何艷平

(上海海洋地質(zhì)勘察設(shè)計有限公司 上海 200120)

1 引言

膨脹土是一種富含親水性礦物蒙脫石、伊利石的高塑性黏土。由于其具有多裂隙性、強脹縮性、超固結(jié)性和強度衰減等特性，常給工程建設(shè)帶來隱患[1-3]。近年來，隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的提出，我國在肯尼亞地區(qū)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也逐漸增多[4-7]。由于肯尼亞國內(nèi)分布著大面積的膨脹土區(qū)域，未來的新建鐵路、公路工程將面臨著膨脹土問題的挑戰(zhàn)[8]。

安愛軍[9]等通過核磁共振技術(shù)和掃描電子顯微鏡技術(shù)，研究了肯尼亞地區(qū)膨脹土微觀結(jié)構(gòu)特征；駱云建[10]、張雪東[11]則分別通過室內(nèi)膨脹特性試驗，研究了該地區(qū)膨脹土的膨脹潛勢特征和膨脹變形特性；唐皓[12]則重點對該地區(qū)膨脹土的化學(xué)處治措施進行了研究，并通過試驗驗證了化學(xué)處治技術(shù)的有效性。盡管部分學(xué)者對該地區(qū)膨脹土的特性進行了一些研究，但仍顯不足，無法有效指導(dǎo)設(shè)計和施工。

為此，本文以肯尼亞蒙巴薩地區(qū)的膨脹土為研究對象，通過室內(nèi)土工試驗，研究了膨脹土的膨脹變形特性和抗剪強度特性，并提出相應(yīng)的邊坡防護建議，為該地區(qū)膨脹土邊坡防護工程的設(shè)計和施工提供參考和借鑒。

2 區(qū)域自然條件

2.1 區(qū)域氣候環(huán)境

蒙巴薩地區(qū)位于肯尼亞東部，印度洋西岸。該地區(qū)的氣候以熱帶草原氣候為主，每年3～6月和10～12月為該地區(qū)的雨季，其它月份為旱季，年平均溫度在28℃ ～32℃，年平均降雨量在1 050 mm左右。近年來，該地區(qū)氣溫及降雨情況如圖1所示。

圖1 蒙巴薩地區(qū)氣溫和降雨情況

2.2 膨脹土特性

蒙巴薩地區(qū)為近海丘陵地貌，地形起伏較大。該地區(qū)的膨脹土主要為風(fēng)化性泥巖，顏色多為褐黃色、灰褐色，泥狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，土體表面裂隙較為發(fā)育，其裂隙發(fā)育特征見圖2。此外，室內(nèi)自由膨脹率試驗表明，該地區(qū)的膨脹土具有中等膨脹性。

圖2 蒙巴薩地區(qū)膨脹土表面風(fēng)化情況

3 膨脹土的主要工程性質(zhì)試驗及研究

3.1 膨脹土膨脹特性

室內(nèi)進行了重塑膨脹土在無荷載條件下的膨脹率試驗，試樣均采用靜壓成型法制備。在無荷膨脹率試驗中，試樣的初始干密度分別取為1.60 g/cm3、1.65 g/cm3、1.70 g/cm3和 1.75 g/cm3；同一初始干密度條件下，試樣的初始含水率分別取17%、19%、21%和23%。

(1)初始干密度對膨脹率的影響

圖3為不同初始干密度條件下，膨脹率的試驗結(jié)果。由圖3可知，在含水率相同的條件下，土體的膨脹率隨其自身干密度的增加而增大。這是因為當初始含水率相同時，土體本身的干密度越大，土體的吸水能力越強，膨脹穩(wěn)定時的變形量也越大，膨脹率也相應(yīng)越大。

圖3 膨脹率隨初始干密度變化關(guān)系曲線

采用線性函數(shù)(式1)對相同含水率條件下，膨脹率與干密度的關(guān)系進行擬合，擬合結(jié)果見表1。

式中，y1為膨脹土的膨脹率(%)；x1為干密度(g/cm3)；A、B為擬合參數(shù)。

由表1可知，相關(guān)系數(shù)R2多在0.90以上，擬合效果較好。由此可知，當干密度在1.60 g/cm3～1.75 g/cm3時，膨脹土的膨脹率與干密度呈線性增長關(guān)系。

表1 試樣膨脹率與初始干密度擬合結(jié)果

(2)初始含水率對膨脹率的影響

圖4為不同初始含水率條件下，膨脹土的膨脹率測試結(jié)果。由圖4可知，在干密度相同的條件下，當膨脹土的含水率在17% ～21%范圍內(nèi)時，膨脹率隨自身含水率的增加而降低；當含水率為23%時，膨脹土的膨脹率則與含水率為21%時的膨脹率差別不大，但仍有小幅度降低。這是因為當膨脹土的含水率在17%～21%時，土體的初始含水率越大，試驗前土體因吸水而消耗的膨脹潛勢越大，浸水膨脹后，表現(xiàn)出的膨脹變形量相應(yīng)越小，膨脹率也越小。由于土體的干密度相同，本身所具有的膨脹潛勢也相同，當初始含水率大于21%時，土體在試驗前因吸水而消耗的膨脹潛勢較大，剩余的膨脹潛勢已不能使得土體表現(xiàn)出明顯的變形差異，進而導(dǎo)致其膨脹率下降的幅度較小。

圖4 膨脹率隨初始含水率變化關(guān)系曲線

采用線性函數(shù)(式2)對相同干密度，且含水率為17%～21%條件下，膨脹率與含水率的關(guān)系進行擬合，擬合結(jié)果見圖5及表2。

式中，y2為膨脹土的膨脹率(%)；x2為含水率(%)；C、D為擬合參數(shù)。

圖5 膨脹率隨初始含水率擬合曲線(初始含水率范圍17%～21%)

由表2可知，相關(guān)系數(shù)R2均在0.85以上，擬合效果較好。由此可知，當含水率在17% ～21%時，膨脹土的膨脹率與含水率呈線性降低關(guān)系；當含水率在17%～23%時，膨脹土的膨脹率與含水率呈分段線性降低關(guān)系。

表2 初始含水率范圍為17%～21%的膨脹率與初始含水率擬合結(jié)果

3.2 膨脹土抗剪強度特性

室內(nèi)進行重塑膨脹土在不同條件下的抗剪強度試驗，試樣均采用靜壓成型法制備。為探究不同干密度對土體抗剪強度指標的影響，試樣的初始干密度分別取為 1.50 g/cm3、1.60 g/cm3、1.70 g/cm3、1.80 g/cm3，初始含水率均取為15%；為探究不同含水率對土體抗剪強度指標的影響，試樣的初始含水率分別取為10%、15%、20%、25%，初始干密度均取為1.60 g/cm3；為探究干濕循環(huán)效應(yīng)對土體抗剪強度指標的影響，控制試樣的初始含水率為21%，初始干密度為1.70 g/cm3，并分別進行0次、1次、2次、4次、6次和8次干濕循環(huán)后的剪切試驗，其干濕循環(huán)路徑見圖6。

圖6 干濕循環(huán)路徑

(1)初始干密度對抗剪強度指標的影響

圖7為初始含水率為15%時，不同初始干密度條件下土體抗剪強度指標的測試結(jié)果。由圖7可知，相同含水率條件下，膨脹土的黏聚力隨其自身干密度的增加而增大，內(nèi)摩擦角則無明顯變化。這是因為土體的干密度越大，土體顆粒間的水膜越薄，分子間作用力也越強，土體的黏聚力也相應(yīng)越大；而土顆粒間分子作用力對土體的內(nèi)摩擦角影響較小，因此土體的內(nèi)摩擦角未隨土體干密度的增大而表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

圖7 膨脹土抗剪強度指標與初始干密度關(guān)系曲線

采用指數(shù)函數(shù)(式3)對相同含水率、不同干密度條件下膨脹土的黏聚力與干密度關(guān)系進行擬合，擬合結(jié)果見表3。

式中，y3為土體黏聚力(kPa)；x3為土體干密度(g/cm3)；E、F為擬合參數(shù)。

由表3可知，相關(guān)系數(shù)R2在0.95左右，擬合效果較好。由此可見，當干密度在1.50 g/cm3～1.80 g/cm3時，土體的黏聚力隨其自身干密度的增加而呈指數(shù)關(guān)系增大。

表3 不同干密度條件下的擬合結(jié)果

(2)初始含水率對抗剪強度指標的影響

圖8為初始干密度為1.60 g/cm3時，不同初始含水率條件下土體抗剪強度指標的測試結(jié)果。由圖8可知，相同干密度條件下，土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨其自身含水率的增加而降低。這是因為土體較大的含水率使得土體顆粒間的水膜相應(yīng)增厚，潤滑作用增強，分子間的作用力減小，導(dǎo)致土體黏聚力和內(nèi)摩擦角相應(yīng)降低。

采用直線函數(shù)(式4和式5)分別對相同干密度、不同含水率條件下膨脹土的黏聚力、內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系進行擬合，擬合結(jié)果見表4。

式中，y4和y5分別為黏聚力(kPa)和內(nèi)摩擦角(°)；x4為含水率(%)；G、H、I、J均為擬合參數(shù)。

由表4可知，相關(guān)系數(shù)R2均在0.90以上，擬合效果較好。由此可見，當含水率在10% ～25%時，土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨其自身含水率的增加而呈線性關(guān)系降低。

表4 不同含水率條件下的擬合結(jié)果

(3)干濕循環(huán)效應(yīng)對抗剪強度指標的影響

圖9為土體的抗剪強度指標與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。由圖9可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體黏聚力先大幅降低后趨于穩(wěn)定；而干濕循環(huán)效應(yīng)對土體的內(nèi)摩擦角無顯著影響。上述現(xiàn)象與干濕循環(huán)過程中土體裂隙的出現(xiàn)和發(fā)展密切相關(guān)。由于膨脹土本身的透水性較差，在脫水干燥過程中，失水極不均勻，使得其體積收縮也極不均勻；土體不均勻的收縮變形使得土體表面出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，當土體表面的應(yīng)力超過土體的抗拉強度時，表面裂隙出現(xiàn)并持續(xù)發(fā)展；當土體再次吸水后，已出現(xiàn)的裂隙會因土體的吸水膨脹而愈合，但會隨著土體的失水收縮而再次開裂。裂隙的出現(xiàn)和發(fā)展對土體的結(jié)構(gòu)造成破壞，最終影響其強度，造成其黏聚力的大幅衰減。隨著土體干濕過程的反復(fù)進行，土體的裂隙逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)，黏聚力也逐漸趨于穩(wěn)定，并維持在一定水平。

圖9 膨脹土抗剪強度指標與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

4 針對該地區(qū)膨脹土邊坡防護工程的建議

通過以上分析可知，蒙巴薩地區(qū)膨脹土本身的含水率及干密度對其吸水后的膨脹性和抗剪強度指標影響顯著，且干濕循環(huán)效應(yīng)會使得其黏聚力出現(xiàn)大幅度的下降，導(dǎo)致其抗剪強度降低。蒙巴薩地區(qū)為熱帶草原氣候，雨季和旱季分明，雨季雨水的入滲和旱季水分的蒸發(fā)不僅使得土體內(nèi)部土水狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致土體體積發(fā)生脹縮變形，造成防護結(jié)構(gòu)的開裂、破壞；同時降雨和蒸發(fā)作用還類似于室內(nèi)干濕循環(huán)效應(yīng)，反復(fù)降雨和蒸發(fā)作用使得土體裂隙發(fā)展，抗剪強度降低，極大地增加了邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險。因此，對于邊坡工程而言，通過防護措施防止雨水的入滲，保持邊坡內(nèi)部土水狀態(tài)的穩(wěn)定就顯得尤為重要。為此，結(jié)合該地區(qū)的膨脹土邊坡防護工程案例與膨脹土的特性，提出以下4點建議:

(1)當邊坡高度≤3 m時，邊坡宜設(shè)置合理的坡率并植草防護，且選擇的植被應(yīng)能適應(yīng)當?shù)赜昙緷駸岫嘤辍⒑导狙谉岣稍锏臍夂蛱卣鳌?/p>

(2)當邊坡高度為3～10 m時，邊坡宜設(shè)置合理的坡率并采用片石骨架、混凝土骨架以及錨桿框架格梁與植草防護相結(jié)合的防護方式，且坡腳處應(yīng)設(shè)置高度不小于2 m的漿砌片石擋墻。

(3)當邊坡的高度＞10 m時，邊坡應(yīng)進行多級放坡(坡高不宜大于6 m)，并采用樁板墻或鋼筋混凝土擋墻與錨桿框架格梁的組合防護方式。擋墻的高度不宜小于5 m。此外，邊坡坡面宜采用混凝土進行隔水處理。

(4)邊坡防護工程的設(shè)計過程，要充分考慮地下水、地表水對邊坡土體以及防護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。同時要加強邊坡排水系統(tǒng)的設(shè)置，盡量使其能夠與路基排水系統(tǒng)構(gòu)成一體，從而保證邊坡排水的順暢。此外，還應(yīng)避免在雨季進行邊坡防護工程的施工。

5 結(jié)論

(1)膨脹土本身的干密度和含水率對膨脹變形特征影響顯著。當干密度在1.60 g/cm3～1.75 g/cm3時，土體的膨脹率與干密度呈線性增大關(guān)系；當含水率在17% ～23%時，土體的膨脹率與含水率呈分段線性減小關(guān)系。

(2)膨脹土本身的干密度、含水率對其抗剪強度指標影響顯著。當干密度在1.50 g/cm3～1.80 g/cm3時，土體的黏聚力與干密度呈指數(shù)增大關(guān)系；當含水率在10% ～25%時，土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角均與含水率呈線性減小關(guān)系。

(3)干濕循環(huán)效應(yīng)加劇了膨脹土裂隙的出現(xiàn)和發(fā)展，進而導(dǎo)致其抗剪強度降低。其中黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加先大幅降低后趨于穩(wěn)定，而內(nèi)摩擦角無顯著變化。

(4)針對蒙巴薩地區(qū)的邊坡防護工程，有必要通過防護措施防止雨水入滲，進而保持邊坡內(nèi)部土水狀態(tài)的穩(wěn)定。