3.4.3.1 常规的干化-湿化循环试验
唐朝生和施斌（2011）将直径为61.8mm、高度为20mm、初始含水率为18.3%、初始干密度为1.69g/cm3的压实样置于一维压缩仪容器中，设定垂直压力为20kPa，加水浸泡试样，通过位移计实时记录试样的竖向膨胀变形。待试样膨胀稳定后，将压缩仪移入步入式人工气候箱中，温度设置为40℃，使试样干燥脱水，同时记录试样的收缩变形。
干燥过程中采取了两种干缩路径：全干燥和部分干燥。全干燥是指膨胀变形达到稳定后的试样干燥至高度和含水率不再变化为止，对应一种极端的持续干旱气候。部分干燥是指将完全膨胀饱和的试样干燥到初始高度为止，对应一种短期的干旱气候。当试样收缩达到控制标准后，认为试样经历了第一次湿干循环。重复上述的吸湿膨胀-干燥收缩试验，共进行了6次循环，历时约6个月。
如图3.44所示为吸湿膨胀-干燥收缩循环试验中试样的轴向应变（轴向变形量与试样初始高度之比）与循环次数间关系。图3.44（a）为全干燥试验的结果，试样在浸水膨胀后的最终高度随循环次数先增加后减小，在第2次循环过程中达到峰值，试样在40℃条件下干燥后的最终高度随循环次数的增加而增加，大约经过5～6次干湿循环后，试样的最终应变基本趋于稳定。图中还给出了每次膨胀结束与收缩结束后得到的试样含水率，膨胀结束后试样的含水率变化范围为26.5%～29.9%，变化规律与轴向应变基本一致。收缩结束后试样的含水率波动范围很小，为3.3%～3.7%，这主要是因为试样在干燥环境比较稳定。对于部分干燥试验，结果如图3.44（b）所示。在第一次浸水平衡后，试样的轴向应变和含水率达到最大值。此后，随循环次数的增加，轴向应变和含水率逐渐减小，并最终趋于稳定。在干燥过程中，当试样收缩到初始高度后，对应的含水率变化相对比较稳定，主要在22%～24%范围内波动。
图3.44 常规干湿循环试验中试样轴向应变（唐朝生和施斌，2011）
为定量分析试样在干湿循环过程中的胀缩变形规律，引入绝对膨胀率δa、相对膨胀率δr、绝对收缩率ηa和相对收缩率ηr：
式中 h0——试样的初始高度；
hw，hd——试样膨胀和收缩稳定后的高度；
hi——试样第i次胀缩循环前的高度。
常规干湿循环过程中，干缩路径对膨胀土的胀缩特征有重要影响。全干燥试验中，绝对膨胀率、相对膨胀率和相对收缩率均呈先增加后减小的趋势，并在第2次循环中达到峰值，而绝对收缩率在第1次循环中最大，此后逐渐减小；部分干燥试验中，由于控制试样在每次循环中都只干燥到初始高度，测得绝对膨胀率和相对膨胀率相等，二者与相对收缩率均随循环次数的增加而减小。
试样的高度随循环次数的增加有递增趋势，说明试样在干湿循环过程中发生了不可逆的体积变形。Zemenu等（2009）采用扫描电镜和压汞试验研究了膨胀土经过多次干湿循环后的微观结构变化，随着干湿循环次数的增加，试样的孔隙率和孔径均逐渐变大，尤其是0.1～5μm范围内的孔径变化最明显。
随干湿循环次数的增加，膨胀达到稳定所需时间越来越短，主要是因为试样在干燥过程中内部产生了收缩裂隙，渗透性增加，浸水饱和时间缩短。同时，干湿循环过程中，试样中裂隙的数量和连通性随干湿循环次数的增加而增加（卢再华等，2002），这进一步增加了试样的渗透特性。
3.4.3.2 控制吸力下的干湿循环试验
1.实例1：膨胀土
唐朝生和施斌（2011）对中等偏强膨胀土进行了吸力控制的干湿循环试验。吸力控制范围为0.4～262MPa，分别采用渗析法（吸力＜4MPa）和蒸汽平衡法（吸力＞4MPa）进行吸力控制。在每一级吸力平衡后，量测土样的含水率、体积，计算该吸力条件下土样的孔隙比和饱和度等参数。试验开展了控制吸力下的干化-湿化一次循环试验，脱湿过程中吸力变化路径为：0.4→0.6→0.9→1.2→1.5→4.2→6.1→9→13.1→24.9→38→57→82→113→136→262 MPa，吸湿过程中吸力变化路径与脱湿过程相反，耗时约8个月。
如图3.45（a）和（b）所示分别为该膨胀土的土-水特征曲线和孔隙比与吸力间关系曲线，可以看出，持水特性和胀缩性在高吸力（113～262MPa）范围内基本可逆，而在低吸力（0.4～113MPa）范围内则表现出明显的不可逆性。体变不可逆系数λ用来定量描述试样在干湿循环过程中胀缩变形的不可逆程度及其与吸力的关系，定义为：
式中 ed，ew——分别为试样在脱湿和吸湿过程中某吸力条件下对应的孔隙比；
e0——试样的初始孔隙比。
图3.45 控制吸力干湿循环试验结果（唐朝生和施斌，2011）
膨胀土体积变形的不可逆现象主要与干湿循环过程中土体微观结构变化有关。对该膨胀土试样进行的吸力控制干湿循环试验中不可逆程度随吸力的减小呈指数增加的趋势，最大体变不可逆系数达7%。
2.实例2：高庙子钙基膨润土(www.xing528.com)
于响等（2015）利用相对湿度控制吸力技术测试得到经历不同次数干湿循环的压实高庙子钙基膨润土的土-水特征曲线，研究了干湿循环次数及湿干、干湿两种不同的吸力路径对土-水特性的影响，同时，对每一次脱湿结束后的试样表面拍照，研究了干湿循环次数对收缩变形和裂隙开展的影响规律。
配合使用压样模具和液压推土器压制6个直径6.18cm、高2cm的环刀压实样，将其固定于叠式饱和器，放入内置蒸馏水的抽真空容器中抽气饱和24h。饱和完毕后称重，然后把试样连同环刀放入105℃烘箱内烘干24h，取出后放入保湿器中冷却至室温称重，测量试样尺寸及裂隙尺寸，然后放置在固定的位置，用固定照相机拍摄烘干后试样上表面。环刀样经历抽气饱和然后烘干脱水的过程认为是一次湿干循环。6个环刀样经历的干湿循环过程如表3.1所示。
表3.1 6个环刀样的干湿循环过程
将经历干湿循环后的环刀样切分为数小块，分别放入下部装有不同饱和盐溶液的保湿器，经历湿干循环的环刀样在进行最后一次烘干前，即从饱和器中刚取出时，即预先分好块，放入烘箱中烘干后再分别放入相应的保湿器内，密封后静置2个月。具体操作步骤及平衡判断方法参见1.4.4节。平衡后，取出试样，切分为两块。一块用烘干法测含水率，另一块采用阿基米德原理求得土块的体积。由此，可得到在不同控制吸力下经历不同次数干湿或湿干循环后试样的含水率、孔隙比以及饱和度等指标。
3.土-水特征曲线与干湿循环次数的关系
如图3.46所示为湿干循环0次、3次和6次试样的土-水特征曲线，含水率w与吸力s间关系曲线相差不大，几乎重合。而从饱和度Sr与吸力s关系可以看出，随着循环次数的增大，曲线下移，保水性降低，经历0次与3次循环试样的曲线平移变化较大，经历3次和6次循环试样的土-水特征曲线整体平移变化很小，甚至重合。这是由于随着干湿循环次数的增加，土颗粒结构趋于稳定，干湿循环的影响变小。
图3.46 湿干循环0次、3次、6次后GMZ钙基膨润土试样的土-水特征曲线
如图3.47所示为干湿循环0次、3次和6次试样的土-水特征曲线，与图3.46有着相同的趋势，不同的是饱和度Sr与吸力s的关系曲线中，经历0次与3次循环的试样的土-水特征曲线平移变化量要比湿干循环的大。分析其原因是在干湿循环过程中，试样先是在限制变形条件下吸水饱和，土颗粒旋转膨胀、排列方向改变；接着进行烘干，土颗粒排列方向无法复原，产生新的孔隙，随着干湿循环次数的增加，孔隙不断积累，土样内部结构改变，从而影响土-水特性。在蒸汽平衡脱湿前试样吸水饱和，土颗粒均匀膨胀填充新旧孔隙，干湿循环前、后试样的内部结构几乎不变，故干湿循环对脱湿时的土-水特征曲线影响较对吸湿时的要小。
图3.47 干湿循环0次、3次、6次后GMZ钙基膨润土试样的土-水特征曲线
4.变形与干湿循环次数的关系
如图3.48、图3.49所示反映了经历了湿干循环和干湿循环0次、3次和6次后试样的孔隙比e与吸力s关系，随着吸力的增大，孔隙比基本不随吸力的变化而变化。随着干湿循环次数的增加，孔隙比与吸力关系曲线上移，这说明试样内孔隙不断积累增大。
图3.48 湿干循环0次、3次和6次后的孔隙比
图3.49 干湿循环0次、3次和6次后的孔隙比
综上所述，随着循环次数的增加（0→3次），试样的土-水特征曲线明显下移。相同吸力下，含水率大致不变、孔隙比增大、饱和度下降、持水能力下降；当循环次数继续增加时（3→6次），试样土-水特征曲线基本稳定。孔隙比呈增大的趋势，但变化幅度已大为减小，甚至部分区域出现反常现象。说明随着干湿循环次数的继续增加，试样的土-水特性、孔隙比的变化趋向稳定。
试样在105℃的烘箱中放置24h后，取出拍摄图像，以环刀为参照物，截取相同尺寸图片，得到制样后及1～6次循环脱湿后试样表面图像，并对其进行二值化处理，如图3.50所示。由图可清晰地看到试样收缩及裂隙的开展过程。随着干湿循环次数增加，试样收缩、裂隙的开展越来越剧烈、宽度增大，由微裂隙逐渐合并演变为大裂缝。长度由表观裂隙发展为贯通性裂隙，整个试样收缩明显。但随着干湿循环的继续增加，试样的收缩及裂隙的新增、开展逐渐减缓，变形最终接近稳定。
通过提取图片信息，分析得到，随着干湿循环次数的增加，收缩及裂隙面积不断增加，但增加的幅度逐渐减小，而且裂隙率先于收缩率达到稳定。第1次干湿循环试样收缩较快，大量微小裂隙出现，收缩率迅速增加，说明膨润土属敏感性土。随着干湿循环次数的增加（第3、4次），收缩率继续增加，但增加比率却在下降，试样收缩变慢，微小裂隙不断合并为大的贯通性裂隙。循环到第5、6次后，收缩增长越来越小，并逐渐稳定。
烘干过程中试样产生侧向收缩，高度也同时缩小，试样收缩变形具有三维特性。试样侧向收缩变形量可用前述的图像处理分析计算得到，试样高度向的收缩变形可通过量测试样烘干后与烘干前饱和状态时的高度得到。试验结果表明，相同干湿循环次数时，膨润土试样高度方向的收缩率小于侧向收缩率。
图3.50 0～6次干湿循环二值化后图像
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
