韓濤， 譚明， 潘政安 ， 徐良

(1.廣西交投科技有限公司， 廣西 南寧 530213；2.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004)

膨脹土富含蒙脫石、伊利石及其混層等親水性礦物，吸水體積變化顯著。當(dāng)遇水膨脹受限時(shí)，會(huì)對(duì)周圍結(jié)構(gòu)物或土體產(chǎn)生較大膨脹力。膨脹土的豎向膨脹力對(duì)膨脹土地基及其上部結(jié)構(gòu)有顯著影響，膨脹土的側(cè)向膨脹力與膨脹土邊坡及其支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性密切相關(guān)。膨脹土邊坡支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不僅受到土壓力作用的影響，還受到側(cè)向膨脹力的影響，而側(cè)向膨脹力一般會(huì)大于主動(dòng)土壓力，因此合理分析側(cè)向膨脹力對(duì)于膨脹土支擋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有著決定性作用。前人大多在一維固結(jié)條件下開展試驗(yàn)研究膨脹土的脹縮特性，得到的是一維側(cè)限的豎向脹縮規(guī)律，該規(guī)律僅適用于地基工程等特定條件的分析，對(duì)于具有臨空面的坡體變形分析無法獲得側(cè)向膨脹規(guī)律。對(duì)膨脹土進(jìn)行三向測(cè)試有助于更全面地把握膨脹土脹縮規(guī)律。劉祖德等使用改裝后的可以控制應(yīng)力的三軸儀研究了典型膨脹土的三向關(guān)系。Avsar E.等研制一種三向膨脹儀用于測(cè)試柱形膨脹土試樣，但其加力過程易對(duì)土樣造成破壞。張銳等在單軸固結(jié)儀的基礎(chǔ)上研制可以測(cè)出側(cè)向膨脹力的裝置，但沒有獲得側(cè)向膨脹力隨側(cè)向變形的變化規(guī)律。以上試驗(yàn)研究采用非立方體試樣，僅局限于兩向。張穎鈞最早研制出針對(duì)立方體膨脹土試樣的三向脹縮儀，并利用該儀器研究了原狀土和擊實(shí)土水平膨脹力與豎向膨脹力之間的關(guān)系。之后，謝云和秦冰等使用改進(jìn)后的儀器，研究了典型膨脹土在不同初始吸力和干密度下的三向膨脹力，所測(cè)膨脹力范圍比原儀器大大提高，但測(cè)試過程中土樣的不斷變形會(huì)導(dǎo)致儀器出現(xiàn)變化，需人工不斷調(diào)節(jié)。王海龍等使用自制三向膨脹力測(cè)量儀對(duì)典型膨脹土進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但該裝置無法對(duì)三向荷載大小進(jìn)行控制。本文基于可用于測(cè)試立方體土樣的三向脹縮儀，對(duì)廣西南寧灰白重塑膨脹土進(jìn)行不同條件下三向膨脹力試驗(yàn)，分析干密度、初始含水率和外部荷載對(duì)膨脹力的影響，研究允許變形條件下側(cè)向膨脹力隨土體側(cè)向膨脹率的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

1.1 三向脹縮儀

在前人研究的基礎(chǔ)上，筆者與桂林長海發(fā)展有限責(zé)任公司聯(lián)合研制膨脹土三向脹縮儀(見圖1)，對(duì)尺寸為2.5 cm ×2.5 cm×2.5 cm的正方體土樣進(jìn)行三向脹縮率和三向膨脹力測(cè)試。該儀器能在三個(gè)方向施加荷載。它通過豎向滴水對(duì)試樣進(jìn)行增濕，3個(gè)百分表和3個(gè)測(cè)力環(huán)分別測(cè)試三向膨脹變形和三向膨脹力，通過在堆載盤上添加砝碼來施加三向荷載。

1 水平擋板；2 集水底座；3 施壓板；4 傳壓框；5 水平導(dǎo)軌；6 滑輪；7 百分表；8 量力環(huán)；9 吊鉤；10 堆載盤；11 工作平臺(tái)；12 旋轉(zhuǎn)螺栓；

1.2 土樣選取及制樣方法

試驗(yàn)所用南寧灰白膨脹土土樣取自在建期間的南寧城市道路邊坡，屬于中等膨脹土，其基本物理指標(biāo)見表1。

表1 南寧灰白膨脹土的主要物理指標(biāo)

制樣前，先把土樣錘碎過0.5 mm篩進(jìn)行篩分，放置于105 ℃烘箱中烘烤8 h后取出，根據(jù)試驗(yàn)要

求配制不同含水率的土樣。將土樣裝袋悶足24 h后，從塑料袋3個(gè)不同位置取出土樣進(jìn)行含水率測(cè)試，3個(gè)位置土樣的含水率誤差不超過2%。采用自制重塑土制備器制樣時(shí)，把土倒入成土框中，用4 kg重錘自由下落施力使土分3層壓實(shí)，最后旋轉(zhuǎn)螺栓使螺桿頂著推土板，取得土樣。要求土樣6個(gè)面表面均平整、光滑、無破損，長度誤差不超過0.2 mm(見圖2)。

1 底座平臺(tái)；2 成土框等裝置；3 重錘；4 擊實(shí)小錘；5 導(dǎo)桿；6 導(dǎo)桿固

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 三向膨脹力試驗(yàn)

要求三向平衡加壓，放入試樣后，先安裝量力環(huán)對(duì)試樣施加1 kPa初始?jí)毫?，使試樣與壓力板充分接觸，然后控制輸水閥門控制水流速度，對(duì)試樣進(jìn)行滴水處理。試驗(yàn)過程中不斷調(diào)整三向量力環(huán)后的旋鈕，使試樣受到反力壓縮，使3個(gè)方向的膨脹量保持為零。量力環(huán)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，試樣不再發(fā)生膨脹，記錄量力環(huán)的讀數(shù)，通過換算得到膨脹力。

(1) 初始含水率不變、初始干密度變化的膨脹力試驗(yàn)。采用不同擊實(shí)功把初始含水率為15.40%的土樣分別制成干密度為1.65 g/cm3、1.70 g/cm3、1.75 g/cm3、1.80 g/cm3的立方體土樣，通過三向脹縮儀探究相同含水率下試樣干密度與三向膨脹力及側(cè)、豎向膨脹力之比的關(guān)系。

(2) 干密度不變、初始含水率變化的膨脹力試驗(yàn)。把干密度為1.70 g/cm3的土樣分別制成4個(gè)不同含水率的土樣，探究相同干密度下初始含水率與膨脹率及側(cè)、豎向膨脹力之比的關(guān)系。

1.3.2 控制上覆荷載的側(cè)向膨脹力試驗(yàn)

制作一組試樣，初始含水率為10.6%，初始干密度為1.75 g/cm3，通過施加不同上覆荷載控制豎向變形，探究不同豎向變形條件下側(cè)向膨脹力的變化規(guī)律。將試樣置于三向脹縮儀中，在豎直方向施加1 kPa荷載，兩個(gè)水平方向分別放置一個(gè)量力環(huán)，膨脹土遇水后豎向產(chǎn)生膨脹時(shí)測(cè)定水平方向膨脹力。之后每次試驗(yàn)在豎直方向逐次施加25 kPa荷載，直至豎直方向不再產(chǎn)生膨脹，得到側(cè)向膨脹力與豎向變形的關(guān)系。

1.3.3 允許側(cè)向變形的側(cè)向膨脹力試驗(yàn)

制作一組試樣，初始含水率為10.6%，初始干密度為1.75 g/cm3，所加豎向荷載為豎向傳壓框的壓力20 kPa，探究在控制側(cè)向變形的條件下側(cè)向膨脹力的變化規(guī)律。將試樣置于三向脹縮儀中，兩水平方向分別放置一個(gè)量力環(huán)，但量力環(huán)與傳壓框不接觸。打開滴水閥門，當(dāng)水平方向產(chǎn)生0.2%線應(yīng)變時(shí)關(guān)閉滴水閥門，同時(shí)將量力環(huán)與傳壓框接觸。然后將百分表與量力環(huán)調(diào)零，再次打開滴水閥門測(cè)定釋放0.2%線應(yīng)變后的側(cè)向膨脹力。依次釋放0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.5%、2.0%、...線應(yīng)變，直至水平方向不再膨脹，得到允許側(cè)向變形時(shí)側(cè)向膨脹力的變化規(guī)律。

2 膨脹力試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 初始干密度對(duì)三向膨脹力的影響

初始含水率為15.40%時(shí)，不同初始干密度下三向膨脹力見表2、圖3。由表2、圖3可知：1) 相同干密度條件下，膨脹土的豎向膨脹力始終大于側(cè)向，且兩個(gè)水平方向的膨脹力相差不大。這是因?yàn)樨Q向受到的是重錘擊實(shí)壓力，而側(cè)向受到的是擠壓力，重錘擊實(shí)壓力遠(yuǎn)大于擠壓力，豎向顆粒擠密程度越大，膨脹潛勢(shì)越大。2) 側(cè)、豎向膨脹力之比隨干密度的增大而增大(見圖4)，變化規(guī)律與三向膨脹率相同，與池澤成等對(duì)合肥膨脹土的分析結(jié)論基本一致。

表2 不同初始干密度下三向膨脹力

圖3 三向膨脹力與初始干密度關(guān)系曲線

圖4 側(cè)、豎向膨脹力之比與初始干密度關(guān)系曲線

2.2 初始含水率對(duì)三向膨脹力的影響

初始干密度為1.70 g/cm3時(shí)，不同初始含水率下三向膨脹力見表3、圖5。由表3、圖5可知：初始含水率與三向膨脹力之間具有良好的線性關(guān)系，擬合公式見式(1)；相同含水率下，豎向膨脹力始終大于側(cè)向，與三向膨脹率的變化規(guī)律相同，且三向膨脹力隨著初始含水率的增大而減小。

表3 不同初始含水率下三向膨脹力

圖5 三向膨脹力與初始含水率關(guān)系曲線

pi=gW+h

(1)

式中：g、h為參數(shù)；W為初始含水率。

2.3 上覆荷載對(duì)側(cè)向膨脹力的影響

初始含水率為10.6%、初始干密度為1.75 g/cm3時(shí)，不同上覆荷載下側(cè)向膨脹力見表4、圖6。由表4、圖6可知：上覆荷載的存在使土體更多向側(cè)向釋放膨脹壓力，膨脹土邊坡的坡面或擋墻埋深越大，其側(cè)向膨脹力越大。

表4 不同上覆荷載下側(cè)向膨脹力

圖6 側(cè)向膨脹力與上覆荷載關(guān)系曲線

2.4 允許側(cè)向變形對(duì)側(cè)向膨脹力的影響

初始含水率為10.6%、初始干密度為1.75 g/cm3時(shí)，不同允許側(cè)向變形下側(cè)向膨脹力見表5、圖7。由表5、圖7可知：側(cè)向膨脹力與控制側(cè)向膨脹率之間呈現(xiàn)良好的指數(shù)關(guān)系，擬合公式見式(2)；膨脹土側(cè)向膨脹力隨著控制側(cè)向膨脹率的增大而減小，且減小趨勢(shì)明顯，最小膨脹力僅為原來的1/5，與文獻(xiàn)[12]中廣西百色膨脹土側(cè)向膨脹力隨上覆荷載的變化規(guī)律一致。在膨脹土地區(qū)修建隧道、涵洞、擋墻等結(jié)構(gòu)物時(shí)，可以在膨脹土與支擋結(jié)構(gòu)之間設(shè)置可壓縮的回填料作為緩沖層，允許膨脹土吸水后發(fā)生一定變形，從而降低側(cè)向膨脹力，對(duì)結(jié)構(gòu)物起到保護(hù)作用。

表5 不同允許側(cè)向變形下側(cè)向膨脹力

圖7 側(cè)向膨脹力與允許側(cè)向膨脹率關(guān)系曲線

p=cedδ

(2)

式中：c、d為參數(shù)；δ為膨脹率。

3 結(jié)論

(1) 相同初始含水率條件下，兩個(gè)水平方向的膨脹力基本一致，豎向膨脹力始終大于水平方向膨脹力。三向膨脹力隨初始干密度的增大而增大，且側(cè)、豎向膨脹力之比隨干密度的增大越趨近于1，說明擊實(shí)功越大，土體側(cè)、豎向差異越小。

(2) 相同初始含水率和初始干密度條件下，豎向膨脹力始終大于側(cè)向膨脹力，且兩個(gè)水平方向膨脹力基本相同。相同初始干密度下，三向膨脹力隨初始含水率的增大而減小，且呈良好的線性關(guān)系。

(3) 所受上覆荷載越大，側(cè)向膨脹力越大。膨脹土邊坡的坡面或擋墻埋深越大，其側(cè)向膨脹應(yīng)力越大，可在膨脹土與支擋結(jié)構(gòu)之間設(shè)置緩沖層。