初始含水率和干密度對膨脹土膨脹力影響的試驗研究

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 廣西建筑新能源與節能重點試驗室,廣西 桂林 541004;2. 桂林航天工業學院 基建處,廣西 桂林 541004）

膨脹土主要由親水性蒙脫石礦物組成,表現出顯著的吸水膨脹和失水收縮特性[1]。 中國有20 多個省市廣泛分布著膨脹土,這些地區的建筑物易出現傾斜、開裂或塌方等事故,修復困難,容易復發,會造成巨大的經濟損失[2-4],因此研究不同地區膨脹土膨脹力的大小對當地實際工程建設具有重要意義。

國內外許多學者研究了不同初始含水率對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膨脹土膨脹量的影響,得到了含水率和壓力的相關公式。 葉萬軍等[6]研究了不同初始含水率膨脹土的力學性能,發現初始含水率與抗剪強度指標符合指數函數規律且負相關,土體水分的變化直接改變土的黏聚力。 蔣曉慶等[7]對不同初始含水率的弱膨脹土進行了4 次反復剪切試驗,發現隨著豎向應力的增大,初始含水率與弱膨脹土殘余強度由線性關系轉換成指數關系。 Tripathy 等[8]測定了膨脹開始至膨脹結束和收縮開始至收縮結束幾個中間階段試樣的孔隙比和含水率,發現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]進行了一系列水蒸氣吸附試驗,發現約束條件下膨脹土的屈服是因為土體內的層間水轉移到集聚體內和集聚體外。

有學者借助掃描電鏡、壓汞法和核磁共振等現代技術研究含水率變化對微觀結構的影響[10-12]。 相比于其他方法,核磁共振技術可以快速、環保、無損地測量多孔介質孔隙結構。 目前,核磁共振技術已經被廣泛應用于測量巖土孔隙大小及分布。 李彰明等[13]基于核磁共振技術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律,研究典型加固條件下淤泥地基孔隙結構的三維響應;Liang 等[14]基于核磁共振技術分析了膨脹土濕潤過程中的水分分布和孔隙結構演化特征,發現膨脹壓力隨著吸力的變小非單調增加,在高吸力范圍內膨脹壓力與層間水合作用的吸收有關,在低吸力范圍內膨脹壓力與孔隙結構的破壞有關。

本研究采用恒體積試驗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,并對完成膨脹力試驗后的試樣進行核磁共振試驗,從微觀角度分析不同含水率對寧明膨脹土膨脹力的影響機制。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗土樣取自廣西寧明,呈淡黃色,為強膨脹土。 土樣的基本物理參數見表1,主要礦物成分見表2。 把過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（水質量分數） 分別為5%、8%、10%、15%、20%、25%的土樣。 將土樣裝入密封袋內放置48 h 以上,使水分發生充分遷移。 把配制好的土樣放入規格為61.8 mm×20 mm 的不銹鋼環刀中,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,與不銹鋼環刀的上下兩端距離均為5 mm。 膨脹力試驗如圖1 所示。

圖1 膨脹力試驗Fig.1 Swelling force test

表1 膨脹土的物理性質指標Tab.1 Physical properties of expansive soil

表2 膨脹土的主要礦物成分質量分數Tab.2 Mass fractions of main mineral components for expansive soil %

1.2 試驗方法

1.2.1 膨脹力試驗

本試驗在WG 型單杠桿固結儀上采用恒體積法測量土樣的膨脹力。 首先,測定固結儀的變形模量,確定每一級變形模量對應的平衡荷載。 然后,在裝有土樣的不銹鋼環刀上下兩面依次放入濾紙和透水石,裝入土樣后向水盒內注入蒸餾水,并保持水面高出土樣5 mm。 土樣高度隨著浸泡時間的延長而增加,當土樣的膨脹高度不大于0.01 mm 時,應加上平衡荷載,使得量表指針指向初始讀數,記錄初始讀數。當儀器指針再次發生偏轉時,添加下一級砝碼,此時量表指針應指向上一級平衡荷載所對應的儀器變形位置,直到在某級平衡荷載下2 h 內量表指針不再變化,則認為膨脹穩定,記錄施加的平衡荷載數據。

1.2.2 核磁共振試驗

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

2 結果與分析

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

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

由圖2 中膨脹力隨時間的變化可知,膨脹土的干密度越大,膨脹力達到穩定狀態所需時間越久。 其中:干密度為1.37 g/cm3的膨脹土膨脹力到達穩定的時間隨著初始含水率的增大發生無規則變化;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穩定狀態的時間較為一致,即該干密度膨脹土膨脹力的穩定時間不受初始含水率影響;當含水率低于10%時,干密度為1.71 g/cm3的膨脹土膨脹力到達穩定狀態的時間隨初始含水率的增大而增大;當初始含水率高于10%時,干密度為1.71 g/cm3的膨脹土膨脹力到達穩定狀態的時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。 這是因為在水分子進入土體孔隙后,晶層間的陽離子吸水,土體發生膨脹變形,干密度越大,土體內部結構越緊密,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,水穩定性差、親水性強的黏土礦物含量越多,晶層間陽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,土體顆粒與水分充分接觸后,土體發生了部分膨脹,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,土樣穩定時的膨脹力越小。 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,初始含水率對膨脹土膨脹力的影響越明顯,同時也說明了膨脹土的干密度越大,初始含水率越高,配土過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

核磁共振是以質子為探針來獲得孔隙大小及分布信息的技術。 根據量子力學理論,從能量角度可把靜磁場中的自旋質子分為低能態和高能態。 吸收能量的質子開始釋放能量,由高能態恢復到低能態的過程稱為弛豫。T2（失去相位一致性的時間表征） 為自旋-自旋弛豫[15]。 假設土體內的孔隙水呈圓柱形,可得到圓柱形半徑R和弛豫時間T2的關系式[16]:

式中:ρ2為橫向表面弛豫強度。

膨脹土完成膨脹力試驗后,由核磁共振儀器測得試樣的T2分布曲線,見圖4。 由式（1） 可知,當土體處于飽和狀態時,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,說明膨脹土的初始含水率越高,大孔隙體積所占的比例越高。 因為孔隙大小直接影響水分子進入土體內部的效率,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穩定狀態。 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分布曲線移動隨著初始含水率的增大而變化不大,說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,到達膨脹力穩定的時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構。 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,說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穩定狀態。

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 結論

1） 在中、低干密度狀態下,膨脹土的膨脹力隨時間的變化規律分為4 階段:①快速增長階段;②趨于穩定階段;③緩慢增長階段;④達到穩定狀態。 在高干密度狀態下,膨脹土的膨脹力先快速增長,然后增長速率越來越慢,最終達到穩定狀態。

2） 用蒸餾水配制初始含水率土樣時,土體顆粒與水分接觸后,土體發生了部分膨脹,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,配土過程中膨脹能就釋放得越多。

3） 孔隙大小直接影響水分子進入土體內部的效率。 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,膨脹力能越快到達穩定狀態;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穩定的時間較為一致;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,膨脹力能越快到達穩定狀態。