劉正楠 張銳 唐德力 劉昭京 周豫

DOI：?10.11835/j.issn.2096-6717.2021.268

收稿日期：2021?08?24

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51978085）；中國國家鐵路集團(tuán)有限公司科技研究開發(fā)計(jì)劃（K2020G036、K2019G045）

作者簡介：劉正楠（1992-?），男，博士，主要從事膨脹土研究，E-mail：lin@csust.edu.cn。

通信作者：張銳（通信作者），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：zr@csust.edu.cn。

Received： 2021?08?24

Foundation items： National Natural Science Foundation of China （No. 51978085）; Research and Development Project of China National Railway Group Co.， Ltd. （Nos. K2020G036， K2019G045）

Author brief： LIU Zhengnan （1992-?）， PhD， main research interest： expansive soil， E-mail： lzn@csust.edu.cn.、

corresponding author：ZHANG Rui （corresponding author）， PhD， professor， doctorial supervisor， E-mail： zr@csust.edu.cn.

摘要：評估膨脹土的膨脹行為對于膨脹土地區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分重要。因降雨入滲，膨脹土在垂直方向和水平方向均產(chǎn)生膨脹變形，當(dāng)膨脹變形受抑制時(shí)將產(chǎn)生膨脹壓力，影響其周圍結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為揭示膨脹土在增濕膨脹過程中出現(xiàn)各向異性的原因，從微觀角度出發(fā)，通過電鏡掃描（SEM）對百色中膨脹土和枝江弱膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，并通過圖像處理技術(shù)統(tǒng)計(jì)分析膨脹土內(nèi)黏土礦物顆粒的層狀排列。通過研發(fā)的二維膨脹儀和改進(jìn)的試件制備方法，從宏觀角度測得了側(cè)限條件下的兩向膨脹規(guī)律。研究結(jié)果表明，膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)呈片狀且面-面相疊；當(dāng)膨脹土處于天然松散狀態(tài)時(shí)，其內(nèi)部的黏土礦物顆粒隨機(jī)定向排列且集聚；壓實(shí)后，因受各向不均等應(yīng)力作用，黏土礦物顆粒開始趨向于水平層狀排列;干密度越大，土樣越密實(shí)，其水平層狀排列越顯著。側(cè)限條件下，兩向的膨脹規(guī)律表現(xiàn)出顯著的差異，干密度越大，膨脹性越強(qiáng)，這種差異就越明顯。然而，對黏土礦物顆粒來說，其膨脹的方向垂直于其長軸，高度的水平定向是造成膨脹土在宏觀上表現(xiàn)出膨脹各向異性的原因，這種兩向的膨脹差異受到干密度和膨脹性的影響，難以做出預(yù)測，建議在工程實(shí)踐中實(shí)測兩向的膨脹規(guī)律。

關(guān)鍵詞：膨脹土；膨脹各向異性；微觀結(jié)構(gòu)；電鏡掃描；膨脹試驗(yàn)

中圖分類號：TU443；U416.1 ????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ????文章編號：2096-6717（2024）02-0060-10

Influence of microstructure of expansive soil on swelling behavior

LIU Zhengnan¹，?ZHANG Rui¹，?TANG Deli¹，?LIU Zhaojing²，?ZHOU Yu¹

（1. School of Traffic & Transportation Engineering， Changsha University of Science & Technology， Changsha 410114， P. R. China；?2.China Railway Nanning Group Co.， Ltd.， Nanning 530029， P. R. China）

Abstract： Evaluation of swelling behavior is of great importance for designing structures in expansive soils areas. Due to infiltration， the expansive soil produces swelling deformation in both vertical and horizontal directions， and the swelling pressure occurs if the swelling deformation was restrained that influences the stability of surrounding structures. In order to reveal the causes of anisotropy behavior of expansive soil in the process of wetting and swelling， from the microscopic point of view， this paper observed the microstructure of expansive soil from Baise with medium swelling potential and Zhijiang with weak swelling potential respectively， and statistically analyzed the orientated distribution of clay mineral particles in expansive soil by image processing technique. Meanwhile， from macroscopic aspect， variations of swelling strain with swelling pressure were measured under lateral confining condition via the developed 2D dilatometer and the modified specimen preparation method. The results show that the microstructure of expansive soil is flaky and stacked layer by layer. When the expansive soil is of natural loose state， the clay mineral particles are randomly oriented and aggregated; After compaction， clay mineral particles tend to be horizontally oriented due to the anisotropic stress. The higher the dry density， the denser the soil sample， and the more obvious its horizontal orientation. Under lateral confined condition， significant swelling differences are observed between the vertical and horizontal direction. The greater the dry density， the stronger the swelling capacity， and the more obvious the difference. However， for clay mineral particles， the swelling direction is perpendicular to their long axis， so the highly horizontal orientation is the reason why expansive soil shows swelling anisotropy behavior in macroscopic view. The swelling anisotropy is influenced by dry density and swelling ability， which is difficult to estimate， therefore it is suggested to measure the swelling principle in two directions in engineering practice.

Keywords： expansive soil；?swelling anisotropy；?microstructure；?scanning electron microscope；?swelling test

膨脹土在中國分布十分廣泛，因富含蒙脫石等親水性黏土礦物，表現(xiàn)出吸水膨脹變形的工程特性。豎向膨脹將引起地基的不均勻隆起而使上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞^[1-2]，側(cè)向膨脹則會(huì)影響膨脹土邊坡及其支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性^[3-6]。當(dāng)膨脹變形受到約束時(shí)，則會(huì)對周圍土體或結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生較大膨脹力，給建筑、交通運(yùn)輸、水利等行業(yè)的建設(shè)帶來極大的危害和巨大的經(jīng)濟(jì)損失^[7-8]。膨脹土在豎向和側(cè)向的膨脹行為存在差異^[9-11]，這種宏觀膨脹表現(xiàn)與微觀結(jié)構(gòu)演變必然存在關(guān)聯(lián)，因此，有必要從宏-微觀的尺度研究分析膨脹土出現(xiàn)膨脹各向異性的原因。

對于膨脹土微觀結(jié)構(gòu)的研究方法有許多種，常用的有X射線衍射（XRD）、電子顯微鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、壓汞法（MIP）以及環(huán)境掃描電子顯微鏡（ESEM）^[12]。研究者通過各種不同的方法在膨脹土微結(jié)構(gòu)研究方面取得了許多成果。Katti等^[13]、陳宇龍^[14]通過SEM對膨脹土微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究，研究表明紊流結(jié)構(gòu)、層流結(jié)構(gòu)、膠式結(jié)構(gòu)及粒狀堆積結(jié)構(gòu)是膨脹土微結(jié)構(gòu)土體主要的排列方式。戴張俊等^[15]用MATLAB軟件對掃描電鏡下膨脹土微結(jié)構(gòu)的SEM圖像進(jìn)行處理，研究了土體孔隙和微結(jié)構(gòu)單元體的微觀特征，發(fā)現(xiàn)膨脹性不同的土的微觀結(jié)構(gòu)特征存在差異。Zou等^[16]通過SEM研究了氯化鈉溶液濃度對膨脹土微觀結(jié)構(gòu)的影響，藺建國等^[17]也利用MIP和SEM對孔隙溶液于膨脹土微觀結(jié)構(gòu)的影響開展研究，結(jié)果表明溶液濃度會(huì)改變微結(jié)構(gòu)的排列與疊聚。在宏觀膨脹行為研究方面，以往對膨脹土的膨脹特性研究多側(cè)重于豎向，應(yīng)用固結(jié)儀和三軸儀在側(cè)限條件下的單向膨脹試驗(yàn)，獲取不同濕密狀態(tài)或上覆荷載下的豎向膨脹力及變形規(guī)律^[18]。由于現(xiàn)行規(guī)范中尚無側(cè)向膨脹試驗(yàn)方法，在膨脹土地區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)常用豎向膨脹力進(jìn)行折減代替?zhèn)认蚺蛎浟Γ瑢⑴蛎浲烈暈楦飨蛲圆牧线M(jìn)行簡化處理，造成較大設(shè)計(jì)誤差。為此，眾多學(xué)者開展了膨脹土側(cè)向膨脹特性的研究，通過增加側(cè)向應(yīng)力量測裝置對固結(jié)儀進(jìn)行改進(jìn)^[19-20]，或研制了三向脹縮儀對三向的膨脹變形規(guī)律開展研究^[21-23]，并基于宏觀試驗(yàn)現(xiàn)象，從微觀角度解釋了膨脹各向異性的原因，認(rèn)為膨潤土內(nèi)的蒙脫石疊片在空間中的定向是隨機(jī)的，但在壓實(shí)作用下，疊片被迫垂直于壓實(shí)方向，使得豎向膨脹力大于側(cè)向膨脹力。謝云等^[24]、楊長青等^[25]、池澤成等^[26]和劉洪伏等^[27]也通過三向脹縮儀開展了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)干密度是影響膨脹各向異性的重要因素。賈景超^[28]分析了土體微觀結(jié)構(gòu)對宏觀膨脹特性的影響，利用概率密度函數(shù)描述了膨脹土內(nèi)土顆粒的定向排列。綜上所述，膨脹土膨脹的各向異性與其物質(zhì)組成、微結(jié)構(gòu)特征等密切相關(guān)。但從目前已有的研究成果來看，對于膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)的研究大多是定性描述，而定量的計(jì)算分析還相對缺乏，且較少將微觀結(jié)構(gòu)的定量分析與宏觀力學(xué)性質(zhì)建立聯(lián)系。

為進(jìn)一步揭示膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)的分布特征及其對膨脹各向異性的影響機(jī)理，以廣西百色中膨脹土和湖北枝江弱膨脹土為研究對象，通過電鏡掃描SEM對松散土樣、不同干密度下的壓實(shí)土樣進(jìn)行了觀察，觀察面分別為平行壓實(shí)方向和垂直壓實(shí)方向。通過對SEM圖像進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)分析不同干密度下兩種膨脹土內(nèi)的黏土礦物與水平方向夾角的分布概率，并從微觀角度分析了出現(xiàn)膨脹各向異性原因；利用研發(fā)的二維膨脹儀并改進(jìn)試件制備方法，開展側(cè)限條件下的兩向膨脹試驗(yàn)，得到了豎向和側(cè)向的膨脹力隨膨脹應(yīng)變的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)土樣

選取百色膨脹土和枝江膨脹土作為試驗(yàn)土樣。其中，百色膨脹土土樣取自廣西壯族自治區(qū)?。×郑┌伲ò偕└咚俟稫173+300處，取土深度為6 m。該地位于百色盆地，屬于中國典型的膨脹土分布區(qū)。土樣呈灰白色，硬塑-堅(jiān)硬狀，天然含水率為20.1%，天然干密度為1.57 g/cm³。枝江膨脹土土樣取自湖北省枝江市安（安福寺） 猇（猇亭區(qū)）一級公路K5+448處，取土深度為4 m。該線路區(qū)膨脹土大部分分布于構(gòu)造、剝蝕丘陵區(qū)的第四系更新統(tǒng)黏土中，土體中普遍夾有網(wǎng)紋狀高嶺土。土樣呈棕紅色，堅(jiān)硬狀，天然含水率為27.7%，天然干密度為1.62 g/cm³。

通過室內(nèi)試驗(yàn)獲得了百色膨脹土和枝江膨脹土的基本土性參數(shù)，如表1所示。同時(shí)，根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）中膨脹土膨脹性的判別標(biāo)準(zhǔn)^[29]，開展了自由膨脹率和標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果一并匯總于表1。試驗(yàn)結(jié)果表明，百色膨脹土為中膨脹土，枝江膨脹土為弱膨脹土。

另外，為獲得兩種土樣的礦物成分，采用Smartlab型XRD分析儀對試驗(yàn)土樣的礦物組成開展了分析，測試結(jié)果如圖1所示。

XRD測試結(jié)果表明，百色膨脹土和枝江膨脹土的礦物組成基本相似，其主要成分為石英、蒙脫石、伊利石、高嶺石。其中，百色膨脹土中還含有少量的方解石。百色膨脹土的黏土礦物含量約為45.2%，其中，蒙脫石類黏土礦物的含量約為16.6%；枝江膨脹土黏土礦物約占46.8%，其中，蒙脫石類黏土礦物的含量約為8.1%。

2 試驗(yàn)裝置與試件制備

2.1 試驗(yàn)裝置

為研究膨脹土增濕膨脹所產(chǎn)生的膨脹各向異性行為，研發(fā)了二維膨脹儀。該裝置由試驗(yàn)盒、加載系統(tǒng)以及量測系統(tǒng)3部分組成，如圖2所示。

試件為54.77 mm（長）×54.77 mm（寬）×20 mm（高）的長方體，試驗(yàn)時(shí)置于試驗(yàn)盒內(nèi)。試件經(jīng)透水石與試驗(yàn)盒側(cè)壁相連，緊貼透水石的側(cè)壁上設(shè)有透水孔。與之相對的方向上設(shè)有電阻應(yīng)變式壓力傳感器，用以實(shí)時(shí)量測土樣膨脹過程中所產(chǎn)生的側(cè)向壓力，該傳感器量程為0～450 kPa，精度為±1 kPa。傳感器后側(cè)設(shè)有位移傳動(dòng)裝置，由步進(jìn)電機(jī)、傳動(dòng)桿和移動(dòng)限位塊組成，通過儀表自動(dòng)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)桿前進(jìn)或后退，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中側(cè)向的加卸載；與之正交的方向上，試驗(yàn)盒側(cè)壁設(shè)有限位器，以確保上蓋板放置后不會(huì)造成試件體積的改變；該裝置與三聯(lián)中壓固結(jié)儀杠桿機(jī)構(gòu)配合使用，可通過增減砝碼實(shí)現(xiàn)豎向的加卸載。試驗(yàn)時(shí)，豎向荷載通過壓力桿作用于上蓋板，再經(jīng)上蓋板傳遞至試件。另外，在豎向和側(cè)向均設(shè)有LVDT位移傳感器，可實(shí)時(shí)采集兩向的位移，其量程為0～10 mm，分辨率為0.001 mm。

2.2 試件制備

增濕膨脹后，膨脹土側(cè)壓力由兩部分組成，一部分是由上覆荷載引起的側(cè)向壓力，其數(shù)值等于上覆荷載乘側(cè)壓力系數(shù)；另一部分則是增濕產(chǎn)生的側(cè)向膨脹壓力。若直接通過側(cè)向壓力傳感器對試件增濕過程所產(chǎn)生的側(cè)向壓力進(jìn)行量測，測得的實(shí)際上是兩者的合力，無法獲得真實(shí)的側(cè)向膨脹力。借鑒膨脹力的測試思想，上覆荷載實(shí)際上就等于豎向膨脹壓力。若將靜壓制樣后的試件旋轉(zhuǎn)90°使之側(cè)向朝上，則原試件的側(cè)向（垂直壓實(shí)面的方向）變?yōu)榕蛎泝x中的豎向，即可由上覆荷載與膨脹壓力相等，在二維膨脹儀的豎向測得試件原側(cè)向的膨脹力。為此，為測得兩向的膨脹壓力隨膨脹變形的變化規(guī)律，自制了兩種試件制備裝置，分別用于制備豎向膨脹試驗(yàn)試件和側(cè)向膨脹試驗(yàn)試件，如圖3所示。

在實(shí)際工程中，膨脹土一般用于膨脹土下路堤填筑和土工格柵加筋膨脹土邊坡的回填?？紤]到實(shí)際工程應(yīng)用，采用重塑土開展試驗(yàn)。由于干燥的膨脹土樣與水混合后極易成團(tuán)，導(dǎo)致制備的混合物含水率分布極不均勻。為此，土樣經(jīng)烘箱在105 ℃的溫度下干燥并破碎后，需先過一次1 mm的篩以獲得粒徑小于1 mm的粉末；在制備試樣前，配置的土樣還需再過一次1 mm的篩。

考慮到膨脹土在實(shí)際工程應(yīng)用中，其壓實(shí)度不大于93%。設(shè)定試件的初始干密度為濕法重型擊實(shí)試驗(yàn)所確定最大干密度的93%、90%和87%；初始含水率均設(shè)定為濕法重型擊實(shí)試驗(yàn)所確定的最佳含水率，如表2所示。其中，BS93V代表在93%的最大干密度下用于豎向膨脹試驗(yàn)的百色膨脹土試件；ZJ90H代表在90%的最大干密度下用于側(cè)向膨脹試驗(yàn)的枝江膨脹土試件。

3 電鏡掃描（SEM）試驗(yàn)

3.1 SEM樣品制備

為觀測到靜壓后的試件沿壓實(shí)方向和垂直于壓實(shí)方向的黏土礦物排列特征，在通過圖3（b）制樣裝置制備完長方體試件后，用小刀分別沿平行于壓實(shí)方向和垂直于壓實(shí)方向?qū)Σ煌脑嚰髑腥×艘婚L條土樣，如圖4所示。所取土條厚度不宜過大以免影響其導(dǎo)電性能。

將切割后的土條放入烘箱（溫度設(shè)為105 ℃）干燥24 h以上；待土條干燥冷卻后，再用小刀在圖4所示觀察面附近預(yù)先刻出槽痕，然后沿槽痕將土條掰斷；其后，用耳球?qū)⑵屏衙姹砻娴母⊥链捣鞲蓛?，將處理后樣品的破裂面的背面用?dǎo)電雙面膠帶固定在樣品臺上。試驗(yàn)過程中保證試樣底面平整，以保證樣品具有良好的導(dǎo)電通道，接著將固定在樣品臺上的樣品置于離子濺射儀內(nèi)噴金處理；最后將噴金處理后的樣品繼續(xù)抽真空干燥12 h以上，至此得到最終的SEM試驗(yàn)樣品，如圖5所示。

3.2 膨脹土微結(jié)構(gòu)特征

通過電鏡掃描，對天然松散狀態(tài)下的膨脹土、沿壓實(shí)方向和垂直于壓實(shí)方向的壓實(shí)樣進(jìn)行了觀測，放大倍數(shù)為5 000倍，如圖6所示。

圖6表明，無論是松散狀態(tài)還是壓實(shí)狀態(tài)下的膨脹土，其微結(jié)構(gòu)多呈片狀且面-面相疊或邊-面相疊。對于天然松散狀態(tài)下的膨脹土來說，這是由沉積和固結(jié)作用所致，膨脹土天然地基即為典型的層狀結(jié)構(gòu)，故在其內(nèi)所取的松散土樣上亦觀測到相應(yīng)成層的微觀結(jié)構(gòu)特征。另外，比較壓實(shí)樣品和松散樣品的SEM圖片可以發(fā)現(xiàn)，壓實(shí)作用加劇了土顆粒的成層。壓實(shí)過程中，土樣在側(cè)限條件下受到各向不等的應(yīng)力作用，使得這些片狀結(jié)構(gòu)沿其壓實(shí)方向面-面相疊。

對比壓實(shí)后的百色膨脹土（圖6（b）、（c））和枝江膨脹土（圖6（d）、（e））樣品的SEM圖片發(fā)現(xiàn)，百色膨脹土微結(jié)構(gòu)單元以不規(guī)則片狀黏土礦物為主，有明顯的彎曲或卷曲片狀顆粒，微結(jié)構(gòu)特征以紊流狀結(jié)構(gòu)為主，局部層狀排列；而枝江膨脹土微結(jié)構(gòu)單元以粒狀顆粒、扁平狀顆粒為主，含片狀顆粒，單粒體較多，卷曲片狀顆粒少見。微結(jié)構(gòu)特征以粒狀顆粒堆疊結(jié)構(gòu)為主，含紊流結(jié)構(gòu)、絮凝結(jié)構(gòu)。另外，對于不同干密度的樣品，其內(nèi)部土顆粒的排列情況也不相同。干密度越大的土樣里面所含片狀黏土顆粒更多，所含孔隙也較少，顆粒排列也更加密實(shí)。

3.3 微結(jié)構(gòu)定向度分布統(tǒng)計(jì)

用專業(yè)圖像處理軟件Image-Pro Plus 6.0對樣品的SEM圖像進(jìn)行可視化處理，提取膨脹土微觀結(jié)構(gòu)中片狀黏土顆粒，并利用軟件的測量功能對片狀黏土顆粒的傾角進(jìn)行自動(dòng)測量。由于單元體的定向方位在0°～180°和180°～360°范圍內(nèi)為鏡像對稱，故只需統(tǒng)計(jì)0°～180°內(nèi)的方位即可，以10°為單位分為18個(gè)方位區(qū)，并相應(yīng)地將強(qiáng)度等級也分為18級。根據(jù)圖像中每一個(gè)像元的強(qiáng)度等級確定該像元所處的方位，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)整個(gè)圖像中單元體的傾角分布，然后對每一級的概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。某強(qiáng)度等級占據(jù)的概率越大，說明單元體在這一方位上成層程度越高。

為減少SEM圖像選擇的隨意性與主觀性對統(tǒng)計(jì)結(jié)果帶來的誤差，視樣品大小差異，每種樣品拍攝200～500張照片。拍照時(shí)，先將焦距調(diào)至5 μm（放大5 000倍），待聚焦清晰后，拍下第一張照片。其后，按從左至右、從上至下的順序，待前一張照片拍攝完畢后，移動(dòng)觀察窗至前一張照片圖像徹底不見，然后再拍攝下一張，如圖7所示。

據(jù)此，得到不同干密度下的枝江膨脹土和百色膨脹土SEM照片中黏土礦物水平夾角概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖8所示。

圖8表明，片狀黏土顆粒與水平面的傾角處于0°～10°和170°～180°區(qū)間內(nèi)的概率相對較大，即多趨向于水平定向排列。對于不同干密度的土樣其水平夾角分布情況是不同的。隨著干密度的增加，對于百色膨脹土來說，其處于0°～10°和170°～180°區(qū)間內(nèi)的分布概率之和也在增加。當(dāng)密實(shí)度由87%增加至90%時(shí)，分布概率由14.5%增大至20.1%，增幅為38.6%；當(dāng)密實(shí)度由90%增加至93%時(shí)，分布概率則由20.1%增大至22.6%，增幅為12.4%。對于枝江膨脹土來說，其處于0°～10°和170°～180°區(qū)間內(nèi)的分布概率之和也在增加。當(dāng)密實(shí)度由87%增加至90%時(shí)，分布概率由14.8%增大至16.3%，增幅為10.1%；當(dāng)密實(shí)度由90%增加至93%時(shí)，分布概率則由16.3%增大至24.3%，增幅為49.1%?？梢?，兩種膨脹土中黏土礦物顆粒與水平方向的夾角處于0°～10°和170°～180°區(qū)間內(nèi)的分布概率隨密實(shí)度的變化規(guī)律十分相近，說明相較于膨脹性（蒙脫石含量），膨脹土內(nèi)黏土礦物顆粒傾向于水平分布的概率與密實(shí)度密切相關(guān)。

綜上所述，當(dāng)膨脹土處于天然松散狀態(tài)時(shí)，其內(nèi)部的黏土礦物顆粒隨機(jī)定向排列且集聚；壓實(shí)后，因受各向不均等應(yīng)力作用，黏土礦物顆粒開始趨向于水平層狀排列。干密度越大，土樣越密實(shí)，其水平層狀排列越顯著，但絕大多數(shù)黏土礦物顆粒仍會(huì)有一定的傾角，即傾斜狀排列。而膨脹土的增濕膨脹主要是沿垂直于黏土礦物顆粒長軸的方向，故這種不均勻的定向分布將使得膨脹土出現(xiàn)兩向膨脹的差異，即膨脹各向異性，且因黏土礦物顆粒多趨于水平定向排列而在宏觀上表現(xiàn)出豎向膨脹能力強(qiáng)于側(cè)向的特征。

4 側(cè)限條件下的兩向膨脹試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

經(jīng)試樣制備后，將試件正方形截面（54.77 mm×54.77 mm）朝上放入二維膨脹儀中，然后通過儀表自動(dòng)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)桿向試件前進(jìn)，直至與土樣充分接觸后（壓力傳感器讀數(shù)為3～5 kPa）固定不動(dòng)；其后，依次放置上蓋板、壓力桿和豎向LVDT位移傳感器，加水開展恒體積膨脹試驗(yàn)；待膨脹穩(wěn)定后，豎向逐級卸載直至為0。豎向約束狀態(tài)的減弱會(huì)對側(cè)向的壓力傳感器讀數(shù)造成影響，為保證側(cè)向約束狀態(tài)的一致性，每級卸荷后均需控制步進(jìn)電機(jī)令壓力傳感器讀數(shù)始終保持為恒體積條件下測得的側(cè)向壓力讀數(shù)。試驗(yàn)過程中試件的受力情況和邊界條件如圖9所示。

試驗(yàn)過程中試件始終受側(cè)限的約束作用，不計(jì)試件的重力，在恒體積膨脹至穩(wěn)定時(shí)（狀態(tài)①），如圖9（a）所示，膨脹儀豎向的膨脹力與上覆荷載相等為σ_z（σ′_z）；膨脹儀側(cè)向膨脹力與二維膨脹儀側(cè)壁反力相等為σ_x（σ′_x）。此時(shí)，減小上覆荷載至σ_zi（σ′_zi），試件將于豎向產(chǎn)生膨脹變形，在該過程中原膨脹儀豎向的膨脹力亦將發(fā)生衰減直至再次與本次卸荷后的上覆荷載相等。待再次膨脹至穩(wěn)定時(shí)（狀態(tài)②），如圖9（b）所示，膨脹儀豎向的膨脹力仍與卸荷后的上覆荷載相等為σ_zi（σ_zi′）；由于卸荷作用于豎向產(chǎn)生一定的膨脹變形ε_zi（ε_zi′）?？梢?，在狀態(tài)①到狀態(tài)②的過程中，因約束狀態(tài)的減弱，試件發(fā)生了一定的體變，但是最終又在新的約束狀態(tài)下達(dá)到了一種新的平衡狀態(tài)。待每級卸荷膨脹至穩(wěn)定時(shí)，記錄該過程中每一級的應(yīng)力及變形，即可分別通過豎向膨脹試驗(yàn)和側(cè)向膨脹試驗(yàn)，得到試件豎向（沿壓實(shí)方向）膨脹力與膨脹應(yīng)變的變化規(guī)律σ_zi～ε_zi、試件側(cè)向（垂直壓實(shí)方向）膨脹力與膨脹應(yīng)變的變化規(guī)律σ_zi′～ε_zi′。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

通過改進(jìn)試件制備方法和研發(fā)的二維膨脹儀，并考慮干密度對膨脹性的影響，開展了側(cè)限條件下的豎向膨脹試驗(yàn)和側(cè)向膨脹試驗(yàn)，共計(jì)12個(gè)測試序列，見表2。圖10為不同干密度下百色膨脹土和枝江膨脹土試件的兩向膨脹規(guī)律。

圖10表明，兩種膨脹土在不同干密度下的膨脹應(yīng)變均隨膨脹壓力的變化而非線性變化。而隨著干密度的減小，最大膨脹應(yīng)變和最大膨脹壓力的幅值均在減小，變化曲線亦越靠近原點(diǎn)，這說明在初始含水率一定的情況下，膨脹土的干密度越小，其膨脹潛勢越弱。此外，比較圖10（a）和圖10（b）、圖10（c）和圖10（d）可以發(fā)現(xiàn)，對于同一種土來說，其兩向的膨脹規(guī)律存在差異，在初始含水率和初始干密度一定的情況下，豎向的膨脹性要強(qiáng)于側(cè)向，這與微觀結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果相一致。

當(dāng)上覆荷載為0時(shí)，膨脹應(yīng)變達(dá)到最大值，即為無荷膨脹率；當(dāng)恒體積膨脹時(shí)，膨脹應(yīng)變?yōu)?，恒體積膨脹壓力為最大值。故無荷膨脹率和恒體積膨脹壓力為膨脹土增濕膨脹過程中的兩個(gè)極限狀態(tài)。若定義膨脹壓力的各向異性系數(shù)（R_p）為側(cè)向的恒體積膨脹壓力比豎向的恒體積膨脹壓力，定義膨脹應(yīng)變的各向異性系數(shù)（R_s）為側(cè)向的無荷膨脹率比豎向的無荷膨脹率，即可得到兩個(gè)各向異性系數(shù)隨干密度的變化關(guān)系，如圖11所示。

圖11表明，隨壓實(shí)度的降低（干密度的減?。?，兩個(gè)各向異性系數(shù)均在增大，其數(shù)值上亦越趨近于1，這表明膨脹的各向異性在逐漸減弱。另外，對比百色膨脹土和枝江膨脹土的各向異性系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，膨脹性更強(qiáng)的百色膨脹土的各向異性要比枝江膨脹土更顯著。這是由兩者蒙脫石含量的差異性所致，根據(jù)XRD的測試結(jié)果，百色膨脹土的蒙脫石類黏土礦物的含量約為16.6%，而枝江膨脹土的蒙脫石類黏土礦物的含量約為8.1%，兩者相差近一倍。干密度越大的土越密實(shí)，使得單位體積內(nèi)的蒙脫石含量就越多。而干密度越大的土其內(nèi)部黏土礦物的水平定向就越顯著，故而蒙脫石礦物水平定向的數(shù)量也就越多，進(jìn)而使得兩向的膨脹差異越明顯。

Selig等^[30]指出膨脹土的體積改變主要由作用于土樣的平均應(yīng)力引起。試驗(yàn)中，膨脹土試件被放置于二維膨脹儀中并受到側(cè)限的約束作用，故體變量就等于豎向LVDT位移傳感器監(jiān)測到的膨脹應(yīng)變。平均應(yīng)力按式（1）計(jì)算。

式中：p為平均應(yīng)力，kPa；σ_z為豎向應(yīng)力，kPa；σ_x為側(cè)向應(yīng)力，kPa。圖12為各測試序列體變量隨平均應(yīng)力的變化規(guī)律。

圖12表明，兩種膨脹土增濕膨脹后的體變量均隨平均應(yīng)力的增大而非線性減小，干密度越大的試件受到更大的平均應(yīng)力，亦產(chǎn)生更大的體變量。比較任意特定土質(zhì)和特定干密度下的兩向膨脹試驗(yàn)結(jié)果均可發(fā)現(xiàn)，與側(cè)向膨脹試驗(yàn)的試件相比，豎向膨脹試驗(yàn)的試件受到較小的平均應(yīng)力時(shí)將產(chǎn)生較大的體變量。例如ZJ93V和ZJ93H，ZJ93V經(jīng)歷的平均應(yīng)力的下限值要比ZJ93H小，但ZJ93V產(chǎn)生的體變量上限值要比ZJ93H大。這是由膨脹潛勢所決定的，一旦初始含水率和初始干密度一定，試件的膨脹潛勢亦已確定。在增濕膨脹的過程中，當(dāng)不允許發(fā)生膨脹變形時(shí)，膨脹潛勢將轉(zhuǎn)化為膨脹壓力；而當(dāng)允許發(fā)生膨脹時(shí)，則轉(zhuǎn)化為膨脹變形。從恒體積膨脹到無荷膨脹的過程中，試件所受到的約束作用逐步減小，膨脹壓力逐步轉(zhuǎn)化為膨脹變形。故豎向較大的膨脹壓力要全部釋放則會(huì)產(chǎn)生較大的膨脹變形，又因恒體積條件下的豎向膨脹力要大于側(cè)向膨脹力，故而完全卸除后，豎向膨脹試驗(yàn)試件所受到的平均應(yīng)力自然要小于側(cè)向膨脹試驗(yàn)的試件。此外，比較圖12（a）和圖12（b）還可發(fā)現(xiàn)，百色膨脹土的體變量隨平均應(yīng)力變化曲線均比枝江膨脹土的大。這說明膨脹性越強(qiáng)的土，其體變量對平均應(yīng)力更為敏感。

5 結(jié)論

以百色中膨脹土和枝江弱膨脹土作為對象，通過XRD和SEM試驗(yàn)對土樣礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析；在研發(fā)了二維膨脹儀的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)試件制備方法開展了側(cè)限條件下兩向的宏觀膨脹試驗(yàn)；通過微-宏觀試驗(yàn)結(jié)果，探討了膨脹各向異性產(chǎn)生的原因。主要結(jié)論如下：

1）無論是松散狀態(tài)還是壓實(shí)狀態(tài)下的膨脹土，其微結(jié)構(gòu)多呈片狀且成層分布，壓實(shí)作用將加劇土顆粒的成層，使得黏土礦物片狀結(jié)構(gòu)沿其壓實(shí)方向?qū)訉佣询B。百色膨脹土微結(jié)構(gòu)特征以紊流狀結(jié)構(gòu)為主，局部定向排列；枝江膨脹土微結(jié)構(gòu)特征以粒狀顆粒堆疊結(jié)構(gòu)為主，含紊流結(jié)構(gòu)、絮凝結(jié)構(gòu)。

2）片狀黏土顆粒的傾角處于0°～10°和170°～180°區(qū)間內(nèi)的概率相對較大，即多趨向于水平層狀排列。隨干密度的降低，該區(qū)間的分布概率由24.3%下降至14.8%，說明隨著干密度的降低，其夾角分布趨于均勻化。而膨脹土的增濕膨脹主要是沿垂直于黏土礦物顆粒長軸的方向，故這種不均勻的定向分布將使得膨脹土出現(xiàn)兩向膨脹的差異，即膨脹各向異性。

3）對于同一種土來說，其兩向的膨脹規(guī)律存在差異，在初始含水率和初始干密度一定的情況下，豎向的膨脹性要強(qiáng)于側(cè)向。隨壓實(shí)度的降低（干密度的減小），膨脹的各向異性在逐漸減弱。膨脹土增濕膨脹后的體變量均隨平均應(yīng)力的增大而非線性減小，干密度越大的試件受到更大的平均應(yīng)力，亦產(chǎn)生更大的體變量。膨脹性越強(qiáng)的土，其膨脹各向異性更為顯著，其體變量對平均應(yīng)力更為敏感。

4）在膨脹土地區(qū)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)膨脹土在實(shí)際工況下的濕密狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)，對豎向和側(cè)向的膨脹規(guī)律進(jìn)行實(shí)測，以提供重要設(shè)計(jì)依據(jù)；本文僅對重塑土樣開展了研究，后續(xù)需進(jìn)一步對原狀土樣的膨脹各向異性開展研究，獲取原狀土樣的兩向膨脹規(guī)律和增濕膨脹過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化，深入揭示膨脹各向異性的形成機(jī)理。

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（編輯??王秀玲）