1、压实膨胀土湿化变形特征试验研究摘要：我国正在大力推进基础设施建设，在建设的过程中会经常遇到膨胀土问题。而膨胀土具有遇水膨胀、失水收缩的特性，这些特性会造成滑坡等灾害，对实际工程具有极大的破坏性。本文通过室内压实试验，研究膨胀土的变形特性与初始含水率、初始干密度和上覆荷载的关系，从而为实际工程提供参考。通过试验可以得出，初始干密度越大、上覆荷载越小，膨胀土力越大；初始含水率越大，膨胀力对初始干密度的变化越敏感。 关键词：膨胀土；膨胀力；湿化变形 Abstract: The infrastructure construction is being energetically promoted in
2、 China, and during the construction many problems of expansive soil are frequently encountered. However, the expansive soil with water swelling, dehydration shrinkage characteristics can cause landslide and other disasters, which is highly destructive to actual projects. In this paper, the relations
3、hip among the deformation property of expansive soil and the initial water content, the initial dry density and the vertical pressure is studied through laboratory test so as to provide reference for actual projects. Through the test, the conclusion can be drawn that the expansive force can be large
4、r with larger initial dry density and smaller vertical pressure, and be more sensitive to the change of the initial dry density with larger initial water content. Keywords: expansive soil; expansive force; wetting deformation 中图分类号：F820.5 文献标识码：A 文章编号： 0 引言 近年来，我国大力推进基础设施建设，公路铁路交通运输、西部大开发、南水北调等工程都在紧
5、锣密鼓地进行，也经常会遇到膨胀土问题。已建成的焦枝线、南昆线等 10 多条铁路的线路均经过膨胀土地区，经常存在地基病害并发生大面积的滑坡，斥资亿元来修复仍不能完全根治1。在膨胀土地基或填方坡（堤）中，受降雨入渗的浸湿作用，位于地表下或坡面下浅层的膨胀土，可看作是压实后的浸水自由膨胀过程；而在距离地表或坡面下一定深度的土体，则是受一定外部荷载作用下的浸水湿化作用。根据文献3，这两种状态下土体的体积变化规律有很大的区别。 膨胀土作为非饱和土中的一种特殊土，由于具有亲水性矿物含量高、双孔隙结构等独特的性质，Alonso 等2和 Gens 等3所建立的经典非饱和土弹塑性模型（BBM 模型）也无法描述其
6、全部的性状，如：不能描述其体积变化特性体变与应力路径相关；在不同应力水平下湿化表现出不同的体变趋势；体变中弹性部分和塑性部分所占的比例不同4, 5。 饶锡保等6通过正交试验也发现采用正交分析法分析可知，在小荷载下，含水率对有荷膨胀率的影响要大于压实度对膨胀率的影响，当荷载继续增大时，压实度对有荷膨胀率的影响要大于初始含水率对膨胀率的影响。 本文采用不同初始状态的膨胀土试样进行了膨胀力和不同荷载下的浸水湿化变形试验，探讨了压实膨胀土的膨胀规律。 1 试验材料和方案 因在室内存放时间较长，土样失水集结成大的团状块体。在利用橡胶锤对土样进行碾磨过程中，有白色颗粒被碾碎成为纯白色粉末。土样风干碾磨后过
7、筛(2mm)所得到的土即为试验用土，其物理性质指标和粒径分布曲线分别如表 1 和图 1 所示。 表 1 膨胀土基本物理性质指标 图 1 膨胀土样颗粒分布曲线 为了研究不同初始状态对膨胀力的影响，本文分 15 组以不同初始干密度（1.40g/cm3、1.45g/cm3、1.50g/cm3、1.55g/cm3 和 1.60g/cm3）和不同初始含水率（12%、14%、16%、18%和 20%）为变量进行了压实膨胀土的膨胀力试验。 为了探讨在一定上覆荷载下膨胀土浸水湿化变形规律，采用不同初始干密度压实膨胀土试样，在一定荷载下固结，待其固结变形稳定后进行浸水膨胀试验。试验土样初始含水率均为 16%，初
8、始干密度定为 5 种（1.40g/cm3、1.45g/cm3、1.50g/cm3、1.55g/cm3 和 1.60g/cm3） ，先期固结压力为 4 种（25、50、100 和 200kPa） 。 采用击样法制作试样，变形稳定标准均为 2 小时内百分表读数变化不超过 0.01mm。 2 试验结果及分析 2.1 膨胀力及其影响因素 图 2 为不同初始状态下膨胀力试验结果，从图中可以发现以下规律：（1）初始含水率一定时，膨胀力总体上随着初始干密度的增大而增大，并呈较好的线性关系； （2）将不同初始含水率下的膨胀力随初始干密度变化曲线使用线性关系拟合，得到的拟合结果如表 2 所示，拟合公式中 表示线
9、膨胀率，d 表示干密度。从表 2 中可以看出，当初始含水率小于 18%时，随着初始含水率的增大，A 值也随之增大，即在该范围内，初始含水率越大，膨胀力对干密度的变化越敏感； （3）初始干密度较小（1.40g/cm3、1.45g/cm3）时，膨胀力随着初始含水率的变化较小，基本与初始含水率无关；而当初始干密度较大时，膨胀力随初始含水率的变化则较大。 图 2 不同初始状态下膨胀力试验 表 2 膨胀力随初始状态变化函数关系拟合 2.2 上覆荷载与初始状态对膨胀率的影响 图 3 为不同初始状态和应力状态下膨胀土湿化变形随时间的变化曲线，从图中能发现以下规律： （1）膨胀土加水后立即开始膨胀，1-2 分
10、钟内膨胀率与时间几乎呈线性关系。之后膨胀速度逐渐减小，膨胀率大致随时间的对数增大。1 小时后，试样大部分膨胀量完成。之后的膨胀变形速率变缓，并逐渐趋于稳定； （2）相同初始含水率、相同固结压力下，膨胀土的初始干密度越大，遇水后其膨胀变形也相应越大； （3）在上覆荷载大于 25kPa 时，干密度较小的试样在湿化过程中表现出了湿陷现象，且上覆荷载越大、干密度越小，湿陷现象越明显； 图 3 不同初始状态和应力状态下膨胀土湿化变形时程曲线 图 4 不同初始干密度膨胀土在不同应力状态下湿化变形 不同初始干密度压实膨胀土在不同应力状态下湿化变形值如图 4 所示，从图中可以看出： （1）相同初始干密度的土样
11、，上覆荷载越大，湿化后的膨胀变形就越小； （2）初始含水率相同时，膨胀土在相同压力下固结稳定后，初始干密度越大，浸水膨胀所引起的膨胀变形也越大。即相同条件下，膨胀土的初始干密度越大，膨胀潜势越大，线膨胀率也就越大，而且上覆荷载越大，图 4 中直线的斜率也越大，即膨胀率受干密度的影响也越大。不同荷载下的膨胀率与初始干密度均呈良好的线性关系，使用线性拟合所得到的结果如表 3 所示，拟合公式中 表示线膨胀率，d 表示干密度。表 3 不同上覆荷载下膨胀土湿化变形随初始干密度拟合参数 图 5 线性拟合参数随上覆荷载变化 由于初始含水率没有变化，而 C、D 的取值与初始干密度无关，所以C、D 的取值只与上
12、覆荷载的大小有关。将 C、D 的取值分别与相应的固结压力 p 绘制成曲线，发现 C、D 与固结压力 p 成对数关系（见图 5） ，得到C、D 关于 p 的拟合方程，结合表 3 中的拟合公式，可以得到初始含水率一定时，考虑初始干密度、固结压力两个因素影响的膨胀率表达式： （1） 3 结论 通过一系列不同初始状态压实膨胀土的膨胀力和固结后的浸水湿化试验，探讨了压实膨胀土的体变规律，得出了以下结论： （1）初始含水率一定时，膨胀力总体上随着初始干密度的增大而增大，并呈较好的线性关系； （2）初始含水率越大，膨胀力对初始干密度的变化越敏感； （3）初始干密度比较低时，膨胀力随着初始含水率的变化较小，而
13、当初始干密度较大时，膨胀力随初始含水率的变化则较大； （4）初始干密度和上覆荷载都会对压实膨胀土试样变形产生较大的影响，干密度增大、上覆荷载减小都会使膨胀率增大，而且当干密度减小到一定程度或者上覆荷载增大一定程度时，浸水后压实膨胀土试样还会产生湿陷； （5）相同干密度的土样，上覆荷载越大，湿化后的膨胀变形就越小，而且上覆荷载越大，膨胀率受干密度的影响也越大。 参考文献 1 廖世文. 膨胀土与铁路工程G. 北京市: 中国铁道出版社, 1984: 374. 2 Alonso E A P D, Gens Sol A, Josa Garcia-Tornel A. A constitutive mode
14、l for partially saturated soilsJ. Geotechnique. 1990, 40(3): 405-430. 3 Gens A. Constitutive modelling: application to compacted soilsJ. Unsaturated soils. 1996, 3: 1179-1200. 4 Lloret Morancho A, Villar M V, Sanchez M, et al. Mechanical behaviour of heavily compacted bentonite under high suction changesJ. Geotechnique. 2003, 53(1): 27-40. 5 Alonso E. Modelling expansive soil behaviourC. Beijing: International Academic Publishers, 1998. 6饶锡保，黄斌，吴云刚，等. 膨胀土击实样膨胀特性试验研究J.武汉大学学报(工学版). 2011(2): 211-215.
