益圣強(qiáng)

(中國(guó)海洋大學(xué)，山東青島 266100)

膨脹土為一種高塑性粘土，一般承載力較高，具有吸水膨脹、失水收縮和反復(fù)脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發(fā)育等特性，性質(zhì)極不穩(wěn)定，這為實(shí)際工程帶來(lái)了巨大的危害。

為改善膨脹土的工程特性，人們開(kāi)展了大量的研究:王小軍等[1]從生石灰改良的角度，研究了用生石灰改良膨脹巖的工程性質(zhì);劉義虎等[2-6]從含水量的角度研究了干濕循環(huán)對(duì)膨脹土路基破壞的影響、弱膨脹土的壓實(shí)特性、脹縮性狀、力學(xué)特性、膨脹力的分析方法、膨脹土的動(dòng)態(tài)水穩(wěn)特性以及不飽和膨脹土與水的相互作用等。這些研究在土體膨脹性單一影響因素領(lǐng)域里取得了較好的成果，但對(duì)于多種改善措施同時(shí)施用的實(shí)際工程，仍然存在著一定的局限性。本文針對(duì)實(shí)際工程需要，開(kāi)展了多種改善措施同時(shí)施用時(shí)土體膨脹率變化規(guī)律的試驗(yàn)研究，確定了各種改善措施參數(shù)的最佳組合，為實(shí)際工程提供了依據(jù)。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置采用自行研發(fā)的大型土體膨脹試驗(yàn)系統(tǒng)，其組成如圖1所示:水位模擬裝置模擬天然水位，通過(guò)底板的補(bǔ)水通道采用定水頭方式給試件補(bǔ)水;膨脹室由頂板、底板和試件容器組成，試件規(guī)格為φ150 mm×1 000 mm，底板剛性固定，頂板與位移傳感器良好接觸;數(shù)據(jù)采集儀采集位移變化數(shù)據(jù)并經(jīng)數(shù)據(jù)線在電腦終端顯示。

1.2 取樣

試樣于2013年8月取自山東青島某辦公樓施工現(xiàn)場(chǎng)。首先利用挖掘機(jī)挖至地表以下5 m處，然后呈階梯狀人工下挖1 m，在距基坑底部0.5 m階梯處切取土樣。所取土樣顏色基本上呈黃褐色，無(wú)垂直節(jié)理但有水平節(jié)理。隨深度的增加顏色逐漸過(guò)渡到灰褐色，顏色界線并不明顯，顆粒粒度逐漸變細(xì)。取回后經(jīng)室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)得土樣物性指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

表1 天然膨脹土物性指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

結(jié)合工程經(jīng)常使用的膨脹土處理方法，試驗(yàn)中將起始含水率、摻入石灰率以及擊實(shí)功三種因素相耦合，以探求綜合應(yīng)用三種措施時(shí)的參數(shù)最佳配比。首先將制備好的確定起始含水率和摻入石灰率的膨脹土按每層厚度200 mm分層擊實(shí)(見(jiàn)表2)，擊實(shí)參數(shù)采用錘重5 kg，自由落下高度1 m。然后將制備好的試件安裝在大型土體膨脹試驗(yàn)機(jī)上，并模擬真實(shí)水位對(duì)試件通過(guò)無(wú)荷載側(cè)限膨脹試驗(yàn)測(cè)得試件膨脹量曲線(由于篇幅所限，只列出一組試件圖像如圖2所示)及起始含水率、摻入石灰率以及擊實(shí)功與膨脹率變化關(guān)系曲線(見(jiàn)圖3～圖5)。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

圖2 膨脹量曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 膨脹量曲線分析

巖土體的膨脹性源于含水率的增加，膨脹過(guò)程會(huì)經(jīng)歷等速膨脹、減速膨脹和緩慢膨脹的三個(gè)階段，這一點(diǎn)在試驗(yàn)中得到了很好的證明(見(jiàn)圖2)。但通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)特殊的現(xiàn)象，即從開(kāi)始試驗(yàn)20 h之后土體才開(kāi)始出現(xiàn)明顯膨脹，整個(gè)膨脹過(guò)程持續(xù)約21 h才趨于穩(wěn)定，這一方面證明了膨脹土透水性微弱的公認(rèn)結(jié)論，另一方面也說(shuō)明了土體發(fā)生膨脹存在含水率閾值，該值以及膨脹過(guò)程持續(xù)時(shí)間均與土體的擊實(shí)功有關(guān)。由于試驗(yàn)裝置無(wú)法中途停止來(lái)測(cè)定土體剛發(fā)生膨脹時(shí)的含水率，所以在這里只對(duì)其進(jìn)行定性分析:在自重的作用下，當(dāng)土體吸水產(chǎn)生的膨脹量等于土體孔隙的減小量時(shí)，膨脹力小于上覆土層的自重，土體對(duì)外不顯現(xiàn)體積增大;當(dāng)膨脹量大于孔隙減小量時(shí)，膨脹力將大于上覆土層的自重，土體則對(duì)外顯現(xiàn)出體積增大。擊實(shí)作用一方面使土體密實(shí)度增大，滲流減小，另一方面由于試件體積一定而導(dǎo)致土體自重增大，進(jìn)而使得土體產(chǎn)生膨脹和膨脹持續(xù)時(shí)間均得以延長(zhǎng)。

2.2 因素耦合影響曲線分析

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果整理和對(duì)比分析，得到膨脹率與起始含水率、摻入石灰率和擊實(shí)功的關(guān)系曲線，如圖3～圖5所示。

圖3 膨脹率與起始含水率關(guān)系曲線

圖4 膨脹率與摻灰率關(guān)系曲線

圖5 膨脹率與擊實(shí)功關(guān)系曲線

圖3反映出兩個(gè)不同于單一因素影響規(guī)律的現(xiàn)象:

第一，在各因素共同作用的情況下，改良土的膨脹率與起始含水率不再滿足只受起始含水率影響的線性關(guān)系(如圖3中虛線所示)，而滿足式(1):

其中，δh為線膨脹率;ω0為起始含水率。

膨脹率隨著起始含水率的增加而呈明顯的三階段變化規(guī)律，即首先膨脹率隨起始含水率的增加減小的非常明顯，隨后變化相對(duì)比較緩慢，最后有接近平穩(wěn)的趨勢(shì);

第二，同一起始含水率條件下，各因素共同作用時(shí)的膨脹率大于僅考慮起始含水率時(shí)的膨脹率。前者主要原因?yàn)?首先，摻入石灰會(huì)使粘粒周?chē)囊徊糠秩踅Y(jié)合水與粘粒脫離，從而使摻石灰膨脹土的密度減小[7]，以致使得土體前期孔隙體積減小較快，所以前期膨脹量的相對(duì)減小速率較大;其次，由于不同土料與石灰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的程度和速度各不相同[8]，摻入石灰的膨脹土?xí)呌诜€(wěn)定，所以會(huì)出現(xiàn)變化漸緩，最后趨于平穩(wěn)的現(xiàn)象。后者主要原因?yàn)閾魧?shí)作用使得土體密度增大，原始試件體積一定時(shí)，相同條件下增大質(zhì)量會(huì)使土體膨脹率增大。

從圖4可以看出，各因素共同作用時(shí)，膨脹率的最小值(如圖4實(shí)線所示)比僅考慮摻入石灰率時(shí)(如圖4虛線所示)降低了3%左右，對(duì)應(yīng)的摻入石灰率也相應(yīng)的減小了8%左右，其關(guān)系曲線滿足方程:

其中，i為摻入石灰率。

當(dāng)只考慮膨脹土的擊實(shí)特性時(shí)，隨著擊數(shù)增加，膨脹土的最大干密度和最優(yōu)含水量會(huì)分別呈直線增大和減小，當(dāng)擊數(shù)超過(guò)50次時(shí)，最大干密度和最優(yōu)含水量趨于定值，擊實(shí)后的膨脹土的脹縮性并沒(méi)有受到抑制(如圖5虛線所示)。但各因素綜合作用時(shí)，膨脹率與擊實(shí)作用則表現(xiàn)為(如圖5實(shí)線所示):

其中，n為擊實(shí)次數(shù)。

這表明膨脹土的擊實(shí)作用受到起始含水率、摻入石灰率的影響，曲線上存在明顯的極值(此次試驗(yàn)中該值為200擊):n＜200時(shí)，膨脹率隨擊實(shí)次數(shù)的增加而降低;n＞200時(shí)，膨脹率隨擊實(shí)次數(shù)的增加而升高。

3 結(jié)語(yǔ)

建筑部門(mén)目前在采用膨脹土處理措施時(shí)，甚至在采用綜合改良措施時(shí)，一般只考慮單一因素的最優(yōu)值，這種確定膨脹土地基處理方法存在明顯的不足，即沒(méi)有考慮摻灰土料的結(jié)構(gòu)會(huì)因含水率、擊實(shí)作用的不同而有很大的差異，從而忽略了各因素之間的耦合作用。通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在起始含水率、摻入石灰率以及擊實(shí)功的強(qiáng)烈耦合作用下，同一土體最小膨脹率對(duì)應(yīng)的各因素值發(fā)生明顯變化，各因素的影響規(guī)律也發(fā)生了明顯的改變。試驗(yàn)用膨脹土最小膨脹率對(duì)應(yīng)的起始含水率、摻入石灰率以及擊實(shí)次數(shù)分別為:21.6%，12.3%和 200 次。膨脹土與石灰的物理、化學(xué)反應(yīng)過(guò)程都需要水的參與，含水率的變化會(huì)使這些過(guò)程發(fā)生明顯變化，而擊實(shí)度直接影響水的獲取量，各因素共同作用時(shí)會(huì)影響擊實(shí)功和摻灰量的最佳值，進(jìn)而影響摻灰膨脹土的最終強(qiáng)度，若仍按一般方法來(lái)確定膨脹土的處理措施顯然不妥。所以，建議采用綜合改良法處理膨脹土地基時(shí)應(yīng)首先開(kāi)展模擬真實(shí)地下水位的大試件膨脹性試驗(yàn)。

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