湖相沉積型擾動(dòng)膨脹土的力學(xué)特性研究

摘 要:通過(guò)對(duì)不同含水率的湖相沉積型擾動(dòng)膨脹土的膨脹特性和強(qiáng)度特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，采用回歸分析建立了湖相沉積型擾動(dòng)膨脹土的含水率與膨脹力、膨脹率和抗剪強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)間的相互關(guān)系，對(duì)湖相沉積型膨脹土的力學(xué)特性研究及工程問(wèn)題處理提供一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞:膨脹土力學(xué)特性回歸分析

中圖分類(lèi)號(hào):TU443文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)07(b)-0009-03

膨脹土是一種主要由強(qiáng)親水性黏土礦物成分（蒙脫石和伊利石）組成的，具有膨脹結(jié)構(gòu)以及多裂隙性、強(qiáng)脹縮性和強(qiáng)度衰減性的高塑性粘性土[1]。其化學(xué)成分含量主要為SiO2、AL2O3、Fe2O3等氧化物，總含量為81%～86%。由于膨脹土具有的脹縮特性，對(duì)工程建設(shè)的危害常有多發(fā)性、反復(fù)性與長(zhǎng)期性的特點(diǎn)，工程防治困難。

膨脹土的成因可概括為三種成因類(lèi)型:殘積（風(fēng)化）型膨脹土、沉積型膨脹土和熱液蝕變型膨脹土，極個(gè)別地區(qū)尚有冰水成因等。膨脹土在全世界各國(guó)的分布范圍很廣，尤其中國(guó)更甚，云南省處于特殊的立體氣象特征及地質(zhì)構(gòu)造背景下所形成的膨脹土，其成因類(lèi)型幾乎包括了除冰水成因之外的所有成因類(lèi)型，本文針對(duì)湖相沉積型擾動(dòng)膨脹土的力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，對(duì)湖相沉積型膨脹土的力學(xué)特性研究及工程問(wèn)題處理提供一定的參考價(jià)值。

1 土樣采集、制備及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

云南曲靖壩區(qū)屬典型的斷陷盆地，地表多出露上新統(tǒng)茨營(yíng)組（N2C）地層，巖性為灰白、紅褐、灰綠色等色粘土，具有較強(qiáng)的膨脹性，屬典型的湖相沉積型膨脹土。研究中采集土樣2組，1#土樣粘粒含量47.6%，干密度1.29×103kg/m3，天然含水率32%，取自云南省曲靖市曲靖煙場(chǎng)附近，顏色灰白，產(chǎn)狀大體水平，多裂隙，半成巖狀態(tài);2#土樣粘粒含量39.4%，干密度1.33×103kg/m3，天然含水率19%，取自云南省曲靖市鳳凰水榭，顏色紅褐、灰綠色，多裂隙，埋深地下3～5m。

采用密度計(jì)法[2]對(duì)2組土樣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，其顆粒級(jí)配曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。2組土樣的顆粒較細(xì)，均無(wú)大于0.075mm的粗粒存在;粘粒含量較高，吸附水能力較強(qiáng)，顆粒負(fù)電場(chǎng)對(duì)極性水分子和水中陽(yáng)離子的吸附能力強(qiáng)，在天然狀態(tài)下，土樣含水率相對(duì)較高。

利用風(fēng)干土樣，按要求的干密度、試樣體積，采用擊樣法可制備不同含水率的試驗(yàn)用土樣，制樣所需的風(fēng)干土質(zhì)量按式1-1計(jì)算;制備不同含水率的土樣，按式1-2計(jì)算應(yīng)增加的水量。

（1-1）

（1-2）

式中:—風(fēng)干土樣質(zhì)量（g）;—制備不同含水率的土樣所需加的水質(zhì)量（g）;—風(fēng)干土樣的含水率（%）;—不同土樣的要求含水率（%）;—土樣制備的控制干密度（g/cm3）;—制備土樣的體積（cm3）

對(duì)1#、2#擾動(dòng)膨脹土分別制備不同含水率、相同干密度的試樣，分別進(jìn)行膨脹力試驗(yàn)、自由膨脹率試驗(yàn)、有荷膨脹率試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)等。

2 不同含水率與膨脹力的關(guān)系研究

膨脹力的測(cè)定:將制備好的6個(gè)土樣（1#、2#擾動(dòng)膨脹土分別3個(gè)，含水率2%～5%遞增）分別放入固結(jié)儀，采用加荷平衡法進(jìn)行膨脹力的測(cè)定。試驗(yàn)中采于同一地區(qū)兩個(gè)工程地點(diǎn)的土樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析，其膨脹力隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖2，膨脹力和不同含水率的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

從圖2知，擾動(dòng)膨脹土在吸水飽和的過(guò)程中，膨脹過(guò)程存在1～2個(gè)臺(tái)階，隨著吸水過(guò)程的增長(zhǎng)，膨脹力逐漸增大，但隨著土樣逐漸趨于飽和，膨脹力也逐漸趨于穩(wěn)定。從圖3知，土樣初始含水率越低，膨脹力越大，隨著土樣初始含水率的逐漸增大，膨脹力逐漸減小，當(dāng)含水率達(dá)一定程度時(shí)，膨脹力趨于穩(wěn)定。

為分析膨脹力與初始含水率兩者之間的量化關(guān)系，對(duì)含水率和膨脹力兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行回歸分析[3]，對(duì)比指數(shù)函數(shù)關(guān)系、對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系、線(xiàn)性關(guān)系、冪函數(shù)關(guān)系等，試驗(yàn)中的2種土樣，其初始含水率和膨脹力關(guān)系的分布最接近指數(shù)分布規(guī)律，1#、2#土樣的相關(guān)關(guān)系式分別見(jiàn)式2-1，式2-2。

（相關(guān)系數(shù)=0.9863） （2-1）

（相關(guān)系數(shù)=0.9918）（2-2）

3 不同含水率情況下的膨脹率

3.1 無(wú)荷條件下的膨脹試驗(yàn)

無(wú)荷膨脹率的測(cè)定:將制備好的6個(gè)土樣（1#、2#擾動(dòng)膨脹土分別3個(gè)，含水率2%～5%遞增）分別放入固結(jié)儀，使土樣在有側(cè)限、無(wú)預(yù)定荷載的條件下，測(cè)定無(wú)荷膨脹率的大小，無(wú)荷膨脹率按式3-1計(jì)算。1#、2#土樣無(wú)荷膨脹量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖4，無(wú)荷膨脹率與含水率關(guān)系見(jiàn)圖5。

（3-1）

式中:—膨脹土的無(wú)荷載膨脹率（%）;—膨脹穩(wěn)定時(shí)的百分表讀數(shù)（mm）;—百分表初始讀數(shù)（mm）;—試樣初始高度（mm）。

從圖4中可以看出:在含水率較低時(shí)，膨脹量隨著時(shí)間的增加而增加;隨含水率的增大，其膨脹量越小，甚至出現(xiàn)體縮現(xiàn)象（1#土含水率32%及37%時(shí)），這一方面與土樣中的礦物成分有關(guān)，另一方面與土體的含水率有關(guān)。此外，發(fā)生膨脹變形的主要變形量產(chǎn)生在0～600min以?xún)?nèi)，即試驗(yàn)開(kāi)始后的10個(gè)小時(shí)，10個(gè)小時(shí)之后趨于穩(wěn)定。

對(duì)1#土樣和2#土樣中初始含水率和無(wú)荷膨脹率之間進(jìn)行回歸分析，最佳擬合方程分別符合冪函數(shù)的形式和指數(shù)函數(shù)的形式，其相應(yīng)的關(guān)系分別見(jiàn)式3-2、式3-3。

（相關(guān)系數(shù)=0.9814） （3-2）

（相關(guān)系數(shù)=0.9997） （3-3）

3.2 有荷條件下的膨脹試驗(yàn)

有荷膨脹率的測(cè)定:將制備好的6個(gè)土樣（1#、2#擾動(dòng)膨脹土分別3個(gè)，含水率2%～5%遞增）分別放入固結(jié)儀，使土樣在有側(cè)限、有預(yù)定荷載（分別為50kpa、100kpa、200kpa、400kpa）的條件下，測(cè)定有荷膨脹率的大小，有荷膨脹率按式3-2計(jì)算。1#、2#土樣不同級(jí)別荷載下的膨脹變形與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖6，有荷膨脹率與含水率關(guān)系見(jiàn)圖7。

（3-2）

式中:—膨脹土的有荷載膨脹率（%）;—加荷后百分表穩(wěn)定讀數(shù)（mm）;—預(yù)定荷載下儀器的壓縮變形（mm）;、、符號(hào)意義見(jiàn)式3-1。

從圖6中可以看出:在含水率較低、荷載較小時(shí)，膨脹量隨著時(shí)間的增加而增加，含水率越大，所產(chǎn)生的膨脹量越小，甚至出現(xiàn)體縮現(xiàn)象（1#土含水率37%時(shí)），發(fā)生膨脹變形的主要變形量產(chǎn)生在加荷以后0-10min以?xún)?nèi)，隨后的變化幅度逐漸減小。說(shuō)明受上部荷載的影響，膨脹量的變化時(shí)間較無(wú)荷膨脹量的時(shí)間大幅度的縮短，且上部荷載越大，土體的變形量越小，含水率較高的土樣在膨脹變形過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)體縮現(xiàn)象。

圖7是不同壓力荷載條件下的含水率和膨脹量之間的關(guān)系曲線(xiàn)，有荷膨脹條件下，膨脹率—含水率關(guān)系曲線(xiàn)存在一個(gè)峰值點(diǎn)，若將該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的膨脹率稱(chēng)為“最大膨脹率”，其對(duì)應(yīng)的含水率稱(chēng)為“最脹含水率”;隨著預(yù)壓荷載的增大，最大膨脹率逐漸增大，最脹含水率逐漸減小，但這種增大（或減?。┑内厔?shì)逐漸減小。

3.3 不同含水率的膨脹土強(qiáng)度特性研究

抗剪強(qiáng)度參數(shù)的測(cè)定:將制備好的1#、2#擾動(dòng)膨脹土土樣分別放入應(yīng)變控制式三軸儀，采用不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)方法，測(cè)定土樣的總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（粘聚力和內(nèi)摩擦角）。1#、2#擾動(dòng)膨脹土不同含水率與粘聚力（C）和內(nèi)摩擦角（）的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖8。

由圖8可知，含水率與粘聚力的關(guān)系并非線(xiàn)性關(guān)系。擾動(dòng)膨脹土的內(nèi)聚力、內(nèi)摩察角均隨含水率升高而減低，但內(nèi)聚力降得更快，它們近似呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系或?qū)?shù)關(guān)系。通過(guò)回歸分析，1#土樣、2#土樣的含水率（）與粘聚力（）關(guān)系分別見(jiàn)式3-3、式3-4;1#土樣、2#土樣的含水率（）與內(nèi)摩擦角（）關(guān)系分別見(jiàn)式3-5、式3-6。

（相關(guān)系數(shù)=0.9991）（3-3）

（相關(guān)系數(shù)=0.9841）（3-3）

（相關(guān)系數(shù)=0.9253） （3-3）

（相關(guān)系數(shù)=0.9939）（3-3）

4 結(jié)語(yǔ)

膨脹土是一種分布較廣的區(qū)域性特殊土，其成因類(lèi)型多樣，通過(guò)對(duì)湖相沉積型膨脹土的膨脹特性及強(qiáng)度特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，可得出如下幾點(diǎn)結(jié)論:1）湖相沉積型擾動(dòng)膨脹土在吸水飽和的過(guò)程中，隨著吸水過(guò)程的增長(zhǎng)，膨脹力逐漸增大，但隨著土樣逐漸趨于飽和，膨脹力也逐漸趨于穩(wěn)定，二者間較明顯的指數(shù)分布規(guī)律。2）在有側(cè)限、無(wú)預(yù)定荷載條件下，含水率較低時(shí)，膨脹量隨著時(shí)間的增加而增加，隨含水率的增大，其膨脹量越小，甚至出現(xiàn)體縮現(xiàn)象，含水率和無(wú)荷膨脹率之間符合冪函數(shù)或指數(shù)函數(shù)關(guān)系。3）在有側(cè)限、有預(yù)定荷載條件下，含水率較低、荷載較小時(shí)，膨脹量隨著時(shí)間的增加而增加，含水率越大，所產(chǎn)生的膨脹量越小，甚至出現(xiàn)體縮現(xiàn)象。有荷膨脹率—含水率關(guān)系曲線(xiàn)存在一個(gè)峰值點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的膨脹率可稱(chēng)為“最大膨脹率”，其對(duì)應(yīng)的含水率可稱(chēng)為“最脹含水率”;隨著預(yù)壓荷載的增大，最大膨脹率逐漸增大，最脹含水率逐漸減小，但這種增大（或減小）的趨勢(shì)逐漸減小。4）湖相沉積型擾動(dòng)膨脹土的含水率與粘聚力的關(guān)系并非線(xiàn)性關(guān)系，其內(nèi)聚力、內(nèi)摩察角均隨含水率升高而減低，它們近似呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系或?qū)?shù)關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

[1]劉國(guó)楠.膨脹土研究綜述[J].地基處理，1993，4(3):30～35.

[3]王黎明.應(yīng)用回歸分析[M].山東:中國(guó)海洋大學(xué)出版社，2005.