于琳茗

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

1969年第二次國際膨脹土研究會議期間討論過膨脹土的定義，認(rèn)為膨脹土是一種對環(huán)境變化特別是對于濕度狀態(tài)的變化非常敏感的土，其反應(yīng)是發(fā)生膨脹與收縮，在有約束的情況下會產(chǎn)生膨脹壓力[1-2]。其吸水膨脹、失水收縮等與一般黏土有所不同的工程性質(zhì)，給人類工程活動帶來了巨大的危害[3-5]。因此國外工程界稱它為“隱藏的危害”“難對付的土”“問題多的土”“工程中的癌癥”等，國內(nèi)在膨脹土地區(qū)修筑鐵路時，也常常是“逢塹必滑，無堤不塌”。

國內(nèi)膨脹力變化規(guī)律研究取得了一系列的成果，但是研究方向主要集中在礦物成分、結(jié)構(gòu)、初始干密度、初始含水率對膨脹力的影響[6-12]。而對膨脹力的形成機理、性質(zhì)以及膨脹力隨時間、吸水量的變化規(guī)律少有研究。因此，本文基于膨脹土脹縮機理理論，解釋膨脹力的形成機理，分析膨脹力的性質(zhì)，并通過連續(xù)吸水膨脹力試驗研究膨脹力隨時間和吸水量的變化規(guī)律。

1 膨脹力的基本概念

1.1 膨脹力形成機理

膨脹土的脹縮機理十分復(fù)雜，比較有代表性的有黏土礦物晶格擴張理論和雙電層理論。晶格擴張理論認(rèn)為，膨脹性黏土礦物(蒙脫石、蛭石)的晶層間存在著水化能力極強的、平衡層間負(fù)電荷(來源較遠的八面體)的陽離子(鈣、鎂)。這些陽離子極易水化，水分子進入層間很快地排列形成黏土礦物晶體的一部分，使基本晶層的面間距的高度增加，導(dǎo)致膨脹。雙電層理論認(rèn)為，黏粒表面帶有一定量的負(fù)電荷，由于靜電引力的作用，孔隙水溶液會吸引水中的陽離子到土粒表面。帶有負(fù)電荷的黏土礦物顆粒表面與吸附的水化陽離子層合起來稱為雙電層[12-13]。雙電層內(nèi)的離子對水分子具有吸附能力，被吸附的水分子在電場力作用下定向排列，在黏土礦物顆粒的周圍形成表面結(jié)合水(水化膜)。由于結(jié)合水增厚“楔開”土顆粒，從而使固體顆粒之間的距離增大，導(dǎo)致土體膨脹[14]。

上述2種理論都認(rèn)為，膨脹土脹縮的實質(zhì)是土中的黏土礦物與水互相作用，形成水膜夾層或結(jié)合水(水化膜)。水膜夾層或結(jié)合水(水化膜)增厚首先填充土顆粒與土顆粒間的孔隙。當(dāng)水膜夾層或結(jié)合水(水化膜)繼續(xù)增厚，則會受到周圍土顆粒的約束，顆粒之間會形成一種“楔”力(見圖1)。

當(dāng)外部約束足夠大，膨脹土吸水且保持體積不發(fā)生變化時，土顆粒間的“楔”力逐漸累加，并通過土顆粒向外部傳遞，形成宏觀的膨脹力，即恒體積法測量的膨脹力，如圖1(a)所示。當(dāng)外部約束不足以保持膨脹土體積不變，土顆粒間的“楔”力使膨脹土產(chǎn)生膨脹變形，并通過變形使土顆粒間的“楔”力逐漸減小，直至膨脹土的宏觀膨脹力和外界約束力相等。這是受部分約束的膨脹變形，如圖1(b)所示。當(dāng)不存在外部約束時，“楔”力使顆粒與顆粒之間或者集聚體與集聚體之間的距離增加，導(dǎo)致膨脹土體積增加，產(chǎn)生自由膨脹變形，如圖1(c) 所示。

1.2 膨脹力的性質(zhì)

在彈性理論中認(rèn)為凡是能導(dǎo)致物體變形和產(chǎn)生內(nèi)力的物理因素都稱為載荷[15],可分為2大類：第1類載荷如重力、機械力和電磁力，稱為外力。它直接施加在物體上引起物體的變形與內(nèi)力。第2類載荷如溫度、中子輻照等物理因素，它直接引起物體變形，僅當(dāng)變形受到約束(物體內(nèi)部自身的約束或外部約束)時才產(chǎn)生。

從膨脹力的形成機理分析可知，膨脹土脹縮的實質(zhì)是土中水與黏土礦物互相作用，自由水滲入礦物顆粒轉(zhuǎn)化為結(jié)合水或水化膜厚度變化的過程，是土顆粒骨架吸附水分子以后的宏觀現(xiàn)象。當(dāng)結(jié)合水或水化膜增厚到一定程度時，顆粒之間會形成一種“楔”力。這種 “楔”力使顆粒與顆粒之間或者集聚體與集聚體之間的距離增加，導(dǎo)致膨脹土體積增加。綜上可見，只有當(dāng)水膜增厚受到阻止時，才會產(chǎn)生“楔”力。在整個過程中，吸水量的變化直接引起了膨脹土的變形，當(dāng)變形受到約束時才會產(chǎn)生膨脹力，當(dāng)沒有外部約束時，則不會產(chǎn)生膨脹力。故膨脹力屬于第2類荷載。

1.3 定義膨脹力

國內(nèi)外眾多學(xué)者認(rèn)為，膨脹力是指膨脹土含水率增加而保持體積不變產(chǎn)生的力，它隨含水率的變化而變化。從圖1受部分約束的膨脹變形形成機制的分析中可以看出，膨脹土吸水膨脹時，不僅是體積保持不變會產(chǎn)生膨脹力，當(dāng)外部約束不足以保持膨脹土體積不變時，膨脹土同樣也會產(chǎn)生膨脹力。而在實際工程中，支擋結(jié)構(gòu)允許存在一定的位移。因此，可以認(rèn)為膨脹力是膨脹土含水率增加時，存在約束阻礙其自由膨脹變形而產(chǎn)生的力。由于保持體積不變而產(chǎn)生的膨脹力簡單易測，且在工程設(shè)計中偏于安全，因此目前測量膨脹力多采用恒體積法。

2 試驗裝置及步驟介紹

2.1 試驗裝置

為了研究膨脹力隨時間和含水率增量的變化規(guī)律，基于恒體積法測量膨脹力的思想，設(shè)計了如圖2所示的連續(xù)吸水膨脹力試驗裝置。

1-反力螺栓; 2-荷重傳感器; 3-不透水鋼板; 4-土樣; 5-排氣管; 6-密封蓋; 7-進水管; 8-有孔鋼板; 9-制樣容器; 10-觀察孔; 11-閥門; 12-電子稱; 13-水箱圖2 連續(xù)吸水膨脹力試驗裝置示意

試驗土樣可用原狀樣或者擾動樣。試驗時將環(huán)刀和土樣一并放入制樣容器內(nèi)，這避免了土樣的擾動。土樣下部為透水鋼板，試驗時通過進水管注水，電子稱實時監(jiān)測水量的變化。

土樣上部分別為不透水鋼板、測力原件和反力螺栓，測力元件為安徽蚌埠中諾傳感器廠的荷重傳感器，不透水鋼板和反力螺栓具有足夠大的剛度，用以固定土樣和測力原件。膨脹土吸水時反力螺栓提供相應(yīng)的反力，保證膨脹土不發(fā)生變形，通過讀數(shù)儀讀出膨脹力的數(shù)值。

2.2 試驗步驟

1)配置試驗所需初始含水率及初始干密度的膨脹土，壓制土樣，靜置24 h，試驗土樣物理參數(shù)見表1。

表1 試驗土樣物理參數(shù)

2)按照圖2所示組裝儀器設(shè)備，旋緊反力螺栓，施加1 kPa的預(yù)壓力使反力螺栓、荷重傳感器、濾紙、土樣、濾紙以及不透水鋼板之間緊密接觸，將荷重傳感器讀數(shù)調(diào)零。

3)關(guān)閉閥門，往水箱內(nèi)加一定量水，打開錄像設(shè)備，記錄荷重傳感器讀數(shù)，打開閥門，待2 h內(nèi)讀數(shù)<0.1 kPa時，停止試驗。

4)試驗結(jié)束后，拆除裝置，取出土樣測量含水率，計算土樣的吸水量。

3 試驗結(jié)果

利用連續(xù)吸水膨脹力試驗裝置對呈貢、成都膨脹土進行試驗，研究不同初始含水率下膨脹力隨時間和吸水量的變化規(guī)律。

3.1 膨脹力隨時間的變化規(guī)律

不同初始含水率時，呈貢、成都膨脹土連續(xù)吸水條件下膨脹力時程曲線見圖3。

圖3 連續(xù)吸水條件下不同膨脹土的膨脹力時程曲線

由圖3可知：①呈貢膨脹土0～5 h內(nèi)，不同初始含水率膨脹土的膨脹力迅速增長，相繼在3～5 h達到最大膨脹力；5～25 h內(nèi)不同初始含水率膨脹土的膨脹力都呈現(xiàn)較明顯的衰減現(xiàn)象，并逐漸趨于一個穩(wěn)定值，且初始含水率越低，衰減現(xiàn)象越明顯，初始含水率為30%時沒有衰減現(xiàn)象；25 h之后不同初始含水率膨脹土的膨脹力不發(fā)生變化。對于成都膨脹土，1 h內(nèi)不同初始含水率膨脹土的膨脹力迅速增長并到達最大膨脹力，1 h之后膨脹力幾乎維持在最大膨脹力，并沒有出現(xiàn)類似呈貢膨脹土的膨脹力衰減現(xiàn)象。②呈貢膨脹土不同初始含水率膨脹土的膨脹力都會先達到一個最大值，然后再衰減到一個穩(wěn)定值。這是因為呈貢膨脹土屬于強膨脹土，在吸水膨脹受到約束后，膨脹土顆粒之間會產(chǎn)生較強的楔力。當(dāng)這種楔力大到一定程度后，會使膨脹土土顆粒重分布和黏結(jié)，進而導(dǎo)致膨脹力衰減。而成都膨脹土不存在膨脹力衰減現(xiàn)象，這是因為成都膨脹土屬于弱膨脹土，膨脹土吸水后，土顆粒間產(chǎn)生的楔力較小，不足以使土顆粒重分布。

3.2 最大膨脹力隨初始含水率的變化規(guī)律

圖4 膨脹土最大膨脹力隨初始含水率的變化規(guī)律

將圖3中不同初始含水率膨脹土最大膨脹力加以整理，得到最大膨脹力隨初始含水率的變化規(guī)律曲線，見圖4。可知：呈貢膨脹土初始含水率<15%時，最大膨脹力基本保持不變；初始含水率為15%～25%時，最大膨脹力隨初始含水率的增大而減小；初始含水率25%～30%時，最大膨脹力不隨初始含水率發(fā)生變化。成都膨脹土初始含水率為15%～25%時，最大膨脹力總體上隨含水率的增大而減小，且在初始含水率為25%時達到最小值。文獻[10-12]通過平衡加壓法也得到類似試驗規(guī)律。

3.3 膨脹力隨吸水量的變化規(guī)律

呈貢、成都膨脹土的膨脹力隨吸水量的變化規(guī)律見圖5。

圖5 膨脹力隨吸水量的變化規(guī)律

由圖5可知：①不同初始含水率的膨脹土吸水后，膨脹力隨吸水量的增加呈線性增長，膨脹力增幅不大，在一定臨界吸水量之后膨脹力急劇增長，膨脹力增幅較大。文獻[9-10]也得出類似的試驗規(guī)律。由膨脹力形成機制可知，膨脹土吸水增厚的水膜夾層或結(jié)合水(水化膜)首先會填充土顆粒與土顆粒之間的孔隙，因此膨脹土前期吸水不會導(dǎo)致較大的膨脹力增幅。隨著膨脹土的吸水，導(dǎo)致水膜夾層或結(jié)合水(水化膜)填充土顆粒間的孔隙，此時膨脹土繼續(xù)吸水則會表現(xiàn)出較大的膨脹力增幅。②呈貢膨脹土和成都膨脹土都表現(xiàn)出，初始含水率越低，膨脹力急劇增長時所需的臨界吸水量越大。這是因為初始含水率越低，土顆粒間的孔隙越大，膨脹土需吸收更多的水來形成足夠厚的水膜夾層或結(jié)合水(水化膜)來填充土顆粒間的孔隙。③呈貢膨脹土膨脹力達到最大膨脹力后存在衰減現(xiàn)象，而成都膨脹土膨脹力到達最大膨脹力后保持穩(wěn)定，不存在衰減現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1)基于晶格擴張理論和雙電層理論，分析了膨脹力的形成機制，認(rèn)為膨脹土吸水使水膜夾層或結(jié)合水(水化膜)增厚，由于受到周圍土顆粒的約束，顆粒之間會形成一種“楔”力。當(dāng)存在外部約束時，膨脹土吸水且保持體積不變或產(chǎn)生部分膨脹變形時，土顆粒間的“楔”力逐漸累加，并通過土顆粒向外部傳遞，形成宏觀的膨脹力。

2)基于膨脹力形成機制，重新定義了膨脹力，認(rèn)為膨脹力是膨脹土含水率增加時，存在約束阻礙其自由膨脹變形而產(chǎn)生的力。

3)膨脹力屬于第2類荷載，含水量的變化直接引起了膨脹土的變形，只有當(dāng)變形受到約束時才會產(chǎn)生膨脹力，當(dāng)沒有外部約束時，則不會產(chǎn)生膨脹力。

4)呈貢膨脹土膨脹力達到最大值后會存在衰減現(xiàn)象，而成都膨脹土不存在衰減現(xiàn)象。

5)不同初始含水率的膨脹土膨脹力隨吸水量的增加呈線性增長，在一定臨界吸水量之后急劇增長；且初始含水率越低，膨脹力到達以較大的斜率增長時所需的吸水量越大。

[1]廖世文.膨脹土與鐵路工程[M].北京：中國鐵道出版社,1984.

[2]賈景超.膨脹土膨脹機理及細(xì)觀膨脹模型研究[D].大連：大連理工大學(xué),2010.

[3]GROMK G J.Review of Expansive Soils[J].Journal of the Geotechnical Engineering Division,1974,100(6): 667-687.

[4]DAY R W.California Housing Damage Related to Expansive Soils[J].Journal of Performance of Constructed Facilities,1995:243-247.

[5]李進前，王起才，張戎令，等.基于Fisher分析的高速鐵路地基膨脹土判別方法[J].鐵道建筑，2017,57(8):73-77.

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

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

[8]王亮亮,楊果林,劉黃偉,等.云桂鐵路弱-中膨脹土膨脹力試驗研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,44(11):4658-4663.

[9]王亮亮,楊果林.中-強膨脹土豎向膨脹力原位試驗[J].鐵道學(xué)報,2014,36(1):94-99.

[10]章李堅.膨脹土膨脹性與收縮性的對比試驗研究[D].成都：西南交通大學(xué),2014.

[11]丁振洲,鄭穎人,李利晟.膨脹力變化規(guī)律試驗研究[J].巖土力學(xué),2007,28(7):1328-1332.

[12]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.

[13]高國瑞.近代土質(zhì)學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,2013.

[14]王保田,張福海.膨脹土的改良技術(shù)與工程應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,2008.

[15]王光欽,丁桂保,楊杰.彈性力學(xué)[M].3版.北京：清華大學(xué)出版社,2015.