王 征，周 進(jìn)，黃志全

(華北水利水電學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450011)

我國是膨脹土分布最廣的國家之一，在分布地區(qū)由于大量使用人工壓實(shí)膨脹土作為公路、水利和土木建筑等工程方面的施工材料，由此引起了大量的建筑物破壞，導(dǎo)致了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，從而引起了許多專家對膨脹土的變形和強(qiáng)度開展了大量的研究工作。人工壓實(shí)膨脹土與原狀膨脹土性質(zhì)有所不同，由于在壓實(shí)過程中的結(jié)構(gòu)再排列，使得其膨脹性較原狀膨脹土大幾倍甚至更多［1-2］。

膨脹土主要是由強(qiáng)親水性的黏土礦物組成，其中伊利石，蒙脫石等黏土礦物使膨脹土具有失水收縮、吸水膨脹的特性。膨脹土吸水產(chǎn)生體積膨脹是由膨脹土中水分子在黏土礦物顆粒周圍形成具有一定排列方向的水膜引起的，是自由水滲入礦物顆粒間轉(zhuǎn)化為結(jié)合水，并在土粒間產(chǎn)生結(jié)合力，隨著結(jié)合水膜的厚度增加，使土粒間的凈距離增加，從而導(dǎo)致土體的膨脹［3］。本文對河南禹州膨脹土進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究，得到了人工壓實(shí)膨脹土的膨脹變形與干密度、含水率和豎向荷載這三個(gè)因素的變化規(guī)律，以及膨脹力與初始含水率和干密度的變化規(guī)律。

1 膨脹土的膨脹變形規(guī)律

試樣取自河南禹州地區(qū)，其自由膨脹率為42%，相對密度為2.72，屬于弱膨脹土。

膨脹變形試驗(yàn)是在輕便固結(jié)儀上完成的，為了研究不同狀態(tài)下壓實(shí)膨脹土的膨脹變形規(guī)律，將膨脹土制成干密度分別為 1.45 g/cm3，1.53 g/cm3，1.60 g/cm3，1.70 g/cm3和含水率分別為12%，15%，18%，21%的土樣，總共進(jìn)行48個(gè)土樣的無荷單向膨脹率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后試樣均已達(dá)到飽和狀態(tài)，其試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 無荷膨脹率的試驗(yàn)數(shù)據(jù) %

1.1 膨脹率與初始含水率的相關(guān)性

膨脹土的吸水膨脹是膨脹土的主要特點(diǎn)，其單向膨脹率 δH為

式中，ΔH是土樣膨脹后高度變化量，H0是膨脹土樣浸水前的高度。

根據(jù)表1的試驗(yàn)結(jié)果，在試驗(yàn)結(jié)果分析中發(fā)現(xiàn)土樣的干密度不變，膨脹土的浸水膨脹變形與土樣的初始含水率密切相關(guān)，初始含水率越大膨脹率越小。對無荷膨脹變形與含水率進(jìn)行回歸分析，河南禹州膨脹土膨脹變形回歸分析結(jié)果見表2，圖1為不同干密度膨脹土無荷膨脹率與初始含水率相關(guān)分析圖。

圖1 無荷膨脹率與含水率的關(guān)系

表2 無荷膨脹率與初始含水率的回歸分析式

1.2 膨脹率與干密度的相關(guān)性

在試驗(yàn)結(jié)果分析中發(fā)現(xiàn)初始含水率不變，膨脹土的浸水膨脹變形與土樣的干密度密切相關(guān)，干密度越大膨脹率越大。表3為不同初始含水率土樣的干密度與膨脹變形回歸分析的結(jié)果。圖2為不同初始含水率膨脹土樣無荷膨脹率與干密度的相關(guān)分析圖。

表3 無荷膨脹率與干密度的回歸分析式

圖2 無荷膨脹率與干密度的關(guān)系

對表2、表3進(jìn)行二元回歸分析，可總結(jié)出河南禹州膨脹土膨脹變形與土樣初始含水率、干密度的關(guān)系

其中，a= －2.065，b=2.512，c=51.621，d= －61.48。

從式(2)可看出，膨脹率隨土樣干密度的增加而增加，式(2)右邊第一項(xiàng)當(dāng)γd≥1.22 g/cm3時(shí)，這一項(xiàng)為負(fù)值，說明這時(shí)無荷膨脹率隨初始含水率的增加而降低。

1.3 膨脹率與豎向荷載的關(guān)系

膨脹土遇水后發(fā)生自由膨脹變形，當(dāng)有豎向荷載作用時(shí)，膨脹土的變形將受到壓制。不同荷載條件下浸水膨脹變形試驗(yàn)是在輕便固結(jié)儀上完成的，土樣初始含水率為18%，干密度為1.66 g/cm3，土樣膨脹時(shí)所受的豎向荷載分別為 0，12.5 kPa，25.0 kPa，50.0 kPa，75.0 kPa。試驗(yàn)中豎向壓力是在試驗(yàn)前一次加上的，加壓穩(wěn)定后土樣開始浸水膨脹，膨脹變形穩(wěn)定后的土樣都已達(dá)到飽和。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同豎向荷載的膨脹率Vhp試驗(yàn)數(shù)據(jù)

目前已經(jīng)有很多學(xué)者提出了很多關(guān)于膨脹率與豎向荷載的計(jì)算公式，本次試驗(yàn)采用文獻(xiàn)［4］提出的膨脹率與豎向荷載的關(guān)系式

式中，A，B為試驗(yàn)參數(shù);pa為大氣壓力;σz為豎向壓力。

式(3)將壓力通過與大氣壓力的比值使之無量剛化，且可以反應(yīng)出壓力為0時(shí)膨脹量的情況［5］，故本文用(3)式對膨脹率與豎向荷載進(jìn)行擬合。當(dāng)豎向荷載為0時(shí)，參數(shù)A的值為無荷膨脹率，而參數(shù) B的值隨初始含水率、干密度的變化而不同，由試驗(yàn)確定。用式(3)對本次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，如圖3所示，其中A=7.63，B=6.091 6，表明式(3)可以很好地?cái)M合試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 不同豎向荷載下的膨脹量試驗(yàn)值的擬合曲線

1.4 膨脹率的計(jì)算模式

將式(2)、式(3)聯(lián)立，就可以得到考慮初始含水率、干密度和豎向荷載耦合作用的膨脹率計(jì)算公式

式中，a，b，c，d，B 為試驗(yàn)參數(shù)。

2 膨脹土的膨脹力變化規(guī)律

膨脹力按《巖土工程基本術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》中定義，是土體在不允許側(cè)向變形下充分吸水，使其保持不發(fā)生豎向膨脹變形所施加的最大壓力值［6］。盧肇均在研究非飽和膨脹土膨脹力與吸力的關(guān)系中認(rèn)為膨脹力是吸力的反作用力［7］。影響膨脹土的膨脹力的因素有很多，主要有膨脹土的礦物成分、孔隙比、結(jié)構(gòu)、含水率、干密度、飽和度、應(yīng)力歷史等［8-11］。本文就膨脹土樣的含水率、干密度對膨脹土的膨脹力的影響進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究。膨脹土的膨脹力的測定是在輕便固結(jié)儀上進(jìn)行的，使用的方法是平衡加壓法。其方法是將膨脹土及環(huán)刀一同壓入固結(jié)鋼環(huán)內(nèi)，土樣上下均用干燥濾紙及透水石覆蓋并逐步浸水，為了試驗(yàn)時(shí)加荷準(zhǔn)確方便，用鐵砂子代替砝碼和吊盤保持土樣的體積不變直至穩(wěn)定，如此測得膨脹土浸水后產(chǎn)生的膨脹力。其試驗(yàn)過程不會引起土體結(jié)構(gòu)破壞，也符合膨脹力的物理意義［8］。不同初始含水率和干密度土樣的膨脹力是不一樣的。表5為幾種土樣膨脹力的測試結(jié)果。

2.1 膨脹力與初始含水率的關(guān)系

對表5進(jìn)行分析，可以看出相同干密度土樣的初始含水率與其膨脹力的對數(shù)存在相關(guān)性。圖4為lnp－ω0的相關(guān)分析圖，表6為土樣膨脹力與初始含水率相關(guān)分析的結(jié)果。

圖4 lnp—ω0關(guān)系曲線

2.2 膨脹力與干密度的關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)，相同含水率土樣的干密度與其膨脹力的對數(shù)存在相關(guān)性。分析結(jié)果見圖5和表7。

表6 lnp－ω0相關(guān)分析式

圖5 lnp—γd相關(guān)分析

表7 膨脹土樣lnp－γd相關(guān)分析式

對表6、表7進(jìn)行二元回歸分析，可總結(jié)出膨脹力與干密度和初始含水率的關(guān)系

從式(5)可看出，膨脹力隨土樣的干密度的增加而增加，隨初始含水率的增加而降低。

3 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證以上計(jì)算公式的正確性，用式(4)對豎向荷載為25 kPa下的計(jì)算膨脹率與實(shí)際試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較如表8所示;用式(5)計(jì)算的膨脹力與實(shí)際試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較如表9所示。

表8 膨脹率計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

表9 膨脹力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

從表8、表9可以看出，膨脹率和膨脹力的最大誤差分別為5.516%和9.811%，符合試驗(yàn)誤差要求，證明本文提出的計(jì)算公式是正確的。

4 結(jié)論

1)對于特定的人工壓實(shí)膨脹土，其豎向膨脹率隨土樣干密度的增加而增加，隨土樣初始含水率的增加而減少，隨豎向荷載的增加而減小。

2)膨脹土的膨脹力隨初始含水率的增加而減小，隨干密度的增加而增大。

3)本文提出了考慮初始含水率和初始干密度和豎向壓力三個(gè)因素的膨脹變形計(jì)算公式，以及考慮初始含水率和干密度兩個(gè)因素的膨脹力計(jì)算公式。在實(shí)際工程中可以依據(jù)本文提出的計(jì)算公式，預(yù)測膨脹土體可能產(chǎn)生的變形。

［1］ 杜紅偉，謝玉輝，張池．南陽地區(qū)中弱膨脹土的試驗(yàn)研究［J］．鐵道建筑，2010(8):107-109．

［2］ 劉特洪．工程建設(shè)中的膨脹土問題［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997．

［3］ 繆林昌，仲曉晨，殷宗澤．非飽和膨脹土變形規(guī)律的試驗(yàn)研究［J］．大壩觀測與土工測試，1999，23(3):36-39．

［4］ 徐永福，史春樂．寧夏膨脹土的膨脹變形規(guī)律［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，1997，19(3):95-98．

［5］ 張愛軍，哈岸英，駱壓生．壓實(shí)膨脹土的膨脹變形規(guī)律與計(jì)算模式［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，2(7):1237-1241．

［6］ 中華人民共和國建設(shè)部．GB/T50279—98 巖土工程基本術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1998．

［7］ 盧肇鈞，張惠明，陳建華，等．非飽和土的抗剪強(qiáng)度與膨脹力［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，1992，14(3):1-8．

［8］ 丁振洲，鄭穎人．膨脹力概念及其增濕規(guī)律試驗(yàn)研究［J］．工業(yè)建筑，2006，26(3):67-70．

［9］ 譚羅榮，孔令偉．膨脹土膨脹特性的變化規(guī)律研究［J］．巖土力學(xué)，2004，25(10):1555-1559．

［10］ 邵梧敏，譚羅榮．膨脹土的礦物組成與膨脹特性關(guān)系的試驗(yàn)研究［J］．巖土力學(xué)，1994，15(1):11-19．

［11］ 朱煥新．改善膨脹土性能的固化劑試驗(yàn)研究［J］．鐵道建筑，2007(1):77-79．