不同饱和阶段作用下膨胀土的含水率试验研究与应用

张波, 范秋雁, 陈正, 蒋明杰, 梅国雄

(1.广西大学 土木建筑工程学院, 广西 南宁 530004;2.广西交通职业技术学院 土木建筑工程学院, 广西 南宁 530023;3.山东大学 岩土与结构研究中心, 山东 济南 250199;4.工程防灾与结构安全教育部重点实验室, 广西 南宁 530004)

膨胀土是一类富含亲水性黏土矿物的非饱和土,具有极强的亲水性,广泛分布于全国。在降雨条件下,含水率的变化导致膨胀土的性状发生变化,从而易诱发工程问题,如膨胀土边坡浅层失稳,因此,膨胀土课题成为岩土工程研究中的重点课题之一。

一直以来,国内外学者们对膨胀土湿胀干缩特性进行了大量研究,取得大量成果[1-11]。膨胀力和膨胀变形是膨胀土胀缩特性的重要表现。膨胀力是指在吸水条件下膨胀土保持体积不变所产生的膨胀压力,膨胀力对挡墙等构筑物的稳定有重要影响。文献[1-3]研究了初始含水率和初始干密度对膨胀力的影响,发现了初始含水率越大,膨胀力越小,初始干密度越大,膨胀力也越大。文献[4]考虑微变形条件,结合初始含水率和初始干密度的影响,建立了膨胀力的函数关系。文献[5-8]通过开展膨胀土的膨胀变形室内试验研究,发现了上覆荷载、初始含水率和初始干密度对膨胀变形有重要影响,也建立了膨胀变形预测模型。文献[9-11]通过开展膨胀土的膨胀变形现场试验研究,为膨胀土地区铁路工程建设提供了科学依据。还有一些学者们的理论研究和试验研究表明了膨胀土吸水过程呈两阶段特征[12-13],即第一阶段吸水主要发生饱和度变化,不会出现明显的膨胀变形;第二阶段吸水主要发生膨胀变形,结合非饱和土力学中的吸力理论[14],阐明了膨胀土吸水过程呈两阶段特征的力学机制。

上述研究主要针对膨胀土的胀缩性,而膨胀土的胀缩性是由含水率变化引起,说明含水率是研究膨胀土的重要指标。一般认为膨胀土这类非饱和土与砂土、粉土等大多数非饱和土一样,可以采用饱和度描述整个吸水过程和失水过程,这是导致忽视膨胀土的含水率研究的重要原因。饱和度是描述水-气形态的指标,实际上,膨胀土第一阶段吸水主要发生饱和度变化,第二阶段吸水主要发生膨胀变形,且第二阶段吸水不会引起水-气形态变化,从而不会出现明显的饱和度变化[12-13],说明了饱和度只能描述膨胀土的第一阶段吸水,难以描述膨胀土的第二阶段吸水,同时也表明了饱和度难以描述膨胀土整个吸水饱和过程,还表明了降雨条件下膨胀土边坡浅层下滑应力计算模型[15]难以考虑含水率的影响。综合上述分析,饱和度不能替代含水率,说明含水率的研究不可忽视。在膨胀土吸水饱和过程中,含水率变化引起膨胀土的性状变化,也会引起膨胀土边坡浅层下滑应力变化,说明考虑饱和过程的膨胀土的含水率研究是具有重要的理论和工程意义。

目前,膨胀土的饱和过程仍不清晰,由此可见,深入分析膨胀土的饱和过程是开展考虑饱和过程的膨胀土含水率研究的基础。基于此,本文运用吸力理论和非饱和土分类理论,结合膨胀土吸水呈两阶段特征,提出采用2个饱和阶段表征其饱和过程,研发了不同饱和阶段作用下膨胀土的含水率试验方法。以重塑膨胀土为研究对象,运用所提出的试验方法,考虑不同饱和阶段作用,开展了膨胀土的含水率试验;以试验研究结果为基础,结合理论推导,分析了重度变化规律,进一步建立了,2个饱和阶段作用下膨胀土边坡浅层下滑应力计算模型。

吸力理论是非饱和土力学的基础性理论之一。膨胀土的基质吸力由毛细吸力和晶层吸力两部分组成,对于膨胀土饱和过程而言,毛细吸力变化引起饱和度变化,晶层吸力变化导致膨胀变形发生[14]。

俞培基等[16]根据饱和度将非饱和土的水-气形态分成3类。随着饱和度的增大,非饱和土的水-气形态将由最初的水封闭变为双敞开,最终演化为气封闭(一般饱和度达到80%以上),其中气封闭是指孔隙中的气相以气泡形态存在,形成水包气的水-气形态。基于文献[12-13]对膨胀土呈两阶段吸水特征的结论,结合吸力理论和非饱和土分类理论,将膨胀土的饱和过程分为2个阶段:

① 第一阶段吸水主要导致饱和度发生变化,不会出现明显的膨胀变形,且第一阶段吸水完成后饱和度值较大,水-气形态处于气封闭系统[12-13,16];从吸力变化来看,这一阶段主要发生毛细吸力变化[14],在第一阶段吸水完成后,水-气形态处于气封闭系统,且膨胀土的性状不受毛细吸力的影响。因此,可认为膨胀土的第一饱和阶段,在毛细吸力作用下使孔隙充满水。

② 第二阶段吸水主要导致发生膨胀变形,使孔隙体积增大并使孔隙充满水[12-13];从吸力变化来看,这一阶段主要发生晶层吸力变化[14],因此,可认为膨胀土的第二饱和阶段,即在晶层吸力作用下,使孔隙体积增大并使孔隙充满水分。膨胀土的第二饱和阶段是膨胀土特有。

综上所述,可以采用2个饱和阶段刻画膨胀土的饱和过程:膨胀土的第一饱和阶段实质上是砂土和粉土等非饱和土的饱和过程;第二饱和阶段是膨胀土特有的,主要是因为由于晶层吸力作用,使孔隙体积增大并充满水。

膨胀土的饱和过程可由2个饱和阶段进行刻画。为了获得不同饱和阶段作用下膨胀土的含水率,需进行试验,因此,研发适合的试验方法是开展本研究的基础。

2.1 试验原理

结合《土工试验标准》(GB/T 50123—2019)[17]中的侧限条件下膨胀试验,考虑不同饱和阶段作用,阐明膨胀土的含水率试验原理。

当上覆荷载大于或等于试样的膨胀力时,试样整个吸水饱和过程未发生晶层吸力变化,试样是在毛细吸力作用下完成吸水饱和的,表明试样吸水饱和由一个饱和阶段作用。为了获得一个饱和阶段作用下试样的含水率,采用烘干法对只完成第一饱和阶段作用的试样进行含水率测试。

当上覆荷载小于试样的膨胀力时,在毛细吸力作用,试样首先完成第一饱和阶段,然后在晶层吸力作用下,完成第二饱和阶段,表明试样吸水饱和由2个饱和阶段作用。为了获得2个饱和阶段作用下试样的含水率,采用烘干法对完成第二饱和阶段同作用下试样进行含水率测试。

2.2 试验仪器与试验步骤

由上述试验原理可知,考虑不同饱和阶段作用,开展膨胀土的含水率试验需基于侧限条件下膨胀试验,侧限条件下膨胀试验需采用低压固结仪。为了防止加载过程对试样的压缩,先对低压固结仪进行必要的改造,即使环刀直径略小于覆盖于试样上、下表面的透水石直径。为了获得不同饱和阶段作用下膨胀土的含水率,采用烘箱对不同饱和阶段作用下试样进行烘干。

广西南宁市是典型的膨胀土分布地区,试验所用的膨胀土试样取自南宁市区。膨胀土的物理指标见表1。根据《土工试验标准》(GB/T 50123—2019)[17],将风干粉碎的膨胀土过孔径为2 mm筛,配制不同初始含水率的试样,各试样初始含水率分别为15%、18%、22%、25%。初始含水率为15%和18%不超过塑限,对于初始含水率为22%和25%而言,显然高于天然含水率,因此,初始含水率为15%和18%可视为低初始含水率,初始含水率为22%和25%可视为高初始含水率。采用静压法将土样制成直径为61.8 mm,高度为20 mm的环刀试样,干密度为1.5 g/cm3,接近天然干密度。将加工完成的环刀试样放置于保湿器中。

为了开展不同饱和阶段作用下试样的含水率试验,需对不同初始含水率的试样进行膨胀力测试。根据《土工试验标准》(GB/T 50123—2019)[17]采用加荷平衡法进行膨胀力测试,得到初始含水率分别为15%、18%、22%、25%试样的膨胀力分别为60、52、45、40 kPa。

施加于试样的极限上覆荷载等于试样的膨胀力时,试样仅完成第一饱和阶段;当施加的上覆荷载小于试样的膨胀力时,试样既完成了第一饱和阶段也完成了第二饱和阶段。上覆荷载加载方案见表2。

表2 上覆荷载加载方案Tab.2 Overlying loading scheme

图1 无上覆荷载示意图Fig.1 Without overlying load

试验操作步骤具体如下:将试样装入低压固结仪容器中,然后根据表2的加载方案施加上覆荷载,最后加水至淹没试样。在上覆荷载小于试样的膨胀力情况下,连续2 h内试样的膨胀变形不超过0.01 mm,可认为试样饱和完成。在上覆荷载大小为试样的膨胀力情况下,参照《土工试验标准》(GB/T 50123—2019)[17]的毛细饱和法,试样吸水时间不少于48 h,可认为试样饱和完成。试样的无上覆荷载和有上覆荷载示意图分别如图1、2所示。最后,取出试样,采用烘干法进行含水率测试。

图2 有上覆荷载示意图Fig .2 With overlying load

含水率试验结果如图3所示。由图可知,试样的上覆荷载等于膨胀力时,试样的含水率最小,由于试样只发生第一饱和阶段作用,因此在无上覆荷载时,试样的含水率最大,原因是晶层吸力作用不受限制。从图3还可知,试样在不同上覆荷载作用下饱和完成后的含水率不同,主要是受第二饱和阶段作用影响;试样的含水率随着上覆荷载的增大而减小,主要原因是上覆荷载限制晶层吸力作用。简单而言,吸力是一种吸水的能力,上覆荷载不影响毛细吸力作用,但限制膨胀土的晶层吸力作用[14],也就是说第一饱和阶段吸水与上覆荷载无关,第二饱和阶段吸水与上覆荷载密切相关。上覆荷载越大,对试样的晶层吸力限制作用越强,第二饱和阶段吸水量越少,因此,随着上覆荷载的增加,含水率随之减小。在侧限条件下,上覆荷载从0增加到等于膨胀土的膨胀力过程中,饱和完成后膨胀土的含水率随着上覆荷载的增加而减小。

图3 含水率试验结果Fig .3 Test results of water content

不同初始含水率试样的膨胀变形如图4所示。由图可知,当上覆荷载等于试样的膨胀力时,试样的不发生膨胀变形,这一试验结果与文献[14]的试验结果相同。当无上覆荷载时,试样的膨胀变形最大。从图4还可知,随着上覆荷载增加,试样的膨胀变形减小,主要原因是上覆荷载限制膨胀土的晶层吸力作用。由图3、4可知,无上覆作用时,饱和完成后的含水率和膨胀变形,出现低初始含水率为15%和18%试样的情况远大于高初始含水率为22%和25%试样的。在无上荷载作用情况下,晶层吸力作用不受限制,低初始含水率的试样中,晶层吸力较大,结合图4可知,饱和完成后膨胀变形较大,因此,在第二饱和阶段吸水量较多;高初始含水率的试样,晶层吸力较小,结合图4可知,饱和完成后膨胀变形较小,故而在第二饱和阶段吸水量较少。由图3可知,低初始含水率为15%和18%的试样与高初始含水率为22%和25%的试样在极限上覆荷载作用下饱和完成后的含水率在30%左右,相差不大,所以,低初始含水率为15%和18%的试样在无上覆作用下饱和完成后的含水率远大于高初始含水率为22%和25%的。由此可知,在无上覆作用时,易出现低初始含水率的膨胀土饱和完成后的含水率和膨胀变形远大于高初始含水率的膨胀土的情况。

图4 试样的膨胀变形Fig.4 Expansion deformation of the samples

根据图3、4得到的饱和完成后,不同初始含水率试样含水率随膨胀变形变化如图5所示。从图可以看出,对于初始含水率为15%、18%、22%、25%的试样而言,试样的膨胀变形最大时,含水率最大,试样的膨胀变形为0时,含水率最小,且试样饱和完成后的含水率随着膨胀变形呈线性增加,主要是由于膨胀土的第二饱和阶段引起的。

对于初始含水率相同的试样,由于试样在第一饱和阶段主要由毛细吸力作用,试样在第一饱和阶段完成后的吸水量也是相同的,试样在第二饱和阶段主要由晶层吸力作用,第二饱和阶段的吸水量决定饱和完成后的含水率。随着膨胀变形的增加,试样在第2饱和阶段吸水饱和过程中的吸水量也随之增加。由于试样的孔隙体积增加只与膨胀变形有关,含水率呈明显的线性增加规律。含水率随膨胀变形变化如图5所示。结合膨胀土的饱和过程由2个饱和阶段组成,进一步可推知,膨胀土饱和过程的含水率随着膨胀变形的增加而增大。

(a) 初始含水率为15%、18%

(b) 初始含水率为22%、25%

膨胀土的饱和过程由2个饱和阶段组成,因此,考虑不同饱和阶段作用,进行膨胀土的重度变化规律分析有重要意义。

考虑不同饱和阶段作用时,试样的重度计算公式γ为

(1)

式中m、v分别为水充满孔隙状态下试样的质量和体积。

水充满孔隙状态下试样的质量m为

m=ms+msw1,

(2)

式中:ms为固相物质的质量;w1为水充满孔隙状态下的含水率。

水充满孔隙状态下试样的体积v为

v=A(h0+s1),

(3)

式中:A为试样的底面积;h0为未发生膨胀变形时的初始高度;s1为膨胀变形量。

根据式(1)、(2)、(3),得到重度γ计算公式为

(4)

膨胀土的第二饱和阶段是由晶层吸力作用,使孔隙体积增大并充满水。试样的膨胀变形完成,即试样的第二饱和阶段完成,膨胀变形是衡量试样饱和完成的重要指标。上覆荷载对膨胀变形有重要影响,说明分析膨胀变形和上覆荷载对重度的影响有重要意义。根据上述试验结果和式(4),得到重度随上覆荷载变化如图6所示,重度随膨胀变形变化如图7所示。从图6、7可知,上覆荷载为极限上覆荷载时,试样的重度最大,当无上覆荷载作用时,试样的重度最小;当膨胀变形为0时,试样的重度最大;当膨胀变形最大时,试样的重度最小;随着上覆荷载的增加,试样的重度增加;随着膨胀变形增加,试样的重度减小。上述情形主要是由膨胀土的第二饱和阶段引起的。

图6 重度随上覆荷载变化Fig.6 Weight varies with overlying load

图7 重度随膨胀变形变化Fig.7 Weight varies with swelling deformation

结合上述上覆荷载和膨胀变形对含水率影响及2个饱和阶段作用可知:随着上覆荷载的增加,饱和完成后试样的含水率随之减小,试样液相部分占比也越小,从而重度越大;随着上覆荷载的减小,饱和完成后试样的含水率随之增加,试样液相部分占比也越大,从而重度越小。由此可知,在侧限条件下,上覆荷载大小从0增加到等于试样的膨胀力过程中,饱和完成后试样的重度随之增大。随着膨胀变形的增加,饱和完成后试样的含水率也随之增加,试样液相部分占比也越大,因此,膨胀变形越大,重度越小;而膨胀变形越小,饱和完成后试样的含水率越小,试样液相部分占比越小,所以,膨胀变形越小,重度越大。上述结果说明膨胀土的重度随着膨胀变形的增加而减小。

膨胀土的饱和过程由2个饱和阶段刻画,在这2个饱和阶段作用下膨胀土边坡浅层极易失稳,说明建立的膨胀土边坡浅层下滑应力计算模型应考虑2个饱和阶段作用。由上述不同饱和阶段作用下重度变化规律分析可知,考虑2个饱和阶段作用时饱和过程膨胀土的重度随着膨胀变形增加而减小,说明采用重度直接计算膨胀土边坡浅层下滑应力难以直观反映下滑应力的演化规律,因此,考虑2个饱和阶段作用,建立能够直观反映膨胀土边坡浅层下滑应力变化规律的计算模型具有重要意义。

5.1 无限长边坡

无限长边坡一般用来进行边坡浅层稳定性分析[15, 18-19]。膨胀土边坡失稳属于典型的浅层滑坡,因此,采用无限长边坡进行膨胀土边坡浅层稳定性分析。

无限长边坡上的力学示意图如图8所示。考虑降雨条件时,对膨胀土边坡作如下假设:①长历时低强降雨,坡面无积水;②待湿润锋处土体2个饱和阶段完成后,湿润锋继续沿平行于坡面方向推进;③边坡几何形状和尺寸不发生变化。

图8 无限长边坡上的力学示意图Fig.8 Schematic diagram of mechanics on an infinitely long slope

5.2 下滑应力计算与参数获取

单位土条为湿润锋以上土体,沿坡面的长度为l,竖直高度为z,底部到坡面的距离为h,并称之为深度。单位土条的重力W为

W=γazlcosα。

(5)

考虑2个饱和阶段作用,根据上述上覆荷载对重度影响分析可知,不同深度处的上覆荷载不同,2个饱和阶段作用下不同深度处土体的重度不相同,所以式(5)中γa为单位土条的平均重度,同时也进一步说明膨胀土边坡浅层下滑应力计算是分析膨胀土边坡浅层稳定性的难点之一。

根据式(1),单位土条平均重度γa

(6)

式中:mss为单位土条的固体颗粒质量;基于含水率试验结果,考虑2个饱和阶段作用时,不同深度处土体的含水率是不相同的,w2为2个饱和阶段作用下单位土条的平均含水率。

单位土条的剪切力S表达式为

S=γazlcosαsinα,

(7)

根据式(7),得到单位土条切应力τ表达式为

τ=γazcosαsinα。

(8)

湿润峰推进的深度与单位土条竖直高度存在以下关系:

h=zcosα。

(9)

将式(6)代入式(8),进一步得到单位土条切应力τ为

(10)

单位土条的固体颗粒的质量mss为

mss=ρdzlcosα,

(11)

式中ρd为单位土条的初始干密度。

将式(9)和式(11)代入式(10),得到切应力表达式为

τ=(ρdh+ρdhw2)gsinα。

(12)

由式(12)可知,进行2个饱和阶段作用下膨胀土边坡浅层下滑应力计算,需要获取浅层土体的初始干密度和湿润锋以上浅层土体的平均含水率。浅层土体干密度运用《土工试验标准》(GB/T 50123—2019)[17]中的环刀法可以获得,2个饱和阶段作用下膨胀土边坡浅层土体的含水率可以根据上述研发的试验方法获得。上述含水率试验研究结果表明,上覆荷载为0时,试样的含水率最大,即2个饱和阶段作用下膨胀土边坡浅层表面处的土体的含水率最大。从边坡不利状态考虑,结合式(12),进行2个饱和阶段作用下膨胀土边坡浅层下滑应力计算时,宜选取上覆荷载为0时试样的含水率。由此可见,该计算模型所需参数易于获取,表明该计算模型是便于工程应用的。

一般而言,降雨条件下膨胀土边坡浅层下滑应力随着土体的含水率的增大而增大。由式(12)可知,下滑应力随着含水率的增大而增大,显然该计算模型能够考虑含水率的影响。考虑2个饱和阶段作用时,膨胀土边坡浅层下滑应力的变化规律能够通过该计算模型直观体现。综上,通过式(12)可以进行2个饱和阶段作用下膨胀土浅层下滑应力计算。

为了刻画膨胀土的饱和过程,提出了用2个饱和阶段。考虑不同饱和阶段作用,研发了膨胀土的含水率试验方法,开展了膨胀土的含水率试验研究,结合理论推导,分析了重度演化规律,得到了膨胀土边坡浅层下滑应力计算模型,为进一步研究膨胀土课题提供了理论基础和科学依据。本文得到如下结论:

① 饱和过程中,随着膨胀变形的增加,膨胀土的含水率随之增大,而重度随之减小,表明饱和完成后膨胀土的重度和含水率与其膨胀变形密切相关。当膨胀变形为0时,饱和完成后膨胀土的重度最大,含水率最小;当膨胀变形最大时,饱和完成后膨胀土的重度最小,含水率最大。

② 无上覆荷载作用时,低初始含水率的膨胀土饱和完成后的含水率远大于高初始含水率的。

③ 侧限条件下,在上覆荷载从0增加到等于膨胀土膨胀力过程中,随着上覆荷载的增加,膨胀土的重度也随之增加,而膨胀土的含水率随之减小,表明饱和完成后膨胀土的重度和含水率与上覆荷载密切相关。侧限条件下,无上覆荷载时,饱和完成后膨胀土的重度最小,含水率最大;上覆荷载等于膨胀力时,饱和完成后膨胀土的重度最大,含水率最小。

④ 基于2个饱和阶段评价方法,得到了能够考虑含水率影响的膨胀土边坡浅层下滑应力计算模型,也能直观反映降雨条件下膨胀土边坡浅层下滑应力变化规律。据此,进行2个饱和阶段作用下膨胀土边坡浅层下滑应力计算时,宜选取上覆荷载为0时试样的含水率。

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