北疆供水一期工程膨胀土不同循环模式条件下的胀缩特性.pdf

水利水电科技进展,2023,43(5)摇 Tel:02583786335摇 E鄄mail:jz 摇 http:/第 43 卷第 5 期Vol.43 No.5水 利 水 电 科 技 进 展Advances in Science and Technology of Water Resources2023 年 9 月Sep.2023基金项目:2022 年新疆维吾尔自治区杰出青年科学基金项目(2022D01E45);2023 年自治区水利科技专项资金资助项目(XSXJ鄄2023鄄22);新疆维吾尔自治区寒旱区水资源与生态水利工程研究中心(院士专家工作站)项目(2022.C鄄001)作者简介:张浩(1997),男,硕士研究生,主要从事膨胀土力学特性试验研究。E鄄mail:通信作者:张凌凯(1987),男,副教授,博士,主要从事环境岩土工程研究。E鄄mail:xjau_DOI:10.3880/j.issn.10067647.2023.05.016北疆供水一期工程膨胀土不同循环模式条件下的胀缩特性张摇 浩1,2,张凌凯1,3,许摇 佳4,徐摇 燕4(1.新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆 乌鲁木齐摇 830052;2.新疆科技学院,新疆 库尔勒摇 841000;3.新疆维多尔自治区水利工程安全与水灾害防治重点实验室,新疆 乌鲁木齐摇 830052;4.新疆维吾尔自治区寒旱区水资源与生态水利工程研究中心(院士专家工作站),新疆 乌鲁木齐摇 830052)摘要:为深入探讨北疆供水一期工程膨胀土渠坡胀缩机理,通过对膨胀土进行了 3 种不同循环模式条件下的无荷膨胀率、有荷膨胀率和收缩试验,从宏观角度分析了其胀缩特性规律,并采用扫描电镜试验从微观上揭示其物理机制。结果表明:膨胀土的膨胀变形随时间的延长可分为快速、匀速及稳定 3 个阶段,膨胀变化主要集中在快速膨胀阶段,上覆荷载越大,有荷膨胀率越小,上覆压力抑制了膨胀土的吸水膨胀作用;随着循环次数的增加,无荷膨胀率、有荷膨胀率和线缩率均呈逐渐减小的趋势,第 5 次循环后逐渐趋向于稳定值,其中干湿 冻融循环减小幅度最大,干湿循环次之,冻融循环最小。微观机制方面,试样经过循环后,土体孔隙和颗粒总数呈逐渐增大趋势,颗粒总面积等微观指标逐渐减小;土颗粒大小及含量是影响胀缩性的主要因素,循环作用影响黏土颗粒的大小、含量及排列等因素的变化,其中干湿 冻融循环颗粒总面积变化程度最大,膨胀土试样胀缩变化程度最大,冻融循环对微观结构影响最小,膨胀土试样胀缩变化程度最小。关键词:膨胀土;胀缩特性;微观机制;循环模式;北疆供水一期工程中图分类号:TU443摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 文章编号:10067647(2023)05010708Swelling鄄shrinkage characteristics of expansive soil under different circulation modes in first phase of NorthernXinjiang Water Supply Project/ZHANG Hao1,2,ZHANG Lingkai1,3,XU Jia4,XU Yan4(1.College of WaterConservancy and Civil Engineering,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China;2.Xinjiang University ofScience and Technology,Korla 841000,China;3.Xinjiang Key Laboratory of Water Conservancy Engineering Safety andWater Disaster Prevention,Urumqi 830052,China;4.Xinjiang Cold and Arid Region Water Resources and Ecological WaterConservancy Project Research Center(Academician Workstation),Urumqi 830052,China)Abstract:To further explore the expansion and shrinkage mechanism of expansive soil of the canal slope in the first phaseof Northern Xinjiang Water Supply Project,the free expansion rate,loaded expansive soil rate and shrinkage test of theexpansive soil under three different circulation modes were carried out.The law of expansion and shrinkage characteristicswas analyzed from a macro perspective,and the physical mechanism was revealed from a micro perspective by scanningelectron microscope test.The results show that the expansion deformation of expansive soil can be divided into three stages,including rapid,uniform and stable expansion with the time increase.The expansion change is mainly concentrated in therapid expansion stage.The larger the overburden load,the smaller the loaded expansion rate.The overburden pressureinhibits the water absorption and expansion of expansive soil.With the increase of the cycles,the unloaded expansion rate,the loaded expansion rate and the linear shrinkage rate all show a decreasing trend,and gradually tends to a stable valueafter the fifth cycle.Among them,the dry鄄wet鄄freeze鄄thaw cycle decreases the most,followed by the dry鄄wet cycle,and thefreeze鄄thaw cycle is the smallest.In terms of the microscopic mechanism,after the sample is cycled,the porosity and thetotal number of particles in the soil increase gradually,while micro indexes such as the total area of particles decreasegradually.The size and content of clay particles are the main factors affecting the expansion and shrinkage.The cycle effectaffects the changes of the size,content and arrangement of clay particles.Among them,the total area of dry鄄wet鄄freeze鄄701水利水电科技进展,2023,43(5)摇 Tel:02583786335摇 E鄄mail:jz 摇 http:/thaw cycles has the greatest change,and the expansion and shrinkage of expansive soil samples have the greatest change.The freeze鄄thaw cycle has the least influence on the microstructure,and the expansion and shrinkage of expansive soilsamples have the least change.Key words:expansive soil;swelling鄄shrinkage characteristics;micro mechanism:circular mode;first phase of NorthernXinjiang Water Supply Project摇 摇 强烈胀缩性、多裂隙性、超固结性是膨胀土的基本特性1,导致膨胀土的工程性质十分复杂,对各类工程常造成巨大灾害。强膨胀土具有强烈的膨胀潜势,更易造成边坡失稳,如北疆供水一期工程输水明渠 31.6%的区域经过膨胀土区域,由于季节交替及降水的周期性变化2鄄3,会引起膨胀土的胀缩变形,引发渠坡的安全问题4鄄5及膨胀土的路堑边坡岩体失稳、建筑地基因吸水体胀而发生破坏等问题6,这些灾害均与膨胀土的胀缩特性密切相关。针对膨胀土的胀缩特性,诸多学者从不同角度对此进行了探究。一是进行无荷膨胀率试验,如杨庆等7对重塑膨胀土试样进行膨胀力试验,发现非饱和膨胀土的膨胀力和含水率之间存在指数关系;刘静德等8对膨胀岩进行吸湿条件下的膨胀率试验,推导得出膨胀力经验公式,发现膨胀率与干密度线性正相关,与初始含水率线性负相关;Chertkov9建立膨胀岩膨胀和收缩的物理模型,定量化描述膨胀和收缩的变化;尹鑫等10为准确评价膨胀土胀缩等级,建立直觉模糊集评价模型,对不同指标胀缩性评价结果的敏感性依次排序;吴珺华等11对重塑膨胀土进行无荷条件下的反复膨胀和收缩试验,结果表明随着干湿循环次数的增加,试样的膨胀率和收缩率逐渐减小。二是进行有荷膨胀率试验,如杨和平等12鄄13对膨胀土进行干湿循环条件下有荷条件下的试验研究,得到了膨胀土胀缩变形与强度的变化规律。三是进行收缩试验,如柴肇云等14采用自主开发研制的膨胀试验装置,分析泥质岩的循环胀缩特性;杨和平等12,15通过研制相关仪器来模拟太阳光照加热膨胀土试样,以实现试样的失水过程;唐朝生等16采用全干燥及部分干燥两种干缩途径,发现膨胀土胀缩特征受干缩路径的影响明显;王佩等17通过无侧限抗压强度试验、收缩试验对水泥改性膨胀土进行系统研究,结果表明掺入水泥可以有效改善膨胀土的土体强度和胀缩特性。四是进行微观试验,如钱苗苗等18通过电镜试验研究初始含水率对膨胀力影响的微观机理;张善凯等19鄄20开展了膨胀岩经历干湿循环后利用扫描电子显微镜(SEM)和氮吸附试验,从微观角度分析了膨胀岩吸水膨胀失水收缩的微观机制;Lin 等21鄄22研究了膨胀岩在经历干湿循环后的微观结构变化,解释了干湿循环对膨胀岩微观结构的影响;叶万军等23利用X 射线衍射、扫描电镜等技术,从矿物成分等方面对不同条件下古土壤的细微观特征进行了系统研究;Hiroaki 等24采用纳米焦点 X 射线 CT、X 射线衍射结合三维显微结构分析,研究了不同溶胀性能的致密蒙脱石在不同干密度时的显微结构;Qi 等25鄄26研究了干湿循环条件下的土壤收缩膨胀特性及微观结构变化;何俊等