引言

膨脹土是一類由蒙脫石、伊利石和高嶺土等強(qiáng)親水礦物組成的特殊性黏性土，一旦受到含水量變化，極易出現(xiàn)明顯的體積變化，其主要表現(xiàn)為吸水膨脹軟化、失水收縮干裂，反復(fù)的吸水和失水導(dǎo)致土體強(qiáng)度衰減，長(zhǎng)此以往易引起路基工程開(kāi)裂、建筑物不均勻沉降、基礎(chǔ)承載力下降、邊坡失穩(wěn)等工程危害[1]-[3]。膨脹土在我國(guó)的分布極為廣泛，在湖北地區(qū)主要分布在宜昌、荊門、襄陽(yáng)等地，不同地區(qū)的膨脹土由于其礦物成分組成和微觀結(jié)構(gòu)的不同，膨脹和收縮機(jī)制呈現(xiàn)出明顯的地域性。荊門南部及周邊區(qū)域作為江漢平原規(guī)模最大的膨脹土分布區(qū)，膨脹土對(duì)外部荷載、濕度和地下水等因素變化較為敏感，在受到變形約束時(shí)，發(fā)生膨脹變形和膨脹力，且膨脹土體的膨脹潛勢(shì)無(wú)明顯的規(guī)律，引起建筑物的變形、沉降、次應(yīng)力和地基不同程度鼓脹、開(kāi)裂等不良反應(yīng)，給病害整治帶來(lái)困難[4]。

目前，眾多學(xué)者對(duì)膨脹土的工程特性展開(kāi)了研究，其研究多聚焦于膨脹力、膨脹率試驗(yàn)、膨脹土的水穩(wěn)特性以及膨脹勢(shì)與膨脹時(shí)程等方面，在研究?jī)?nèi)容上多傾向于膨脹土的膨脹特性，對(duì)統(tǒng)一膨脹土的收縮特性、膨脹特性以及強(qiáng)度特征方面的研究和關(guān)注較少。本文以荊門城南中膨脹土為研究對(duì)象，分析不同含水率和干密度變化時(shí)膨脹土膨脹率隨時(shí)間的變化關(guān)系，試圖建立歸一化膨脹土膨脹過(guò)程時(shí)程曲線。

1.試驗(yàn)土樣的制備及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)土樣的選取和制備

試驗(yàn)土樣取自荊門城南區(qū)域某基坑工程，在12個(gè)地質(zhì)鉆孔內(nèi)采用固定活塞取土器獲取高質(zhì)量原狀樣，經(jīng)過(guò)地質(zhì)鉆探鑒別以及室內(nèi)試驗(yàn)，根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》（GB 50112-2013）[5]的膨脹土地基的脹縮等級(jí)劃分，場(chǎng)區(qū)膨脹土以中膨脹土為主，外觀為灰黃色，軟～硬塑，含吸水礦物含量較高，伊利石含量約55%，蒙脫石-伊利石混層含量約15%，高嶺土含量約20%，裂隙較發(fā)育，局部見(jiàn)白色填充物。場(chǎng)區(qū)膨脹土室內(nèi)基本物理參數(shù)成果如表1所示，礦物成分及顆粒分析如表2所示。

表1 場(chǎng)區(qū)膨脹土室內(nèi)試驗(yàn)物理參數(shù)

由表1可知，膨脹土的天然含水率變化區(qū)間較大，試樣制備時(shí)，考慮天然含水率對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的影響，控制試樣干密度為ρd=1.6g/cm3，制備不同含水率的試樣4組，含水率分別為ω=15%、20%、25%、30%；為了考慮干密度對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的影響，控制試樣含水率為ω=20%，制備不同干密度的試樣5組，干密度分別為ρd=1.3g/cm3、1.4g/cm3、1.5g/cm3、1.6g/cm3、1.7g/cm3。試驗(yàn)環(huán)刀直徑61.8mm，高20mm。

1.2 試驗(yàn)方案

為考察膨脹土的膨脹特性、收縮特性和遇水強(qiáng)度衰減特性，參考《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）[6]，制定無(wú)荷載膨脹試驗(yàn)、收縮試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，室內(nèi)溫度為25℃，最高溫度不高于30℃。

無(wú)荷載膨脹試驗(yàn)采用河北路儀公路儀器有限公司生產(chǎn)的WZ-II型土壤膨脹儀器，試驗(yàn)時(shí)，將放入水盒中，記錄百分百初讀數(shù)，保持水面大于試樣高度5mm，記錄不同時(shí)間內(nèi)百分表讀數(shù)，當(dāng)6h內(nèi)變形小于0.01mm時(shí)可以停止試壓。膨脹力試驗(yàn)采用同樣設(shè)備，采用平衡荷載法進(jìn)行試驗(yàn)。

為探討不同含水率條件下膨脹土的收縮特性，對(duì)4組不同含水率的試驗(yàn)進(jìn)行收縮試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備采用南京寧溪土壤儀器廠生產(chǎn)的SS-1型收縮儀，室內(nèi)溫度及收縮速度宜每隔lh ～4h測(cè)記百分表讀數(shù)，并稱整套裝置和試樣質(zhì)量，準(zhǔn)確至0.lg；兩天后，每隔6h ～24h測(cè)記百分表讀數(shù)并稱質(zhì)量，直至兩次百分表讀數(shù)不變。直接剪切試驗(yàn)采用方法和流程可參考《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）。

2.試驗(yàn)成果與分析

2.1 荊門城南區(qū)域膨脹土膨脹與收縮特征分析

圖1為不同含水率條件下（ρd=1.6g/cm3）膨脹土的無(wú)荷載膨脹試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，膨脹率在膨脹初期階段，隨時(shí)間線性增加，而后轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性增加，最后趨于收斂。隨著初始含水率的增加，膨脹率在線性階段的斜率不斷減小，同時(shí)收斂階段的最終膨脹率也不斷減小。這是由于在同一干密度條件下，含水率的增加削弱了膨脹土的膨脹潛勢(shì)。

圖2為不同干密度下（ω=20%）膨脹土的無(wú)荷載膨脹試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，膨脹土的變化規(guī)律也大致經(jīng)歷了以上三個(gè)階段。但是，隨著干密度的增加，膨脹率在線性階段的斜率不斷減小，但是收斂階段的最終膨脹率卻不斷增加。表明干密度大的膨脹土，土體顆粒之間的緊密接觸、孔隙小，使得吸水過(guò)程較緩慢，從而導(dǎo)致膨脹過(guò)程緩慢。同時(shí)，干密度大的土體單位體積內(nèi)親水礦物的含量也更多，在最終充分吸水后其膨脹率會(huì)更大。

圖1 無(wú)荷載膨脹試驗(yàn)不同含水率時(shí)間-膨脹率關(guān)系曲線

圖2 無(wú)荷載膨脹試驗(yàn)不同干密度時(shí)間-膨脹率關(guān)系曲線

圖3 歸一化膨脹率與時(shí)間關(guān)系

從圖1、圖2可以看出，盡管膨脹土的初始膨脹條件、考察參數(shù)變量不同，但膨脹過(guò)程大致可以分為3個(gè)階段：急速膨脹階段、膨脹放緩階段和收斂階段。因此，可以建立歸一化膨脹率時(shí)程曲線，如圖3所示。利用歸一化膨脹率和時(shí)間的關(guān)系，不僅可以更好地描述膨脹土的膨脹過(guò)程，而且也為膨脹過(guò)程模型函數(shù)的建立奠定基礎(chǔ)。歸一化膨脹率和時(shí)間的關(guān)系可利用特征時(shí)間點(diǎn)t1、t2進(jìn)行分段函數(shù)描述。

圖4 收縮試驗(yàn)含水率-線縮率關(guān)系曲線

圖5 含水率-線縮率擬合曲線

圖6 膨脹力試驗(yàn)不同含水率時(shí)間-膨脹力關(guān)系曲線

圖7 膨脹力試驗(yàn)不同干密度時(shí)間-膨脹力關(guān)系曲線

圖8 膨脹力試驗(yàn)含水率-膨脹力擬合曲線

圖9 膨脹力試驗(yàn)干密度-膨脹力擬合曲線

圖4為不同初始含水率條件下（ρd=1.6g/cm3）膨脹土的收縮試驗(yàn)成果。從圖中可以看出，隨著含水率的增加，最終收斂的線縮率明顯增加，經(jīng)數(shù)據(jù)擬合處理，兩者曲線關(guān)系如圖5所示，關(guān)系式如式（1）所示：

2.2 荊門城南區(qū)域膨脹土膨脹力特征分析

圖6、圖7分別為不同含水率條件下（ρd=1.6g/cm3）膨脹力隨時(shí)間的變化曲線關(guān)系，不同干密度條件下（ω=20%）膨脹力隨時(shí)間的變化曲線關(guān)系。從圖中可以看出，膨脹力與時(shí)間的變化關(guān)系與膨脹率與時(shí)間的變化關(guān)系一致，也經(jīng)歷了急速膨脹階段、膨脹放緩階段和收斂階段3個(gè)階段，表明膨脹土膨脹時(shí)，膨脹力和膨脹率是相輔相成的，可以共同表征膨脹土的膨脹潛勢(shì)。

圖8、圖9分別為含水率（ρd=1.6g/cm3）與膨脹力的擬合關(guān)系，干密度（ω=20%）與膨脹力擬合關(guān)系。從圖中可以看出，膨脹力與含水率、干密度具有良好的回歸關(guān)系，隨著含水率的增加，膨脹率呈冪指數(shù)降低，而隨著干密度的增加則相反，呈冪指數(shù)增加?；貧w關(guān)系分別如式（2）、式（3）所示。

圖10 膨脹土直接剪切試驗(yàn)

圖11 自由膨脹率-粘聚力關(guān)系曲線

圖12 自由膨脹率-內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

2.3 荊門城南區(qū)域膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析

圖10為直接剪切試驗(yàn)時(shí)，不同含水率條件下（ρd=1.6g/cm3）豎向壓力與剪切強(qiáng)度的關(guān)系曲線。在同一含水率時(shí)，隨著豎向壓力的增加，土體的剪切強(qiáng)度呈線性增加，表明膨脹土的本構(gòu)關(guān)系滿足摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則。同時(shí)，隨著含水率的增加，線性關(guān)系的斜率（代表土的摩擦角）和線性關(guān)系的截距（代表土體的粘聚力）不斷降低，表明膨脹土受到水的侵入后，土體膨脹軟化，其強(qiáng)度降受到折減。

為了更好地考察抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的變化規(guī)律，將圖10中的摩擦角和粘聚力分別與相對(duì)應(yīng)的自由膨脹率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖11、圖12所示。從圖中可以看出，在含水率相同的條件下，膨脹土的內(nèi)摩擦角與粘聚力指標(biāo)與自由膨脹率存在正相關(guān)關(guān)系，即膨脹土的膨脹潛勢(shì)越大，含水率越低，土體的抗剪強(qiáng)度越大。因此，在實(shí)際工程中，特別是對(duì)于低含水率的膨脹土、強(qiáng)膨脹土，其吸水后強(qiáng)度下降將十分嚴(yán)重，應(yīng)做好防排水和土體改良工作。

3.結(jié)論

針對(duì)荊門城南膨脹土的區(qū)域特征，本文以荊門城南中膨脹土為研究對(duì)象，采用無(wú)荷載膨脹試驗(yàn)、收縮試驗(yàn)以及直接剪切試驗(yàn)，分析不同含水率和干密度變化時(shí)膨脹土膨脹率隨時(shí)間的變化關(guān)系，試圖建立歸一化膨脹過(guò)程時(shí)程曲線。此外，還對(duì)線縮率與含水率的變化關(guān)系，膨脹力與含水率、干密度的相互關(guān)系，抗剪強(qiáng)度與自由膨脹率之間的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，得出以下主要結(jié)論：

第一，膨脹速率和最終膨脹量與土體含水率和干密度呈現(xiàn)明顯相關(guān)性，隨著初始含水率的增加，膨脹率在線性階段的斜率不斷減小，同時(shí)收斂階段的最終膨脹率也不斷減小，而隨著干密度的增加，膨脹率在線性階段的斜率不斷減小，但收斂階段的最終膨脹率卻不斷增加。土體膨脹過(guò)程大致可以分為急速膨脹階段、膨脹放緩階段與收斂階段三個(gè)階段。

第二，膨脹土的線縮率與含水率呈明顯的對(duì)數(shù)關(guān)系。

第三，膨脹力與土體的含水率呈指數(shù)降低，而隨著干密度的增加則相反，呈冪指數(shù)增加。

第四，含水率對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度具有明顯的降低效應(yīng)，在含水率相同的條件下，膨脹土的內(nèi)摩擦角與粘聚力指標(biāo)和自由膨脹率存在良好的正相關(guān)關(guān)系。