屈 祥

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司長沙分公司， 湖南 長沙 410013]

0 引言

膨脹土在我國中南、華南、西南等地區(qū)廣泛分布，具有失水收縮、吸水膨脹的變形特性[1-3]，在工程上被歸類為特殊土。在這些地區(qū)修筑土工構(gòu)筑物如鐵路、公路等將不可避免地遇到地基或邊坡變形的問題。隨著對(duì)膨脹土深入研究，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到膨脹土的變形主要是由于內(nèi)部膨脹礦物如蒙脫石、伊利石等所引起[4-6]，當(dāng)膨脹礦物吸水時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的雙電層效應(yīng)[7]，礦物內(nèi)部陽離子被水分子代替，晶體間距增大，顆粒間連接減弱，從而導(dǎo)致試樣產(chǎn)生變形。雙電層效應(yīng)的產(chǎn)生需要一定時(shí)間，因此膨脹土吸水變形也不是一蹴而就的，而是隨時(shí)間增加而逐漸產(chǎn)生。膨脹土變形與時(shí)間的關(guān)系常被稱為膨脹時(shí)程曲線[8]，是研究膨脹土變形的重要工具之一。對(duì)于膨脹時(shí)程曲線，已經(jīng)有不少學(xué)者進(jìn)行過研究，提出了相應(yīng)的模型，在不同模型中，大多都采用了指定荷載的最終膨脹率[9-10]和膨脹速率[11-14]作為模型參數(shù)。因此，研究膨脹土的變形和變形速率是進(jìn)行模型預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。

湖南張桑(張家界至桑植)高速公路沿線邊坡分布大多為膨脹土,降雨后邊坡表層膨脹土產(chǎn)生吸水膨脹，土層之間的連接減弱，從而常出現(xiàn)淺層邊坡垮塌的工程事故。此外，由于膨脹土吸水變形，導(dǎo)致邊坡土層的孔隙比增大，進(jìn)而使其強(qiáng)度降低，少數(shù)邊坡還出現(xiàn)了大面積垮塌的現(xiàn)象。因此，對(duì)該高速公路區(qū)域膨脹土的膨脹變形特性進(jìn)行研究是非常有必要的。

針對(duì)這一問題，本文開展了不同初始含水率(w為8%～16%)下湘西膨脹土的無荷及有荷膨脹(σv為25～200 kPa)試驗(yàn)，討論了上覆荷載及含水率對(duì)湘西膨脹土膨脹變形和膨脹速率的影響，提出了湘西膨脹土最終膨脹變形的對(duì)數(shù)預(yù)測(cè)模型，并根據(jù)對(duì)數(shù)預(yù)測(cè)模型，推導(dǎo)了膨脹力的計(jì)算公式，并與含水率建立了關(guān)系，最終研究結(jié)果可為湘西地區(qū)膨脹土邊坡變形控制提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方案

以張桑高速公路邊坡膨脹土為試驗(yàn)土樣，材料表面呈現(xiàn)黃褐色，內(nèi)部部分呈現(xiàn)灰綠色，基本性質(zhì)如表1所示，試樣相對(duì)密度為2.65，自由膨脹率為43.6%，可歸類為弱膨脹性土。

表1 膨脹土試樣基本物理指標(biāo)%天然含水率液限塑限自由膨脹率蒙脫石含量20.754.828.143.66.3

此次試驗(yàn)的目的是為了掌握不同含水率和不同上覆應(yīng)力下湘西膨脹土的膨脹特性，以表征不同氣候環(huán)境和不同深度膨脹土的膨脹變形，并以此建立含水率和膨脹變形及膨脹力的關(guān)系。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)定，對(duì)應(yīng)表層土樣的孔隙比約為0.62，因此在孔隙比為0.6的條件下開展了不同含水率及不同上覆應(yīng)力的一維膨脹試驗(yàn)，以模擬邊坡的實(shí)際工作狀態(tài)。同時(shí)，開展了無荷膨脹試驗(yàn)以模擬邊坡表層受降雨作用的最大膨脹變形。

由于取樣時(shí)處于陰雨天氣，邊坡土體的天然含水率較高，接近飽和含水率(22.6%)，在該含水率下試樣的膨脹量很小。而當(dāng)氣候干燥時(shí)，邊坡土樣的含水率較低，為模擬不同氣候環(huán)境(含水率、飽和度)下膨脹土的膨脹特性，以《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)為參考標(biāo)準(zhǔn)，配制了含水率為8%、10%、12%、14%、16%的壓實(shí)膨脹土樣，對(duì)應(yīng)的飽和度為35%～70%。具體制備方法為：首先將取回材料中的大塊部分通過碎土機(jī)碾碎，隨后過1 mm篩，將所得的細(xì)粒置于烘箱中烘干72 d，隨后按照指定含水率配土，配制時(shí)增加0.5%的含水率。配土完成后裝袋密封靜置48 h，重新測(cè)定材料的含水率，若含水率與目標(biāo)含水率差值超過0.5%，則重新配土。將靜置后的土樣按照指定質(zhì)量進(jìn)行壓樣，壓樣采用靜壓法，速率為0.5 mm/min，試樣為環(huán)刀樣，高度為20 mm，直徑為61.8 mm。壓樣完成后將試樣用保鮮膜包裹，隨后裝袋靜置3 d，待內(nèi)部水分分布均勻后開始試驗(yàn)。取樣邊坡高度為20 m，對(duì)應(yīng)的地應(yīng)力為5～320 kPa，因此每個(gè)含水率均分別設(shè)置上覆壓力為1(代表無荷膨脹，進(jìn)行時(shí)，在托盤上放置重量為10 g的砝碼)、25、 50、 75、100、150、200 kPa，共進(jìn)行了35組試驗(yàn)，結(jié)果表明，在200 kPa上覆應(yīng)力下，所有試樣浸水后均產(chǎn)生壓縮變形，而非膨脹變形，因此未進(jìn)行更高上覆應(yīng)力的膨脹試驗(yàn)。試驗(yàn)在固結(jié)儀上進(jìn)行，利用百分表讀數(shù)，當(dāng)試樣變形低于0.01 mm/h時(shí)，認(rèn)為膨脹完成，停止試驗(yàn)。

2 湘西膨脹土膨脹變形及膨脹力特性

2.1 膨脹變形特性

圖1為不同含水率下湘西膨脹土的膨脹時(shí)程曲線，由圖1可以看出，對(duì)于相同含水率，以8%為例，無荷膨脹的試樣在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生非常大的膨脹變形，隨后迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；這說明無荷條件下水分與膨脹礦物的反應(yīng)非常迅速，最終達(dá)到的膨脹變形也大于有荷膨脹試樣。而有荷膨脹下試樣在初始階段的變形明顯低于無荷膨脹，達(dá)到穩(wěn)定變形所需的時(shí)間也明顯高于無荷膨脹；這說明上覆荷載限制了水分與膨脹礦物的反應(yīng)速率，同時(shí)還限制了膨脹礦物晶層間的相對(duì)移動(dòng)變形，因此上覆荷載能有效限制湘西膨脹土的膨脹變形。

從圖1還可以看出，對(duì)于同一含水率，隨上覆荷載增加，試樣膨脹變形逐漸減小，直到上覆荷載超過某一特征值，試樣不再發(fā)生膨脹，而是在加水后產(chǎn)生壓縮。這一特定的上覆荷載一般被稱為膨脹力[14]。在同一上覆荷載下，含水率越高的試樣，最終膨脹變形也越小。當(dāng)含水率為8%，試樣的無荷膨脹率約為14%；而當(dāng)含水率為16%，試樣的無荷膨脹率僅為6%。上覆荷載超過膨脹力時(shí)，含

圖1 湘西弱膨脹土膨脹時(shí)程曲線

水率越高的試樣對(duì)應(yīng)的壓縮變形也越大，這說明初始含水率越高，膨脹土中可交換的陽離子也越少，因而與水反應(yīng)的速率和程度也越低。對(duì)于含水率為8%的試樣，在上覆應(yīng)力為150 kPa左右才觀察到試樣產(chǎn)生壓縮；而對(duì)于含水率為16%的試樣，上覆應(yīng)力為50 kPa左右就觀察到了試樣的壓縮，說明含水率越高，試樣的膨脹力也越低。

圖2為不同含水率下湘西膨脹土的最終膨脹變形與上覆應(yīng)力關(guān)系，從圖2可以看出，不同含水率下湘西膨脹土的膨脹變形可由對(duì)數(shù)關(guān)系表述：

δ=A+Bln(σv)

(1)

式中：δ為試樣的最終膨脹率，A、B為模型參數(shù)。令σv=1，即得：

δ(σv=1)=A

(2)

式(2)中參數(shù)A代表不同含水率下試樣的無荷膨脹率，對(duì)式(1)求導(dǎo)，可得：

(3)

在式(3)中，令σv=1，可得：

(4)

式中:B代表不同含水率下試樣的最終膨脹變形隨上覆應(yīng)力增加而衰減的初始速率。

圖2 最終變形隨上覆應(yīng)力的關(guān)系

將A、B值與w的關(guān)系列于表2,可得：

表2 A、B值與w的關(guān)系w/%ABR2814.68-2.970.991012.1-2.650.99128.88-2.070.99147.97-1.990.99165.96-1.640.99

根據(jù)圖2與表2的參數(shù)結(jié)果，隨含水率增加，試樣對(duì)應(yīng)的A值逐漸減小，而B值逐漸增加，結(jié)合式(3)和式(4)可知，含水率越大，試樣膨脹變形越小，膨脹速率隨壓力增大而減小的初始速率越低，從而定量地印證了圖1的基本規(guī)律。根據(jù)結(jié)果，將參數(shù)A、B與含水率的關(guān)系分別繪制出圖3和圖4。

圖3 A與w的關(guān)系

圖4 B與w的關(guān)系

從圖3和圖4可以看出，A、B與含水率均呈線性關(guān)系，具體為：

A=22.98-1.078w

(5)

B=-4.256+0.166w

(6)

需要指出，在式(5)和式(6)中，含水率w是有限制范圍的，試樣孔隙比為0.6，其飽和含水率可通過式(7)計(jì)算

(7)

因此，式(1)～式(6)所預(yù)測(cè)的含水率范圍為0～22.6%，結(jié)合式(1)、式(5)和式(6)可得到孔隙比為0.6的湘西膨脹土的膨脹變形預(yù)測(cè)式為：

δ=(22.98-1.078w)+

(-4.256+0.166w)ln(σv)，

(0≤w≤22.6%)

(8)

式(8)預(yù)測(cè)的結(jié)果如圖5所示，從圖5可以看出，式(8)的預(yù)測(cè)結(jié)果較好，可以作為不同含水率下湘西膨脹土的膨脹變形預(yù)測(cè)式。

圖5 預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

2.2 膨脹力特性

參照文獻(xiàn)[3]，定義膨脹土加水不產(chǎn)生膨脹和壓縮變形對(duì)應(yīng)的上覆壓力為膨脹力，那么膨脹力的求取可以從最終變形的關(guān)系中求得，在式(1)中，令δ=0,則得到：

(9)

結(jié)合式(5)和式(6)，可以推導(dǎo)出膨脹力與含水率的關(guān)系：

(10)

式(10)說明，孔隙比為0.6的湘西膨脹土膨脹力與含水率的關(guān)系可用負(fù)指數(shù)的形式表示，隨含水率增大，試樣膨脹力呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)衰減的形式。式(10)對(duì)膨脹力的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，式(10)取得了較好的預(yù)測(cè)結(jié)果。結(jié)合式(1)、式(5)、式(6)和式(10)，可以知道對(duì)數(shù)模型參數(shù)物理含義明確，能夠同時(shí)表征湘西膨脹土膨脹變形和膨脹力隨含水率的變化規(guī)律，該模型可為湘西膨脹土膨脹變形預(yù)測(cè)及控制提供理論參考。

圖6 膨脹力與w的關(guān)系

從圖6還可以看出，湘西膨脹土膨脹力隨含水率增加呈指數(shù)衰減關(guān)系，即土樣越干燥，含水率越低，其膨脹變形和膨脹力就越大。需要指出的是，當(dāng)膨脹土處于干燥狀態(tài)時(shí)，其強(qiáng)度也遠(yuǎn)高于飽和狀態(tài)。以張桑高速公路K115～K117區(qū)段為例，該高速公路路塹邊坡在連續(xù)降雨天氣下發(fā)生了淺層滑坡。其原因一方面是降雨后邊坡土體含水率增加，導(dǎo)致強(qiáng)度降低；另一方面，是邊坡表層首先受到降雨作用，且表層所受的約束最小，因此產(chǎn)生的膨脹變形也較大。隨深度增加，邊坡土體受到的上覆應(yīng)力也相應(yīng)增大，與水分反應(yīng)所需時(shí)間也增長，產(chǎn)生的變形和變形速率也降低，從而在邊坡表層至底部產(chǎn)生的膨脹變形是不均勻的，這種不均勻變形同樣是導(dǎo)致膨脹土邊坡失穩(wěn)滑塌的重要因素之一。在加固膨脹土路塹邊坡時(shí)，較為重要的一點(diǎn)是做好邊坡尤其是坡頂?shù)呐潘胧?，防止雨水入滲，這樣既能提高邊坡土體的強(qiáng)度，又能限制其膨脹變形。如張桑高速公路K115～K117區(qū)段，滑坡后進(jìn)行了加固處理，在邊坡坡頂設(shè)置了截水溝，在坡面設(shè)置了急流槽，并在坡底設(shè)置了排水溝，效果較為顯著，截至目前并未觀測(cè)到滑坡現(xiàn)象再次發(fā)生。

3 結(jié)論

通過湘西膨脹土的一維有荷及無荷膨脹試驗(yàn)，分析了不同含水率下湘西膨脹土的膨脹變形及膨脹力特性，得到以下結(jié)論：

1)對(duì)于同一含水率，隨上覆荷載增加，試樣膨脹變形逐漸減小，直到上覆荷載超過某一特征值，試樣不再發(fā)生膨脹。在同一上覆荷載下，含水率越高的試樣，最終膨脹變形也越小。當(dāng)含水率為8%，試樣的無荷膨脹率約為14%；而當(dāng)含水率為16%，試樣的無荷膨脹率僅為6%。

2)上覆荷載超過膨脹力時(shí)，含水率越高的試樣對(duì)應(yīng)的壓縮變形也越大。對(duì)于含水率為8%的試樣，上覆應(yīng)力為150 kPa左右才觀察到試樣產(chǎn)生壓縮；而對(duì)于含水率為16%的試樣，上覆應(yīng)力為50kPa左右就觀察到了試樣的膨脹，說明含水率越高，試樣的膨脹力也越低。

3)不同含水率下湘西膨脹土的膨脹變形可由對(duì)數(shù)關(guān)系表述，對(duì)數(shù)模型參數(shù)A表示試樣的無荷膨脹率，B表示試樣膨脹率隨上覆應(yīng)力增加而衰減的速率，參數(shù)A、B與含水率w均呈現(xiàn)線性關(guān)系。

4)不同含水率下湘西膨脹土的膨脹力隨含水率呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)衰減的關(guān)系，且其衰減速率與參數(shù)A、B相關(guān)，預(yù)測(cè)結(jié)果表明對(duì)數(shù)模型能夠較好地表述湘西膨脹土的膨脹變形和膨脹力隨含水率的變化關(guān)系。