■李艷艷

（福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 三明 366000）

在工程中， 膨脹土是一種典型的非飽和粘性土，它富含的蒙脫石以及其混層礦物，由于強(qiáng)親水性使膨脹土具有顯著的脹縮性， 容易吸水膨脹軟化、失水收縮開(kāi)裂[1-3]。 膨脹土對(duì)路基工程結(jié)構(gòu)物的危害首先來(lái)自于它的膨脹特性[4-5]，現(xiàn)在室內(nèi)基本上都是運(yùn)用單軸固結(jié)儀對(duì)膨脹土的膨脹特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但該儀器是在完全側(cè)限，即不允許試樣有任何側(cè)向變形的條件下，測(cè)試土樣豎向的膨脹壓力和變形，然而自然界中的膨脹土體處于非常復(fù)雜的環(huán)境當(dāng)中，這種試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法與現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的環(huán)境條件相差很多[6-7]。 為了能夠使試驗(yàn)條件與現(xiàn)場(chǎng)的情況更加接近并且獲得更加有工程意義的試驗(yàn)結(jié)果，本文采用土壤豎、徑向膨脹變形與膨脹力關(guān)系測(cè)試儀對(duì)膨脹土的膨脹特性進(jìn)行試驗(yàn)，以得到膨脹土膨脹力的變化規(guī)律；兩個(gè)方向膨脹力的關(guān)系以及膨脹變形對(duì)膨脹力的影響。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)人為控制土樣的狀態(tài)，在幾種不同的起始含水率與不同的初始干密度下，對(duì)所采集的膨脹土土樣進(jìn)行膨脹特性的測(cè)試，從而得到土樣的豎向與徑向的膨脹力，研究它們之間的關(guān)系。 與此同時(shí)，在允許有豎向膨脹變形或者側(cè)向膨脹的條件下，研究?jī)上虻呐蛎浟Φ乃p規(guī)律。 試驗(yàn)設(shè)計(jì)3 種不同的初始含水率：17%、20%、23%，以研究含水率對(duì)膨脹特性的影響；并在同一個(gè)含水率條件下在設(shè)計(jì)3 種不同的干密度：1.6 g/cm3、1.7 g/cm3、1.8 g/cm3， 進(jìn)一步研究干密度對(duì)膨脹特性的影響。 試驗(yàn)共設(shè)計(jì)9 組，每組需要4 個(gè)試樣，其中2 個(gè)試樣用剛性環(huán)刀進(jìn)行制作，在單軸固結(jié)儀上完成豎向膨脹力的試驗(yàn)；另外2 個(gè)試樣用4 片環(huán)刀進(jìn)行制作（其中1 塊釋放豎向位移，1 塊釋放徑向位移，釋放位移間隔0.05 mm），在土壤豎、徑向膨脹變形與膨脹力關(guān)系測(cè)試儀上進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試樣制備

（1）用木槌將土樣錘碎并過(guò)2 mm 的圓孔篩，充分?jǐn)嚢韬鬁y(cè)定其風(fēng)干含水率，然后按照公式（1）計(jì)算配制一定含水率的土樣所需要的加水量。

式（1）中：mw為制備土樣所需要的加水量（g）；m0為風(fēng)干土的質(zhì)量 （g）；w0為土樣的風(fēng)干含水率（%）；w1為所要求的土樣的含水率（%）。

根據(jù)試驗(yàn)需要取一定量的土樣并將其平鋪在橡皮板上； 按計(jì)算好的加水量均勻地噴灑在土樣上。 對(duì)土樣進(jìn)行充分?jǐn)嚢韬髮⑵溲b入黑色塑料袋內(nèi)進(jìn)行悶料使其更加均勻；潤(rùn)濕24 h 后測(cè)定它的含水率，即得到研究所需要的含水率試驗(yàn)土樣。

（2）運(yùn)用特制的制樣模具與CBR 試驗(yàn)儀相配套采用靜壓方法進(jìn)行試樣的制備。 在土樣制備的過(guò)程中需要控制其干密度，即在一定的含水率的條件下需要計(jì)算裝入制樣模具的土料的質(zhì)量，其計(jì)算公式如下：

式（2）中：mρ為土料的質(zhì)量（g）；ρd為所要求的試樣的干密度（g/cm3）；R 為試樣的半徑（cm）；H 為試樣的高度（cm）。

首先將環(huán)刀和制樣模具組裝在一起，然后把已經(jīng)計(jì)算好的一定質(zhì)量土料裝入模具中，分三層進(jìn)行靜壓壓實(shí)，平撫該制樣模具，至CBR 試驗(yàn)儀的底座旁邊，調(diào)節(jié)CBR 指針使其歸0，手動(dòng)調(diào)節(jié)CBR 旋鈕（先下降，后上升），使CBR 重錘落入特制的擊實(shí)筒銅錘里， 當(dāng)CBR 試驗(yàn)儀重錘底部完全和特制的擊實(shí)筒接觸后，CBR 試驗(yàn)儀讀數(shù)開(kāi)始變化， 當(dāng)其達(dá)到預(yù)定高度后維持該高度不變直至CBR 讀數(shù)穩(wěn)定（約20 min），之后調(diào)節(jié)CBR 旋鈕，使其下降取出裝有特殊環(huán)刀的特制擊實(shí)筒，取出環(huán)刀并將土樣削平稱重。 這樣便得到試驗(yàn)所需要的環(huán)刀試樣以備膨脹特性試驗(yàn)之用。

1.3 試驗(yàn)注意事項(xiàng)

在使用土壤豎、徑向膨脹變形與膨脹力關(guān)系測(cè)試儀時(shí)，需注意以下事項(xiàng)：（1）安裝試樣時(shí)，點(diǎn)擊膨脹特性窗口中的“左移”“右移”按鈕來(lái)調(diào)節(jié)試樣護(hù)環(huán)部件的開(kāi)合程度， 保證土樣試件能輕松插入即可；并且使旋轉(zhuǎn)環(huán)形箍四瓣環(huán)刀結(jié)合縫與試樣護(hù)環(huán)部件的縫隙相對(duì)應(yīng)，并將環(huán)形箍的鎖緊螺母適當(dāng)松開(kāi)方便試件四瓣在底部環(huán)刀滑離環(huán)形箍；（2）根據(jù)“運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控”欄里的提示，設(shè)置正壓和圍壓的預(yù)緊強(qiáng)度然后點(diǎn)擊“正壓預(yù)緊”“圍壓預(yù)緊”按鈕對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)緊，將測(cè)試模式設(shè)置為“控制位移”、將終止條件設(shè)置為“人為停止”；（3）待完成試樣的預(yù)緊后，再根據(jù)“運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控”欄里的提示將正壓位移和圍壓位移進(jìn)行清零，等“運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控”欄里顯示“準(zhǔn)備完畢”時(shí)，即可點(diǎn)擊“測(cè)試啟動(dòng)”按鈕正式進(jìn)行測(cè)試，并在測(cè)試啟動(dòng)的同時(shí)往水槽里加水，加水的深度淹沒(méi)試樣的2/3 即可；（4）在測(cè)試啟動(dòng)剛開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)，測(cè)試人員需要密切注意壓強(qiáng)和位移變化，在沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤和沒(méi)有大的波動(dòng)的情況下方能離開(kāi)，然后相隔一定的時(shí)間間隔對(duì)試驗(yàn)的過(guò)程進(jìn)行觀察。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)比2 種不同的儀器所測(cè)得的豎向膨脹力的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，單軸固結(jié)儀所得到的豎向膨脹力的測(cè)試值要比土壤豎、徑向膨脹變形與膨脹力關(guān)系測(cè)試儀的測(cè)試值大一些，這主要是固結(jié)儀所用的環(huán)刀剛性過(guò)大的原因，由于側(cè)限的存在會(huì)導(dǎo)致豎向膨脹力的測(cè)試值要比實(shí)際值偏大，因此所得到的測(cè)試結(jié)果相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較準(zhǔn)確可靠的。 對(duì)比分析表1和表2 中的試驗(yàn)結(jié)果可知，土樣豎向膨脹力的變化規(guī)律與以往的研究結(jié)果是吻合的。 綜上所述，運(yùn)用該實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

表1 試樣豎向膨脹力值（單位：kPa)

表2 試樣膨脹力峰值（單位：kPa)

2.1 徑、豎向膨脹力關(guān)系的分析

為了弄清楚膨脹土兩個(gè)方向的膨脹力之間的關(guān)系，取兩向膨脹力的比值（徑向膨脹力比豎向膨脹力）進(jìn)行研究，匯總于表5。 從表5 中可以看出該比值都小于1， 且該比值隨著干密度的增大而減小，這說(shuō)明膨脹土體存在各向異性，干密度越大表現(xiàn)的越明顯。

表5 兩向膨脹力比值

2.2 位移對(duì)膨脹力的影響

對(duì)表3 和表4 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生位移時(shí)， 土樣的膨脹力和徑向膨脹力都會(huì)發(fā)生變化，它們都隨著位移的增大而減小。 允許膨脹土的有微小豎向膨脹變形時(shí)，豎向位移為0.05 mm 時(shí)，土樣豎向膨脹力從147.80 kPa 降到123.30 kPa，衰減16.69%， 其徑向膨脹力從78.10 kPa 下降到70.70 kPa，衰減9.48%。 而且隨著豎向位移的增加膨脹力將會(huì)繼續(xù)下降，豎向位移為0.45 mm 時(shí)，土樣豎向膨脹力下降到40.50 kPa，衰減73.09%，其徑向膨脹力下降到43.60 kPa，衰減44.17%；豎向位移為0.60 mm 時(shí)，豎向膨脹力降到27.30 kPa，衰減82.08%，其徑向膨脹力下降到38.40 kPa，衰減50.83%。 由此可見(jiàn)，允許膨脹土的有微小豎向膨脹變形，其兩個(gè)方向膨脹力會(huì)出現(xiàn)很大程度的衰減。 同樣的，允許膨脹土的有微小徑向膨脹變形時(shí)，其兩個(gè)方向的膨脹力都會(huì)有所降低，當(dāng)徑向位移為0.05 mm 時(shí)，土樣豎向膨脹力從152.30 kPa 降到135.30 kPa，衰減11.16%， 其徑向膨脹力從75.20 kPa 下降到72.30 kPa，衰減3.86%；而且這種衰減的程度還會(huì)隨著徑向位移的增加而不斷地增大， 當(dāng)徑向位移增大到0.50 mm 時(shí)， 土樣豎向膨脹力下降到102.30 kPa，衰減32.83%，其徑向膨脹力下降到43.50 kPa，衰減42.15%。 與釋放豎向位移相比，豎向膨脹力和徑向膨脹力的衰減程度都要小一些，但是在釋放徑向位移時(shí)，徑向膨脹力的衰減程度還是要比豎向膨脹力的衰減程度要大一些。 為了更加直觀地表示位移對(duì)于膨脹力的影響， 分別作出了釋放豎向位移時(shí)，土樣的膨脹力與豎向位移關(guān)系的曲線圖（圖1），以及釋放徑向位移時(shí)，土樣的膨脹力的衰減百分比與徑向位移關(guān)系的曲線圖（圖2）。

表3 釋放豎向位移時(shí)膨脹力衰減情況

表4 釋放徑向位移時(shí)膨脹力衰減情況

圖1 膨脹力與豎向位移的關(guān)系的曲線

圖2 膨脹力的衰減百分比與徑向位移的關(guān)系的曲線

3 小結(jié)

本文為研究膨脹土豎、徑向膨脹規(guī)律，設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)方案對(duì)膨脹土進(jìn)行了膨脹特性的測(cè)試，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行整理分析，得到了以下結(jié)論：（1）膨脹土豎向膨脹力和徑向膨脹力的大小都隨著含水率的增大而減小，隨著干密度的增大而增大。 （2）膨脹土樣的徑向膨脹力總是小于其豎向膨脹力，且干密度對(duì)于膨脹土的各向異性有著一定的影響，干密度越大膨脹土的各向異性越明顯。 （3）允許土樣有稍微的豎向位移時(shí)， 兩個(gè)方向的膨脹力會(huì)發(fā)生比較大程度的衰減，且豎向膨脹力的衰減幅度要大一些。 （4）當(dāng)土樣發(fā)生徑向位移時(shí)，兩個(gè)方向的膨脹力均會(huì)發(fā)生衰減，但是徑向膨脹力的衰減程度要大一些。