吳廣水,王書齊,祝婷梅,楊文洲,施航向,趙延平

（1. 桂林理工大學(xué) 廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)試驗(yàn)室,廣西 桂林 541004;2. 桂林航天工業(yè)學(xué)院 基建處,廣西 桂林 541004）

膨脹土主要由親水性蒙脫石礦物組成,表現(xiàn)出顯著的吸水膨脹和失水收縮特性[1]。 中國(guó)有20 多個(gè)省市廣泛分布著膨脹土,這些地區(qū)的建筑物易出現(xiàn)傾斜、開裂或塌方等事故,修復(fù)困難,容易復(fù)發(fā),會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2-4],因此研究不同地區(qū)膨脹土膨脹力的大小對(duì)當(dāng)?shù)貙?shí)際工程建設(shè)具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究了不同初始含水率對(duì)膨脹土膨脹力的影響。 徐永福等[5]研究了不同含水率和干密度對(duì)膨脹土膨脹量的影響,得到了含水率和壓力的相關(guān)公式。 葉萬(wàn)軍等[6]研究了不同初始含水率膨脹土的力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)初始含水率與抗剪強(qiáng)度指標(biāo)符合指數(shù)函數(shù)規(guī)律且負(fù)相關(guān),土體水分的變化直接改變土的黏聚力。 蔣曉慶等[7]對(duì)不同初始含水率的弱膨脹土進(jìn)行了4 次反復(fù)剪切試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)隨著豎向應(yīng)力的增大,初始含水率與弱膨脹土殘余強(qiáng)度由線性關(guān)系轉(zhuǎn)換成指數(shù)關(guān)系。 Tripathy 等[8]測(cè)定了膨脹開始至膨脹結(jié)束和收縮開始至收縮結(jié)束幾個(gè)中間階段試樣的孔隙比和含水率,發(fā)現(xiàn)平衡脹縮路徑不受初始條件（即干密度和含水量） 的影響,且不同的加載壓力下有著相似的脹縮路徑。 Likos 等[9]進(jìn)行了一系列水蒸氣吸附試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)約束條件下膨脹土的屈服是因?yàn)橥馏w內(nèi)的層間水轉(zhuǎn)移到集聚體內(nèi)和集聚體外。

有學(xué)者借助掃描電鏡、壓汞法和核磁共振等現(xiàn)代技術(shù)研究含水率變化對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響[10-12]。 相比于其他方法,核磁共振技術(shù)可以快速、環(huán)保、無(wú)損地測(cè)量多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)。 目前,核磁共振技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于測(cè)量巖土孔隙大小及分布。 李彰明等[13]基于核磁共振技術(shù)觀察淤泥在典型荷載水平和速率下的孔隙大小及分布變化規(guī)律,研究典型加固條件下淤泥地基孔隙結(jié)構(gòu)的三維響應(yīng);Liang 等[14]基于核磁共振技術(shù)分析了膨脹土濕潤(rùn)過(guò)程中的水分分布和孔隙結(jié)構(gòu)演化特征,發(fā)現(xiàn)膨脹壓力隨著吸力的變小非單調(diào)增加,在高吸力范圍內(nèi)膨脹壓力與層間水合作用的吸收有關(guān),在低吸力范圍內(nèi)膨脹壓力與孔隙結(jié)構(gòu)的破壞有關(guān)。

本研究采用恒體積試驗(yàn)方法獲得不同初始含水率和不同干密度寧明膨脹土的膨脹力,并對(duì)完成膨脹力試驗(yàn)后的試樣進(jìn)行核磁共振試驗(yàn),從微觀角度分析不同含水率對(duì)寧明膨脹土膨脹力的影響機(jī)制。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣取自廣西寧明,呈淡黃色,為強(qiáng)膨脹土。 土樣的基本物理參數(shù)見表1,主要礦物成分見表2。 把過(guò)2 mm 篩的膨脹土烘干后,用蒸餾水將干土配制成初始含水率（水質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 分別為5%、8%、10%、15%、20%、25%的土樣。 將土樣裝入密封袋內(nèi)放置48 h 以上,使水分發(fā)生充分遷移。 把配制好的土樣放入規(guī)格為61.8 mm×20 mm 的不銹鋼環(huán)刀中,每種含水率的土樣分別制成干密度為1.37、1.48、1.71 g/cm3的試樣,最終壓制成61.8 mm（直徑） ×10 mm（高） 的試樣,與不銹鋼環(huán)刀的上下兩端距離均為5 mm。 膨脹力試驗(yàn)如圖1 所示。

圖1 膨脹力試驗(yàn)Fig.1 Swelling force test

表1 膨脹土的物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical properties of expansive soil

表2 膨脹土的主要礦物成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.2 Mass fractions of main mineral components for expansive soil %

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 膨脹力試驗(yàn)

本試驗(yàn)在WG 型單杠桿固結(jié)儀上采用恒體積法測(cè)量土樣的膨脹力。 首先,測(cè)定固結(jié)儀的變形模量,確定每一級(jí)變形模量對(duì)應(yīng)的平衡荷載。 然后,在裝有土樣的不銹鋼環(huán)刀上下兩面依次放入濾紙和透水石,裝入土樣后向水盒內(nèi)注入蒸餾水,并保持水面高出土樣5 mm。 土樣高度隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,當(dāng)土樣的膨脹高度不大于0.01 mm 時(shí),應(yīng)加上平衡荷載,使得量表指針指向初始讀數(shù),記錄初始讀數(shù)。當(dāng)儀器指針再次發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí),添加下一級(jí)砝碼,此時(shí)量表指針應(yīng)指向上一級(jí)平衡荷載所對(duì)應(yīng)的儀器變形位置,直到在某級(jí)平衡荷載下2 h 內(nèi)量表指針不再變化,則認(rèn)為膨脹穩(wěn)定,記錄施加的平衡荷載數(shù)據(jù)。

1.2.2 核磁共振試驗(yàn)

首先快速取出完成膨脹力試驗(yàn)的試樣,并用密封袋封閉起來(lái),然后將試樣放入MacroMR12M-150 型永磁臺(tái)式核磁共振成像分析儀的線圈內(nèi),最后采用CPMG 脈沖序列測(cè)定土樣的T2時(shí)間分布曲線。 每個(gè)試樣完成核磁共振的時(shí)間約為30 s。

2 結(jié)果與分析

膨脹土膨脹力隨時(shí)間的變化情況如圖2 所示。 其中,圖2（a） 、（b） 中膨脹力隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)4 個(gè)階段:①快速增長(zhǎng);②膨脹力到達(dá)某一臨界值時(shí),出現(xiàn)趨于穩(wěn)定的狀態(tài);③受力平衡被破壞后,膨脹力繼續(xù)增長(zhǎng);④最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因如下:①在干密度較小的情況下,水分子快速進(jìn)入黏土礦物晶層形成水膜并增厚,層疊體間擴(kuò)散層擴(kuò)張,土體迅速發(fā)生膨脹,膨脹力快速增長(zhǎng);②膨脹力到達(dá)某一臨界值時(shí),因?qū)盈B體裂解填充集合體間的孔隙而趨于穩(wěn)定;③膨脹力隨著層疊體的繼續(xù)擴(kuò)大而再次增大;④膨脹土完全飽和,膨脹量不再發(fā)生變化,膨脹力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 圖2（c） 中膨脹力隨時(shí)間先快速增長(zhǎng),然后增長(zhǎng)速率越來(lái)越慢,最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 在干密度較大的情況下,水分子進(jìn)入土體的效率較低,使得層疊體間擴(kuò)散層擴(kuò)張的過(guò)程和層疊體繼續(xù)增大的過(guò)程銜接較緊密,所以膨脹力隨時(shí)間的變化逐漸變小,最終趨于穩(wěn)定。由于層疊體間擴(kuò)散層擴(kuò)張產(chǎn)生的膨脹力大于層疊體繼續(xù)增大產(chǎn)生的膨脹力,膨脹土在吸水過(guò)程中,首先層疊體間擴(kuò)散層擴(kuò)張,然后層疊體繼續(xù)增大,所以圖2（c） 中膨脹力增長(zhǎng)速率越來(lái)越慢。

圖2 膨脹力隨時(shí)間的變化Fig.2 The swelling force changes with time

由圖2 中膨脹力隨時(shí)間的變化可知,膨脹土的干密度越大,膨脹力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間越久。 其中:干密度為1.37 g/cm3的膨脹土膨脹力到達(dá)穩(wěn)定的時(shí)間隨著初始含水率的增大發(fā)生無(wú)規(guī)則變化;在不同初始含水率下,干密度為1.48 g/cm3的膨脹土膨脹力到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間較為一致,即該干密度膨脹土膨脹力的穩(wěn)定時(shí)間不受初始含水率影響;當(dāng)含水率低于10%時(shí),干密度為1.71 g/cm3的膨脹土膨脹力到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間隨初始含水率的增大而增大;當(dāng)初始含水率高于10%時(shí),干密度為1.71 g/cm3的膨脹土膨脹力到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間不隨初始含水率的變化而改變。

膨脹土膨脹力隨干密度的變化情況如圖3 所示。由圖3 可知,在初始含水率相同的情況下,膨脹土膨脹力隨干密度的增大而增大。 這是因?yàn)樵谒肿舆M(jìn)入土體孔隙后,晶層間的陽(yáng)離子吸水,土體發(fā)生膨脹變形,干密度越大,土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)越緊密,土體顆粒間距越小,膨脹變形量受到土體顆粒約束的速度越快。 而且,干密度越大,同體積土樣所含的土體顆粒越多,水穩(wěn)定性差、親水性強(qiáng)的黏土礦物含量越多,晶層間陽(yáng)離子吸水效果越明顯,膨脹力也越大。 同一干密度下,初始含水率越高,膨脹力越小。 這是由于用蒸餾水配制初始含水率土樣時(shí),土體顆粒與水分充分接觸后,土體發(fā)生了部分膨脹,提前釋放了部分膨脹能,初始含水率越高,釋放的膨脹能越多,土樣穩(wěn)定時(shí)的膨脹力越小。 干密度為1.37 g/cm3的不同初始含水率膨脹土的膨脹力差值比干密度為1.71 g/cm3的不同初始含水率膨脹土小,表明干密度越大,初始含水率對(duì)膨脹土膨脹力的影響越明顯,同時(shí)也說(shuō)明了膨脹土的干密度越大,初始含水率越高,配土過(guò)程中膨脹能釋放得越多。

圖3 膨脹力隨干密度的變化Fig.3 The change of swelling force with dry density

核磁共振是以質(zhì)子為探針來(lái)獲得孔隙大小及分布信息的技術(shù)。 根據(jù)量子力學(xué)理論,從能量角度可把靜磁場(chǎng)中的自旋質(zhì)子分為低能態(tài)和高能態(tài)。 吸收能量的質(zhì)子開始釋放能量,由高能態(tài)恢復(fù)到低能態(tài)的過(guò)程稱為弛豫。T2（失去相位一致性的時(shí)間表征） 為自旋-自旋弛豫[15]。 假設(shè)土體內(nèi)的孔隙水呈圓柱形,可得到圓柱形半徑R和弛豫時(shí)間T2的關(guān)系式[16]:

式中:ρ2為橫向表面弛豫強(qiáng)度。

膨脹土完成膨脹力試驗(yàn)后,由核磁共振儀器測(cè)得試樣的T2分布曲線,見圖4。 由式（1） 可知,當(dāng)土體處于飽和狀態(tài)時(shí),孔隙水的T2和孔隙半徑成正比。 從圖4（a） 中可以看出,在干密度為1.37 g/cm3的條件下,膨脹土的T2分布曲線隨著含水率的增大而向右移動(dòng),說(shuō)明膨脹土的初始含水率越高,大孔隙體積所占的比例越高。 因?yàn)榭紫洞笮≈苯佑绊懰肿舆M(jìn)入土體內(nèi)部的效率,所以在圖2（a） 中,高初始含水率的膨脹土膨脹力能最快到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。 從圖4（b） 中可以看出,在干密度為1.48 g/cm3的條件下,膨脹土的T2分布曲線移動(dòng)隨著初始含水率的增大而變化不大,說(shuō)明該干密度條件下的孔隙大小受初始含水率的影響最小。 這也從微觀角度很好地解釋了圖2（b） 中膨脹土在不同初始含水率條件下,到達(dá)膨脹力穩(wěn)定的時(shí)間較為一致的原因是不同初始含水率的膨脹土有著相近的孔隙結(jié)構(gòu)。 從圖4（c） 中可以看出,在干密度為1.71 g/cm3的條件下,膨脹土的T2分布曲線隨著初始含水率的增大而向左移動(dòng),說(shuō)明膨脹土的初始含水率越高,小孔隙體積所占比例越高。 因此,圖2（c） 中低含水率膨脹土膨脹力能最快到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4 不同初始含水率試樣的T2 分布曲線Fig.4 T2 distribution curves of specimens with different initial water contents

3 結(jié)論

1） 在中、低干密度狀態(tài)下,膨脹土的膨脹力隨時(shí)間的變化規(guī)律分為4 階段:①快速增長(zhǎng)階段;②趨于穩(wěn)定階段;③緩慢增長(zhǎng)階段;④達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。 在高干密度狀態(tài)下,膨脹土的膨脹力先快速增長(zhǎng),然后增長(zhǎng)速率越來(lái)越慢,最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2） 用蒸餾水配制初始含水率土樣時(shí),土體顆粒與水分接觸后,土體發(fā)生了部分膨脹,提前釋放了部分膨脹能,且膨脹土的干密度越大、初始含水率越高,配土過(guò)程中膨脹能就釋放得越多。

3） 孔隙大小直接影響水分子進(jìn)入土體內(nèi)部的效率。 在低干密度情況下,膨脹土的初始含水率越高,大孔隙所占體積比例越高,膨脹力能越快到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài);在中等干密度情況下,膨脹土的孔隙大小受初始含水率變化的影響不明顯,所以膨脹土膨脹力到達(dá)穩(wěn)定的時(shí)間較為一致;在高干密度情況下,膨脹土的初始含水率越低,大孔隙所占體積比例越高,膨脹力能越快到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。