【摘 要】依托西南地區(qū)某一膨脹土基坑邊坡工程，采用單土樣持續(xù)/斷續(xù)吸水條件下膨脹土含水率-膨脹參數(shù)全過程曲線試驗模擬不同降雨工況下的膨脹力測試。連續(xù)/斷續(xù)吸水試驗表明：土體膨脹力隨其含水率的增加先增后減，而后逐漸趨于穩(wěn)定。通過膨脹力以及膨脹率試驗結果分析，擬合提出了膨脹力的簡明計算公式：P=αw。

【關鍵詞】弱膨脹性； 黏土； 膨脹力； 試驗研究

【中圖分類號】TU411.2【文獻標志碼】A

0 引言

弱膨脹性黏土基坑失穩(wěn)大多發(fā)生在降雨條件下，雨水入滲深度隨時發(fā)生變化，水穩(wěn)定性差，遇水后迅速崩解軟化、變形、強度衰減，容易造成邊坡失穩(wěn)破壞。對此，學者針對膨脹性黏土遇水后的強度弱化情況展開了研究。申春妮等［1］、劉小文等［2］、孟慶云等［3］分別通過試驗對膨脹性土體的抗剪強度及其受限因素進行了測試。文獻［4-6］認為，膨脹性土體的粘聚力與其含水率關系未成直接線性或非線性關系，兩者關系變化復雜，但是與干密度關系則直接相關，近似正比關系。進一步的，衛(wèi)志強將膨脹土風化裂隙的因素考慮進入強度的評價體系中［7］，提出了相應的折減計算公式。然而，工程實踐當中，由于膨脹土內部存在的膨脹潛勢，使得膨脹內部隨著含水量的增加而產(chǎn)生膨脹應力，這種應力是膨脹土自身產(chǎn)生的，作用于土顆粒之上，對膨脹土的強度產(chǎn)生何種影響，上述研究中都沒有涉及。

本文依托西南地區(qū)某一膨脹土基坑邊坡工程，采用單土樣持續(xù)/斷續(xù)吸水條件下膨脹土含水率-膨脹參數(shù)全過程曲線試驗裝置，實驗室模擬不同降雨工況下的膨脹力測試，以期得到單一土樣一系列過程含水率下對應的膨脹力，為實際工程中膨脹力的確定提供理論依據(jù)。

1 依托工程概況

研究場地位于成都東郊，場地地層從上到下分別為填土、粉質黏土，地層年代均為第四系。其中，粉質黏土為弱膨脹性土。試驗場地巖土組成簡單巖土體物理力學參數(shù)見表1。

2 吸水過程膨脹力試驗方案

近年來，不少學者針對不同含水率條件下的膨脹力進行了大量的試驗研究，比如，丁振洲［8］提出了自然膨脹力概念。本次采用單土樣持續(xù)/階段吸水條件下膨脹土含水率-膨脹參數(shù)全過程曲線試驗裝置，模擬不同降雨工況下的膨脹力測試。

2.1 連續(xù)吸水過程膨脹力試驗

測力元件為荷重傳感器，通過水箱向試樣供水，量測水箱中的水量變化得到土樣的吸水量，在試驗過程中用攝像頭記錄試樣膨脹力和吸水量的變化情況。試驗裝置見圖2。

試驗步驟：

（1）標定容器中水的重量，容器空腔及管道內水的重量分別為m1、m2。

（2）填埋壓實土體48 h，卸壓后將測重儀置零。

（3）開始試驗，邊加水變測重M，并實時記錄。

（4）加水停止后，靜置4～6 h，開閥排氣并記錄排水量m3，當膨脹力的變化量小于0.1 kPa時，停止試驗，拆除裝置，取出土樣測量含水率。

（5）土樣的吸水量Δm4依照式（1）計算：

Δm4=M-m3-m1-m2（1）

2.2 斷續(xù)吸水過程膨脹力試驗

試驗裝置為土樣表面為有孔鋼板，在鋼板表面滴水利用毛細作用和重力使其滲入土樣內部，在試驗過程中對試驗裝置進行密封，盡量避免水分的蒸發(fā)；每次給試樣加3 g水，記錄膨脹力變化。試驗裝置原理如圖3所示。

試驗步驟：

（1）填埋壓實土體48 h，卸壓后將測重儀置零。

（2）在有孔板表面滴入3 g水，旋緊密封蓋，整體用塑料膜包裹密封，記錄膨脹力變化情況。

（3）每2 h膨脹力變化量小于0.1 kPa時，去除塑料膜，打開密封蓋，繼續(xù)加3 g水，密封。直到土樣完全達到充分吸水狀態(tài)，拆除試驗裝置，取出土樣稱量含水率。

（4）根據(jù)式（2）計算出加水量和土樣的初始狀態(tài)換算出土樣每次加水之后的土樣的含水率：

ω=Δm（1+ω0）md×100+ω0 （2）

式中：ω為含水率；△m為總加水量；md為土樣質量；ω0為初始含水率。

3 吸水過程膨脹力變化規(guī)律

采用第2節(jié)吸水過程膨脹力試驗測試不同土體初始含水率膨脹性黏土（試驗含水率變化范圍為5%～25%）在連續(xù)/斷續(xù)吸水過程膨脹力變化規(guī)律，土樣取自第1節(jié)所述工程。

3.1 連續(xù)吸水過程膨脹力變化規(guī)律

3.1.1 膨脹力隨時間的變化關系

圖4為膨脹土試驗不同狀態(tài)含水率w-膨脹力P曲線。

從圖4中可見，初始吸水時，土體膨脹力瞬間變大，這一現(xiàn)象在土體初始含水率越低的工況下，增大的情況越明顯。但無論土體初始含水率含量多少，土體整個吸水膨脹過程都是先增后減，然后區(qū)域穩(wěn)定變化。

3.1.2 膨脹力隨吸水量的變化關系

圖5是膨脹力隨吸水量的變化曲線。

建筑設備與建筑材料李雪梅： 弱膨脹性黏土膨脹力取值試驗研究

圖5可見，初始吸水時，土體膨脹力變化相對較小，但隨著吸水量增大，土體膨脹力在某一含水率時會瞬間增大。這一瞬間增大點與土體初始含水率成反比。對于成都地區(qū)的典型膨脹土體來說，值得說明的是，其在吸水膨脹過程中，尤其是含水率在15%左右時，膨脹力增加是波動增大大。

3.2 斷續(xù)吸水過程膨脹力變化規(guī)律

3.2.1 膨脹力隨時間的變化關系

圖6是斷續(xù)吸水試驗中膨脹力隨時間的變化曲線。

圖6可見，土體的含水率越低，其遇水后膨脹力的瞬間釋放力越大，達到峰值的時間越短，取樣穩(wěn)定的時間越短，即含水率含膨脹力成正比，與瞬間釋放強度成反比。

3.2.2 膨脹力與階段含水率關系

在試驗過程中的每次加水之后的穩(wěn)定狀態(tài)的膨脹力結果如圖7所示。

圖7可見，低含水率時（w=15%），隨著含水率的增加膨脹力先增加，達到峰值后開始減小，對于高含水率的土樣，膨脹力隨著吸水量的增加而增大，不發(fā)生衰減。

4 膨脹力取值方法討論

上節(jié)討論了連續(xù)/斷續(xù)吸水過程膨脹力的變化規(guī)律，常規(guī)膨脹力試驗探討成都膨脹土初始含水率為7.36%、11.28%、12.93%、13.57%、15.87%、16.15%、19.30%、19.47%、21.98%、22.40%、24.59%、25.50%、28.00%、28.85%、30.77%，結果顯示膨脹力與含水率兩種關系為：p=81.45e-0.1w。

對比分析上述四種試驗數(shù)據(jù)（圖8），可得：膨脹力增量與含水率增量的成正比，兩者關系可表述為P=αw（α為曲線斜率）并且可由斷續(xù)吸水膨脹力試驗曲線來確定相關參數(shù)，計算公式見式（3）。

P=6.4αw（3）

5 結論

弱膨脹性黏土基坑失穩(wěn)大多發(fā)生在降雨條件下，其遇水后迅速崩解軟化、變形、強度衰減，易造成邊坡失穩(wěn)破壞。本文依托西南地區(qū)某一膨脹土基坑邊坡工程，采用單土樣持續(xù)/斷續(xù)吸水條件下膨脹土含水率-膨脹參數(shù)全過程曲線試驗模擬不同降雨工況下的膨脹力測試。研究結果表明：

（1）連續(xù)吸水試驗表明：初始吸水時，土體膨脹力瞬間變大，這一現(xiàn)象在土體初始含水率越低的工況下，增大的情況越

明顯。但無論土體初始含水率含量多少，土體整個吸水膨脹過程都是先增后減，然后區(qū)域穩(wěn)定變化。

（2）斷續(xù)系數(shù)試驗表明：土體的含水率越低，其遇水后膨脹力的瞬間釋放力越大，達到峰值的時間越短，取樣穩(wěn)定的時間越短，即含水率含膨脹力成正比，與瞬間釋放強度成反比。

（3）通過膨脹力以及膨脹率試驗結果分析，擬合提出了膨脹力的簡明計算公式：P=αw。

參考文獻

［1］ 申春妮， 方祥位， 王和文，等. 吸力、含水率和干密度對重塑非飽和土抗剪強度影響研究［J］. 巖土力學， 2009（5）： 1347-1351.

［2］ 劉小文， 陳小燕. 重塑紅土強度的三軸試驗研究［J］. 南昌大學學報（工科版）， 2012， 34（3）： 239-242.

［3］ 孟慶云， 楊果林. 重塑膨脹土直剪試驗中的應力-應變曲線特性［J］. 公路工程， 2007（3）：11-15.

［4］ 康景文，郭永春，顏光輝，等.膨脹土場地基坑支護設計方法研究［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社.2019.

［5］ 楊和平， 廖亞林， 張智斌，等. 膨脹作用力與允許變形量之關系的試驗研究［J］. 長沙理工大學學報（自然科學版）， 2010， 7（4）：1-6.

［6］ 程展林，龔壁衛(wèi).膨脹土邊坡［M］. 北京：科學出版社.2015.

［7］ 衛(wèi)志強. 成都膨脹土基坑支護設計參數(shù)選取研究［D］. 成都：西南交通大學， 2017.

［8］ 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. 2007（7）：1328-1332.

［作者簡介］李雪梅（1989—），女，碩士，講師，主要從事水力學、水工建筑物等教學及科研工作。