?？倲?shù)增加,其他微觀指標呈下降趨勢;初始試樣經(jīng)過有荷膨脹率試驗后,顆?？倲?shù)減小,其他微觀指標呈增大趨勢,其規(guī)律與無荷膨脹率試驗相反;微觀結(jié)構(gòu)在不同循環(huán)模式作用,顆?？倲?shù)呈逐漸增大趨勢,其他微觀指標逐漸減小,其變化幅度干濕-凍融循環(huán)最大,干濕循環(huán)次之,凍融循環(huán)最小,因進行SEM微觀掃描試驗需將試樣完全烘干,微觀數(shù)據(jù)存在細小誤差。

表1 膨脹土微觀定量分析

分析膨脹土微觀結(jié)構(gòu)變化可知:①干濕循環(huán)過程中水分遷移,反復沖刷原有孔隙,形成新的孔隙,反復的飽和濕潤和烘干使土體破碎,顆?？倲?shù)增加;凍融循環(huán)過程中,水分不斷經(jīng)歷凍結(jié)、融化,擠壓土體顆粒,顆?？倲?shù)增加,小孔隙變大;干濕-凍融循環(huán)過程中,既受干濕循環(huán)的影響,微觀結(jié)構(gòu)更為破碎,又受凍融循環(huán)的影響,裂隙逐漸擴展。不同循環(huán)模式條件下,干濕-凍融循環(huán)微觀結(jié)構(gòu)破壞最為嚴重,顆?？倲?shù)增加21.7%,顆?？偯娣e下降10.1%,其余微觀指標均有不同程度下降,膨脹率試驗變化最為顯著;凍融循環(huán)條件下微觀結(jié)構(gòu)破壞最小,顆?？倲?shù)增加7.9%,顆?？偯娣e下降3.9%,其余微觀指標均有不同程度的微小下降,膨脹率試驗變化最小;干濕循環(huán)條件下膨脹土微觀結(jié)構(gòu),顆?？倲?shù)增加17.7%,顆?？偯娣e下降11.4%,其余微觀指標均有不同程度下降。②膨脹土試樣出現(xiàn)脹縮特性的主要因素是膨脹土的特殊物質(zhì)組成成分和微觀結(jié)構(gòu)特征,微觀結(jié)構(gòu)特征包括土顆粒的大小、排列、含水量及外部環(huán)境等因素,其中土顆粒大小及含量是影響脹縮性的主要因素。不同循環(huán)模式條件下,循環(huán)作用會影響?zhàn)ね令w粒的大小、含量及排列等因素的變化,導致脹縮特性減弱,其中干濕-凍融循環(huán)對微觀結(jié)構(gòu)影響最為顯著,顆粒破碎最為嚴重,顆?？偯娣e變化程度最大,則膨脹率變化程度最大,凍融循環(huán)對微觀結(jié)構(gòu)影響最小,膨脹率變化程度最小。

圖7為未循環(huán)及循環(huán)后脹縮變形機制示意圖。由圖7可知,膨脹土發(fā)生脹縮變形是土體內(nèi)部因素從而決定的,同時受到外部水分條件的影響,膨脹土含水率的變化引起黏土礦物的吸水膨脹和失水收縮,產(chǎn)生脹縮現(xiàn)象。膨脹土試樣經(jīng)過干濕循環(huán)、凍融循環(huán)及干濕-凍融循環(huán)后,土體的整體性遭到破壞,影響?zhàn)ね令w粒的大小、含量及排列等因素的變化,宏觀上表現(xiàn)為膨脹土試樣膨脹-收縮能力的變化,其中干濕-凍融循環(huán)對微觀結(jié)構(gòu)影響最為顯著,膨脹率變化幅度最大,凍融循環(huán)對微觀結(jié)構(gòu)變化最小,則膨脹率變化幅度最小。隨著循環(huán)次數(shù)的增加,膨脹土微觀結(jié)構(gòu)不再變化,土體內(nèi)部呈平衡狀態(tài),膨脹土試樣循環(huán)脹縮特性趨于穩(wěn)定。

圖7 未循環(huán)及循環(huán)后脹縮變形機制示意圖

3 結(jié) 論

a.在膨脹土無荷膨脹率試驗中,隨著時間的延長,膨脹土的膨脹變形可分為快速膨脹、勻速膨脹及穩(wěn)定3個階段,膨脹變化主要集中在快速膨脹階段;無荷膨脹率隨循環(huán)次數(shù)增加均呈逐漸減小的趨勢,第1次循環(huán)后無荷膨脹率變化最為明顯,第5次循環(huán)后逐漸趨于穩(wěn)定;受凍融循環(huán)作用的試樣無荷膨脹率減小程度最小,干濕-凍融循環(huán)減小程度最大。

b.在膨脹土有荷膨脹率試驗中,膨脹土的膨脹變形隨時間的延長而增大,膨脹速率逐漸減小,試驗后期,膨脹變形逐漸趨于穩(wěn)定值。上覆荷載越大,有荷膨脹率越低,說明上覆荷載抑制了膨脹土吸水膨脹作用;隨著循環(huán)次數(shù)的增加,有荷膨脹率逐漸減小,第5次循環(huán)后逐漸趨向于穩(wěn)定值;膨脹土試樣在干濕-凍融循環(huán)作用下有荷膨脹率衰減幅度最大。

c.隨著循環(huán)次數(shù)的增加,不同循環(huán)模式條件下膨脹土試樣的線縮率均在第1次循環(huán)變化最為顯著,隨后逐漸減小,在第5次循環(huán)后逐漸趨向于穩(wěn)定值;相同循環(huán)模式條件下,荷載越大,其線縮率越小;膨脹土試樣在干濕-凍融循環(huán)作用下線縮率變化幅度最大,在凍融循環(huán)作用下線縮率變化幅度最小。

d.掃描電鏡結(jié)果表明,試樣經(jīng)過循環(huán)后,土體孔隙和結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化,顆粒破損,影響?zhàn)ね令w粒的大小、含量及孔隙分布等因素的變化,不同循環(huán)模式條件下微觀參數(shù)均有不同程度變化,其中干濕-凍融循環(huán)變化幅度最大,凍融循環(huán)變化幅度最小,影響了脹縮特性,黏土礦物吸水膨脹能力減弱,試樣高度變小,宏觀上表現(xiàn)為膨脹土試樣膨脹-收縮能力的變化。