干湿冻融循环下高岭土变形特性研究

Study on Deformation Characteristics of Kaolin Under Dry-Wet and Freeze-Thaw Cycles

摘要

季冻区地表土体长期受温度与湿度剧烈变化的影响，易产生较大变形并导致路基沉降或建筑物变形等工程问题。该文以季节性冻土地区高岭土为研究对象，研究冻融循环与干湿循环共同作用下高岭土的变形特性。通过自行设计的试验装置，对压实高岭土试样开展干湿循环与间歇冻融循环相互穿插试验，并开展湿润—冻结—融化—干燥循环试验，以探究高岭土在干湿循环与冻融循环共同作用下的胀缩变形特征。结果表明：间歇冻融循环会破坏高岭土试样在前期干湿循环中已达到的稳定应变状态，且后续干湿循环中试样达到的新稳定应变有所降低；高岭土试样在经历3次湿润—冻结—融化—干燥循环后，其纵向应变逐渐趋于稳定状态。

Abstract

In seasonally frozen areas, surface soil is subjected to prolonged and drastic fluctuations in temperature and humidity, causing excessive deformation and resulting in engineering issues such as subgrade settlement and building deformation. The deformation characteristics of kaolin in seasonally frozen areas under the combined influence of freeze-thaw and dry-wet cycles were studied. Through a self-designed experimental setup, experiments with interleaved dry-wet and freeze-thaw cycles were conducted on compacted specimens, and wetting-freezing-thawing-drying cycle experiments were performed to explore the swelling-shrinkage deformation characteristics of kaolin under the combined action of different freeze-thaw and dry-wet cycles. The results indicate that intermittent freeze-thaw cycles destroy the stable strain previously achieved by kaolin specimens during dry-wet cycles, and the new stable strain achieved by the specimens during subsequent dry-wet cycles decreases; furthermore, the longitudinal strain of kaolin specimens gradually tends to a stable state after three wetting-freezing-thawing-drying cycles.

Graphical abstract

关键词

高岭土 / 冻融循环 / 干湿循环 / 胀缩变形 / 变形控制

Key words

kaolin / freeze-thaw cycle / dry-wet cycle / swelling-shrinkage deformation / deformation control

0 引言

高岭土是具有岩石含义的名称，它主要是由高岭石类矿物组成的一种重要的黏土，在中国，高岭土主要分布于季节性冻土地区如内蒙古和京津冀地区^［1］。在季节性冻土地区，高岭土既经历干湿循环作用，又经历冻融循环作用，故受干湿‒冻融循环的共同影响。周期性的干湿循环和冻融循环破坏了土颗粒间的联结力并导致高岭土中原生裂缝的扩展和新裂缝的产生^［2‑4］，从而导致土体工程性质的复杂变化^［5‑7］。因此，有必要探究高岭土在面对冻融循环和干湿循环时相应的胀缩变形特征。

迄今为止，学者对冻融循环或干湿循环作用下土体工程特性做了大量研究，并取得了一定的研究成果。吕海波等^［8］研究了干湿循环对膨胀土强度的影响，发现干湿循环会对土体结构造成不可逆的损伤，并探讨了膨胀土的抗剪强度与含水率、循环次数、循环幅值等循环控制参数的关系；唐朝生等^［9］、赵贵涛等^［10］对干湿循环过程中膨胀土的胀缩变形特征进行了对照干湿循环试验，研究结果表明，随着干湿循环次数的增加，土体抗剪强度将会发生衰减、胀缩性降低；冀慧等^［11］研究了干湿循环对经过复合改良方式的黄土的抗剪强度的影响，发现干湿循环会导致改良土的黏聚力、内摩擦角和抗剪强度衰减；袁志辉等^［12-13］通过压实黄土与原状黄土的干湿循环强度对比试验，得出干湿循环对原状黄土与压实黄土的抗拉与抗剪强度均会产生劣化效应，且会使原状黄土的结构强度逐渐消失的结论。以往针对土体冻融循环的试验探究主要集中于土体结构和强度。崔广芹等^［14］研究发现，随着冻融循环次数的增加，不同含水率土样的抗剪强度先下降后趋于稳定；张英等^［15］通过扫描电镜试验与压汞试验，分析了冻融循环对青藏铁路沿线粉质黏土的孔隙结构及颗粒特征的变化。研究表明，随着冻融循环次数的增加通常导致土体高度升高和强度、刚度降低^{［16‑17］}。综上所述，研究高岭土在干湿冻融循环条件下的变形特性对实际工程具有重要指导意义。这类研究能够揭示高岭土在不同环境条件下的变形机制和行为规律，有助于工程设计者更准确地评估土体稳定性和变形特性，从而优化工程设计和施工方案^{［18‑21］}。了解高岭土在干湿和冻融条件下的变形响应，可以为季冻区工程项目提供可靠的地基处理建议，减少土体变形导致结构损坏风险^{［22‑23］}。此类研究还能够为岩土工程材料选择和施工提供科学依据，促进工程质量提升并节约成本^{［24‑25］}。

本文以季节性冻土地区高岭土为研究对象，研究冻融循环与干湿循环共同作用下高岭土的变形特性。通过对压实试样开展不同干湿循环次数后的间歇冻融循环试验，考察间歇冻融循环对已经历多次干湿循环高岭土一维纵向变形的影响。同时，设计湿润—冻结—融化—干燥循环试验，进一步探讨连续温湿边界变化对高岭土纵向变形的影响。研究结果可为季节性冻土地区相关土工结构设计和变形控制提供参考。

1 材料和装置

1.1 试验装置

本研究所采用的试验装置包括模具组件、涡流管、顶部冷却/加热室、4个线性可变位移变压器、热电偶、多孔石层、供水储槽、隔热层、送风系统和数据采集系统。在本研究中，该试验装置可用于进行冻结、融化、干燥和湿润等过程的实验室试验。

试样模具由单一法兰外模和阶梯法兰内模组成。外部模具底部固定在坚固的底座上，并安装在一个稳定的平台上。外部模具容纳着一个中空的亚克力圆柱体，其顶部附有亚克力圆盘。多孔石层位于亚克力圆盘顶端。通过调整试件模具外径与外模内径之间的差异，实现了热电偶电缆能够被容纳，并且使得试件模具可以垂直向上移动。

试验装置示意图和照片如图1所示，试验装置名称和功能见表1。该试验装置可控制的温度范围为-25~30 ℃，湿度可调节范围为10%~100%的相对湿度。

1.2 试样制备

高岭土的基本物理指标及主要化学组成见表2。材料与水按需充分混合制备混合物，储存在密封塑料袋中，并保存至少48 h以实现水分平衡。采用图2所示静态压实机对试样模具中的混合物进行静态压实，制备出压实试样。在制备过程中使用两个不锈钢活塞作为垫片，底部活塞与多孔石具有相同尺寸，而顶部活塞则为顶部冷却/加热室提供所需空间。静态压实过程中位移速率为1.25 mm/min。完成压实后，试样直径和高度分别为103.3 mm和65 mm。

1.3 试验方法

为了研究冻融循环和干湿循环共同影响下高岭土的变形特性，设计了两个试验：在试样上进行间歇冻融和循环干湿试验（试验Ⅰ）和试样的循环湿润—冻结—融化—干燥试验（试验Ⅱ）。试验试样的初始压实条件见表3。

在试验Ⅰ中，采用压实高岭土试样，并根据表3所示初始压实条件进行制备。在湿润阶段，通过保持试样顶部水位恒定，使压实试样逐渐达到饱和状态；在干燥阶段，停止向试样供水，并通过辅助涡流管向试样输送热空气，以加速试样干燥。每个阶段均持续监测试样的纵向变形，待纵向变形基本稳定后进入下一阶段。首先对试样进行多次湿润—干燥循环，直至每次干湿循环后试样的纵向变形达到基本一致的稳定状态；随后引入冻结—融化过程，并继续开展湿润—干燥循环与间歇冻融循环，以分析其对试样纵向变形的影响。试验在第3次融化阶段结束时终止。循环过程中，持续监测试样及模具的纵向变形，并记录试样不同深度处的温度变化。

试验Ⅱ采用压实高岭土试样，并根据表3所示初始压实条件进行制备。在湿润阶段，通过保持试样顶部水位恒定，使压实试样逐渐达到饱和状态；在冻结阶段，通过温度传感器实时监测试样温度变化，并逐步降低试样温度，直至达到预设目标；在融化阶段，通过加热系统逐渐升高试样温度，直至达到预定温度；在干燥阶段，停止向试样供水，并通过辅助涡流管向顶部腔室输送热空气，以加速试样干燥。每个阶段均持续监测试样和模具的纵向变形，待纵向变形基本稳定后进入下一阶段。试验重复执行湿润—冻结—融化—干燥循环，并在第6次融化阶段结束时终止。循环过程中，持续监测试样及模具的纵向变形。

2 试验结果与讨论

2.1 干湿循环次数的影响

采用的试验顺序是将压实试样置于干湿循环中，直到试样的纵向变形达到稳定。然后，引入一个间歇性的冻融循环过程。一旦冻融循环完成，将试样进行数次干湿循环使其纵向变形达到新的稳定。采用图1所示的试验装置，循环试验施加的垂直压力为2.0 kPa。在冷却/加热室的顶部测量了试样的纵向变形。在测试过程中，沿着试样深度监测预定水平的温度。

在室温下对试样进行湿润，供水温度为（21±2） ℃，直到试样的纵向变形达到稳定值。干燥过程中，试样顶部温度保持为（52±1.5） ℃，当试样的纵向变形达到稳定值时，干燥过程终止。在干燥过程结束后，开始下一个湿润过程之前，静置24 h使试样的温度达到室温。在干湿循环过程中，持续监测试样和模具的纵向变形情况。在冻结过程中，试样顶部温度逐渐降至（-19±0.5） ℃并保持24 h，而融化过程则在实验室室温下进行。在冻融循环过程中，试样和模具的纵向变形通过传感器进行记录。

高岭土压实试样的间歇冻融循环干湿试验结果见图3和图4。

将试样在干湿循环结束后进行湿润—冻结—融化—干燥处理，以实现在干湿循环的过程中插入间歇的冻融循环。由图3可以看出：试样经历的间歇冻融循环次数越多，后续干湿循环中达到的稳定纵向变形越小。同时作为对照的试样模具在测试过程中尽管发生了位移，但是在每次应力移除后，它都能恢复到初始状态，这表明在测试过程中没有任何材料损失。图4显示了试样在湿润、干燥、冻结、融化过程下的纵向变形与经过时间的关系。可以发现：随着循环次数增加干湿循环过程中试样产生的纵向应变先增加再逐渐减小。在试样冻结过程中，由于冻胀引起的纵向变形表现出较高的稳定性，即其最大值基本相等；而在融化过程中，试样产生的纵向变形经历一次增加后也呈现出较高的稳定性。

根据图4中实测纵向变形换算得到纵向应变结果，如图5所示。图5显示了高岭土在经历干湿循环和间断性的冻融循环过程中的纵向应变，试样的纵向应变随干湿循环和间歇冻融循环次数的增加而减小。

在前3次干湿循环的过程中，试样的纵向变形略有增加，之后基本保持稳定。稳定阶段试样的纵向变形约为5.4 mm，对应纵向应变约为8.3%。引入第一次冻融循环后，在第4、5、6、7次干燥和湿润过程中，干燥过程所导致的纵向变形明显大于湿润过程。当试样在干湿循环中的纵向变形差异减小至约小于0.5%时，引入第二次冻融循环，观察到融化过程所产生的纵向变形显著增加。在冻融循环2后的干湿循环中，试样稳定阶段产生的纵向变形减小至3.0 mm左右，对应纵向应变约为4.5%。引入第三次冻融循环后，冻结和融化过程所导致的纵向变形与第二次冻融循环相比变化较小。说明试样在后续循环中逐渐趋于稳定。

试验结果明确显示，在干湿循环过程中，试样的纵向应变减小，而间歇冻结和融化引起的应变增加。间歇性的冻融循环常常会破坏之前干湿循环中试样所达到的稳定应变。最终，随着干湿循环次数增加，材料的纵向应变趋于新的稳定状态，但其稳定值有所降低。

2.2 湿润—冻结—融化—干燥循环次数对高岭土纵向变形的影响

试验过程依次为湿润（W）、冻结（F）、融化（T）和干燥（D）。采用图1所示试验装置，在2.0 kPa垂直压力作用下开展WFTD循环试验。通过布置于冷却/加热室顶部的位移传感器测量试样在湿润、冻结、融化和干燥过程中的纵向变形；同时，在测试全过程中监测试样模具的纵向位移，并沿试样深度方向监测预定位置处的温度变化。

高岭土压实试样的循环湿润—冻结—融化—干燥（WFTD）试验结果如图6和图7所示。图6显示了温度和水力边界条件对试样纵向变形的影响，伴随WFTD循环次数的增加试样的纵向变形先增大后逐渐达到稳定，同时作为对照的试样模具同样在试验后恢复到初始状态，这表明在测试过程中没有任何材料损失。图7显示了试样在湿润、干燥、冻结、融化过程下的纵向变形与经历时间的关系。由图7可知：随着循环次数的增加，湿润过程中试样发生的纵向变形逐渐减小至趋于稳定，冻结过程中试样发生的纵向变形先增大再减小至趋于稳定，融化过程中试样发生的纵向变形逐渐减小至趋于稳定，干燥过程中试样发生的纵向变形逐渐减小至趋于稳定。

图8为WFTD循环次数对试样纵向应变的影响。

由图8可知：随着WFTD循环次数的增加，试样纵向应变曲线逐渐呈现积累趋势，在经历3次WFTD循环后，纵向应变不再继续积累。

试验结果表明：在6个WFTD周期中，试样在湿润过程中所产生的纵向变形均小于干燥过程中所产生的纵向变形。同时，试样在冻结过程中所产生的纵向变形大于融化过程中所产生的纵向变形，这些因素导致了试样在WFTD循环中纵向应变的逐渐积累。经历3个WFTD循环后，试样的纵向应变趋于稳定，即湿润和冻结过程中所产生的总纵向应变几乎等于融化和干燥过程中所产生的总纵向应变。

3 结论与展望

本文通过开展干湿循环、间歇冻融循环以及湿润—冻结—融化—干燥循环试验，研究了干湿循环与冻融循环共同作用下高岭土试样的纵向变形特性，得到如下结论：

（1） 在循环干湿试验中，试样经历3个干湿循环后，纵向变形达到了基本稳定状态。然而，间歇的冻融循环会破坏之前干湿循环中试样的稳定应变。经历间歇的冻融循环后，随着干湿循环次数的增加，试样的纵向应变逐渐趋于新的稳定状态，但相较之前达到的稳定应变有所降低。

（2） 在循环湿润—冻结—融化—干燥试验中，当试样未达到稳定状态时，在湿润和冻结过程中所引起的应变增加大于融化和干燥过程中所导致的应变减小。这些循环作用综合起来导致经历湿润—冻结—融化—干燥循环后，试样的纵向应变持续增加。

（3） 试样经历3次湿润—冻结—融化—干燥循环后，达到稳定状态。此时，湿润和冻结过程引起的应变增加与融化和干燥过程导致的应变减小相等，从而使试样的纵向应变保持稳定。

（4） 在季节性冻土地区进行地基或路基设计时，应充分考虑干湿循环与冻融循环共同作用对黏性土变形特性的影响。对于以类似高岭土性质的黏性土作为地基土或填料的工程，可通过适当增加基础埋深、采取防排水措施以及选用抗冻性能较好的材料等方式，降低土体胀缩变形和冻胀融沉对工程结构的不利影响。

虽然本研究中采用的试验过程并不能完整地复制季节性冻土地区的气候，但提供了一些必要的信息，以期更为精确地了解在季节性冻土地区的气候影响下高岭土的变形特性。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(41672259)

广东省自然科学基金资助项目(2022A1515011200)

深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放基金资助项目(SKLGDUEK2005)