崔子晏，张凌凯
(1.新疆农业大学 水利与土木工程学院, 新疆 乌鲁木齐 830052；
2.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830052)
北疆某工程是以输水明渠为主的跨流域调水工程，其中部分明渠段通过膨胀土地区，在渠道历年夏季通水、冬季停水的运行方式作用下，极易产生滑坡或局部坍塌，成为工程灾害的多发地、易发地，严重影响输水渠道的运行安全。
膨胀土作为一种特殊的高液限黏土，具有显著的胀缩性[1]，在天然干燥条件下强度较高，遇水会发生膨胀软化，强度降低，再次失水会收缩，表面出现裂缝，极大地损失土体强度。因此，对膨胀土强度、变形与渗透等力学特性的研究成为膨胀土地区工程建设的关键问题[2]。目前，国内外众多学者关于膨胀土的主要研究成果如下：
Dong 等[3]、李新明等[4]通过直剪试验，研究干密度、含水率、上覆压力与地域差异等外在因素对抗剪强度的影响及其变化规律；
Hotineanu 等[5]、陈永等[6]、蔡正银等[7]开展室内湿干-冻融耦合循环作用下的直剪试验，认为其抗剪强度损失主要来源于循环作用产生的裂隙；
Keller 等[8]、Bag 等[9]研究颗粒大小与分布、温度、控制吸力与压实度等因素对压缩指标的影响，认为膨胀土的压缩特性主要受初始孔隙比控制；
刘宽等[10]、戴元志等[11]通过压汞试验、显微观测与SEM 扫描电镜试验，研究膨胀土微观孔隙结构与压缩特性之间的关系；
周葆春等[12]研究渗透系数与孔隙比的关系，认为渗透系数主要受粒度、密度、湿度等的影响；
刘宏泰等[13]、党发宁等[14]考虑结合水膜对黏性土渗透特性的影响，定义黏性土的无效孔隙比和有效孔隙比，对常用粗粒土渗透系数经验公式进行修正，得出同时适用粗粒土与黏性土的经验公式；
周建等[15]对膨胀土在渗透作用下的微观结构进行分析，系统总结了膨胀土的微观试验的测试、观察及图片处理技术。
试验所用膨胀土取自北疆某工程总干渠某挖方段的黄色泥岩，具有中膨胀性，颜色呈土黄色，带有少量青色杂质，具有较好的代表性。通过室内试验测得膨胀土的粒径分布如图1 所示，物理性质及矿物成分如表1 和2 所示。
图1 膨胀土粒径分布Fig.1 Particle size distribution of expansive soil
表1 膨胀土基本物理性质指标Tab.1 Basic physical properties
表2 膨胀土矿物组成Tab.2 Composition of expansive soil
为深入研究膨胀土的宏观力学特性与微观物理机制，主要进行直剪试验、侧限压缩试验、变水头渗透试验和SEM 试验。直剪、压缩试验试样控制指标见表3，具体试验方案如下所述。
表3 直剪压缩试样控制指标Tab.3 Control index of direct shear compression specimen
直剪试验环刀样共36 个，每组4 个试样分别施加100、200、300、400 kPa 的轴向压力，固结24 h 后进行快剪试验，剪切速率为0.8 mm/min，剪切至水平位移6 mm 后停止试验。
侧限压缩试验环刀样共10 个，加压方式采用逐级增压，加压等级采用25、50、100、200、400、800、1 200、1 600 kPa，加载荷载直至1 600 kPa 后卸载。
变水头渗透试验取最优含水率18.9%，控制土样干密度分别为1.35、1.45、1.60、1.65、1.70、1.73 g/cm3，使得试样孔隙比接近0、100、200、400、800、1 600 kPa 压力下固结土样。制样完成后，采用真空抽气法对试样进行抽气2 h、饱水24 h 的处理，充分饱和后测定渗透系数ks。
SEM 试验使用 S-3400N II 型扫描电子显微镜进行，试验过程如图2 所示，选取0、100、200、400、800、1 600 kPa 压力下固结及渗透试验完成的土样，经烘干、切样后选取有代表性的截面进行试验，试验时用扫描电子显微镜在放大10 000 倍情况下进行微观结构分析。
图2 膨胀土试样微观试验处理流程Fig.2 Micro-test process for expansive soil test specimen
2.1 含水率对膨胀土抗剪强度的影响分析
图3 为不同含水率膨胀土的剪切特性。图3(a)为不同含水率膨胀土在100 kPa 压力下的应力-应变关系曲线，显示含水率15.8%与19.1%的剪应力近似线性变化，这说明在含水率较低时，峰值不明显，强度相对较高；
含水率由22.1%增加至饱和含水率时，剪应力迅速增加，达到峰值后保持不变直至剪切结束，峰值剪应力随含水率增加明显下降。图3(b)为不同含水率下的峰值剪应力分布，显示峰值剪应力随含水率的增加呈先增后减的变化趋势，含水率接近最优（ ω=19.1%）时达到最大值，之后逐步减小，接近饱和时（ ω=27.8%）时最小。图3(c)为含水率与剪切强度的关系，显示随含水率增大，黏聚力呈线性递减趋势，可用线性函数来表示，相关系数R2=0.944；
内摩擦角受含水率的影响较小，整体变化规律呈先增加后减小趋势，最优含水率为拐点，可用二次函数曲线表示，相关系数R2=0.947，如式（1）、（2）所示：
统计方法：用dps软件中的LSD法进行显著性测验，在本试验中的差异显著性测验均在α=0.05水平上进行。
图3 不同含水率膨胀土的剪切特性Fig.3 Shear strength of expansive soils with different moisture contents
式中：c为土的黏聚力；
φ为土的内摩擦角；
ω为土的含水率。
2.2 干密度对膨胀土抗剪强度的影响分析
图4 为不同干密度膨胀土的剪切特性。由图4 可见：（1）剪应力为“硬化”型曲线，峰值剪应力随干密度的增加呈增加趋势(图4(a))；
（2）不同上覆压力间的峰值剪应力随压力的增加而增加(图4(b))；
（3）相较含水率而言，干密度对黏聚力与内摩擦角的影响较小，随着干密度的增大，黏聚力呈缓慢上升趋势，可用线性函数来表示，相关系数R2=0.964；
内摩擦角呈曲线形式逐渐增加，可用二次函数曲线来表示，相关系数R2=0.969，如式（3）、（4）所示：
图4 不同干密度膨胀土的剪切特性Fig.4 Shear strength of expansive soil with different dry densities
式中：
ρd为土的干密度。
2.3 膨胀土的剪切特性机理分析
含水率对黏聚力影响较大，随含水率的增大黏聚力呈稳定线性减小。主要原因是：含水率增大，颗粒间距变大，水膜连接变弱，削弱了库仑力、范德华力和胶结作用，显著减小土体黏聚力。内摩擦角在含水率较小时小幅增加，随着含水率的增大，水在土体间填补孔隙，减小颗粒间的相互摩擦作用，内摩擦角迅速下降，整体呈现二次函数曲线形式，最优含水率为曲线拐点。
干密度对黏聚力影响较大，随干密度的增大黏聚力呈稳定线性增大。主要原因是膨胀土具有多裂隙性，在剪应力的作用下会首先从裂隙较多的薄弱面产生破坏，而干密度增大，颗粒之间更为密实，通过减小裂隙率来增强薄弱面的抗剪能力，从而增大黏聚力。内摩擦角随干密度的增大整体呈缓慢增大趋势，干密度的增大主要增加颗粒间有效接触面积，对咬合作用几乎不产生影响，通过增加滑动摩擦增大内摩擦角。
3.1 含水率对膨胀土压缩特性的影响分析
图5 为不同含水率下孔隙比随垂直压力p的变化曲线。可见，不同含水率的压缩曲线具有相似性，基本呈下降趋势。在固结前期，孔隙比减小明显，随着上覆压力增加到400 kPa，下降趋势逐渐减缓。由于孔隙水和空气的排出及孔隙闭合，土体压缩程度达到上限，孔隙比趋向稳定。相对而言，较高的含水率最终所达到的稳定孔隙比要低于较低含水率。
图5 不同含水率下膨胀土压缩曲线Fig.5 Compression curve of expansive soil under different moisture contents
由表4 可知，土样压缩系数介于0.1～0.5，属于中压缩性土，随含水率的增大，压缩系数呈上升趋势，压缩模量与压缩系数呈反比。含水率较低时压缩性较低，孔隙比变化幅度较小；
含水率增加到22.0%时，孔隙比产生明显变化；
含水率在22.0%～27.6%时，孔隙比变化引起压缩系数与压缩指数稳步上升。这说明在含水率较高时，土样表现为较高的压缩性，在浸水受压时沉降量明显增大。
表4 膨胀土的不同含水率下压缩性指标Tab.4 Compressibility index of expansive soil
3.2 干密度对膨胀土压缩特性的影响分析
图6 为不同干密度下孔隙比随垂直压力p变化曲线，不同干密度的压缩曲线初始孔隙比不同，下降趋势相似。固结前期孔隙比减小明显，随着上覆压力增加到400 kPa，孔隙比保持稳定，压缩性相对较低。干密度较小时颗粒松散堆积，粒间孔隙较大，孔隙比下降明显；
干密度较大时，孔隙基本闭合，压缩性较低。因此，不同干密度试样初始孔隙比不同，但最终达到的稳定孔隙比相近。
图6 不同干密度下膨胀土压缩曲线Fig.6 Compression curve of expansive soil under different dry densities
由表5 可知，随干密度的增大，压缩系数呈下降趋势，压缩模量逐渐增加。干密度较低时压缩性较大，孔隙比变化幅度大；
干密度增加到1.61 g/cm3时，孔隙比与压缩系数逐渐稳定，压缩系数与压缩指数均随干密度的增加而下降。这说明在干密度较高时土样的孔隙比下降明显，表现为较低的压缩性。
表5 不同干密度下膨胀土的压缩性指标Tab.5 Compressibility index of expansive soil under different dry densities
3.3 压缩作用下膨胀土微观结构分析
图7 为不同固结压力下膨胀土的SEM 图像。由图7 可见：（1）可观察到的分散颗粒以细小的黏粒居多，多为片状、扁平状颗粒叠聚体，其面层带有正电荷，边角处带有负电荷，在电荷作用下产生絮凝作用，形成松散堆积的絮凝结构，部分聚集体呈波浪状或花朵状，形成近似流水形态的紊流结构；
（2）随着固结压力的增大，颗粒趋于扁平状，聚集现象明显，片状颗粒间彼此平行排列，形成接触面以面-面结合、高度定向的层流状结构，此时絮凝结构逐渐转化为紊流与层流状结构，膨胀土在固结作用下孔隙比降低，压缩性降低。
图7 不同压力下试样放大10 000 倍SEM 图像Fig.7 SEM images magnified 10 000 times under different pressures
通过Image-J 软件进行微观信息处理，结果如表6 所示。由表6 可知：（1）黏粒颗粒在压力作用下，密度逐渐增大，颗粒总数下降，但总面积、平均尺寸和面积占比增加。（2）当固结压力在0～200 kPa 的范围内时，聚集体间的孔隙缩小为压缩性变化的主要因素，颗粒聚集效应为次要因素，宏观表现为孔隙比减小明显，压缩曲线斜率陡峭，压缩指标变化显著，压缩性较强。固结压力增大到400 kPa 时，聚集体边缘紧密咬合，小孔隙基本闭合，由于土颗粒不可压缩，颗粒总数的下降实质上是固结压力造成较小的颗粒聚集成团，使得可观察的团聚体数量下降。由于固结过程中受力方向单一，形成垂直于压力方向的片状叠聚体，孔隙比趋向于稳定，压缩指标变化较少，压缩性较弱。（3）平均周长受颗粒形状、矿物成分和扫描选区等多因素影响，无明显的规律性。以上结果表明，低压力下粒间孔隙减少，压缩性较强；
较高压力下孔隙基本闭合，聚集体紧密结合，压缩性较低。受限于烘干法的制样方式，高含水率试样难以保持原有微观结构，因此含水率对微观结构的影响有待进一步研究。
表6 颗粒参数Tab.6 Particle parameters
4.1 不同压力下渗透试验参数分析
通过控制试样干密度分别为1.35、1.45、1.60、1.65、1.70、1.73 g/cm3，使孔隙比接近0、100、200、400、800、1 600 kPa 压力下饱和固结土样，通过饱和固结试验获得固结系数，由太沙基一维固结理论（式（5））可推算出饱和渗透系数并与实测值进行对比。
式中：Cv为土的竖向固结系数；
mv为体积压缩系数；
γw为水的重度。
图8 为孔隙比与渗透系数的拟合曲线。由图8可知，随压力的减小孔隙比逐渐增大，渗透系数随之增大，实测渗透系数在200～1 600 kPa 固结压力下相较计算所得渗透系数小0.5～1 数量级，在0～100 kPa固结压力下则远小于实测值（表7），此时土颗粒以松散堆积的聚集体为主，在砂砾颗粒边缘分布大量孔隙，连接贯通形成渗流通道，此范围内膨胀土表现出较强透水性。对不同压力下的渗透系数进行拟合，相关系数为R2=0.924，拟合效果不佳。低压力下的孔隙比受制样扰动较大，因此剔除掉0～100 kPa 固结压力下的渗透系数再进行拟合，其关系可用幂函数来描述，相关系数R2=0.976，拟合效果良好，如式（6）所示：
图8 lgks-e 关系曲线Fig.8 Relationship curves between lgks-e
表7 渗透系数与孔隙比关系Tab.7 Permeability characteristic relationship
式中：ks为土的渗透系数；
e为土的孔隙比。
4.2 不同压力下渗透试样的微观特征分析
图9 为固结压力0～1 600 kPa 土样在渗透作用下的SEM 图像。由图9 可知：（1）渗透作用下颗粒饱满，聚集体结构以絮凝结构居多，紊流结构为辅，聚集体间结构松散，边-面接触及纵向孔隙明显多于未经渗流的压缩试样，且孔隙半径较大，为自由水提供良好的渗流通道，渗透水以重力水为主，这种微观结构使得膨胀土表现出较强透水性。（2）随着固结压力的增大，聚集体以层流状与紊流结构居多，层次感分明，孔隙数量减少，不同层间形成的渗流通道较细，自由水吸附在土颗粒上，靠毛细作用缓慢渗透，结合水所占比重逐渐增加，膨胀土表现出较低渗透性。
图9 渗透作用下放大10 000 倍试样扫描电镜SEM 图像Fig.9 SEM image of 10 000 times magnification sample under infiltration
通过Image-J 软件进行微观信息处理，结果如表8 所示。由表8 可知：（1）渗透系数与孔隙平均面积相关性较小，与总体孔隙面积的变化规律基本一致。（2）当固结压力在0～200 kPa 的范围内时，压力作用下大孔隙半径减小，部分区域内消失成为多个小孔隙；
固结压力增大到400 kPa 时，小孔隙逐渐闭合，总体孔隙面积随压力增大呈先快速下降后逐渐稳定的变化趋势。以上结果表明，固结压力对渗透系数的影响是通过孔隙面积的减少来实现的。由于蒙脱石形成的聚集体连接较弱，在水的作用下易于分散，导致粒间孔隙增大，土颗粒与弱结合水间的电场作用减弱，弱结合水膜变薄，不受电场引力作用的非结合水占比增加，故此时膨胀土渗透水以非结合水为主，渗透系数较大。随着压力增大，非结合水不断排出，土颗粒间距减小，电场作用力增强，在聚集体颗粒表面形成较厚的结合水膜，此时膨胀土渗透水以弱结合水为主，渗透系数较小。
表8 微观试验结果Tab.8 Micro-test results
（1）黏聚力与含水率呈线性负相关，内摩擦角随含水率的增加呈先增后减趋势，在最优含水率时达到峰值；
黏聚力与干密度呈线性正相关，内摩擦角随着干密度的增大呈逐步增大的趋势。
（2）随着含水率的增加，稳定孔隙比呈下降趋势，表明土体的压缩性增强；
随着干密度的增加，初始孔隙比减小，稳定孔隙比趋于定值。电镜扫描结果显示：土体颗粒多为片状颗粒叠聚体，结构类型以絮凝结构和紊流结构为主，低压力下压缩性主要受孔隙数量与大小下降的影响，膨胀土压缩性较高，随着固结压力增加，土体的结构类型由絮凝结构逐渐向紊流和层流状结构演化，颗粒聚集效应明显，膨胀土压缩性降低。
（3）随着固结压力的增加，膨胀土渗透系数呈下降趋势，在低固结压力下渗透性较强，在较高压力（200～1 600 kPa）下较小，量级为10−6～10−8，渗透系数与孔隙比呈正比，可用幂函数的形式表达。电镜扫描结果显示，较低固结压力下，颗粒间距较大，孔隙形成渗流通道，膨胀土的渗透系数较大。随着固结压力的增加，松散堆积结构转变为紧密结合的层流状结构，孔隙面积减小，渗透系数显著降低。
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