基于強膨脹土的無荷膨脹率試驗研究

李 挺

上海地礦工程勘察有限公司，上海 200072

1 概述

膨脹土是在地質作用下形成的多裂隙并具有顯著膨脹性的特殊土體，主要由強親水性的蒙脫石和伊利石等粘土礦物組成，是一種具有顯著脹縮性和強度衰減性的粘土；由于膨脹土具有吸水膨脹、失水收縮的反復變形的特征以及由原生和次生作用形成的土體中雜亂無章的裂隙，國際工程界稱之為“隱藏的災害”或“難以對付的土”。據美國在20世紀70～80年代的統計，由于膨脹土的破壞性給工程帶來的損失超過風災、地震等自然災害損失的總和[1-3]。膨脹土有“三性”，即脹縮性、裂隙性和超固結性[4]。脹縮性是指由于膨脹土的粘土礦物成分、膠結物質成分和結構特征而造成的遇水膨脹、失水收縮的特性，是膨脹土工程病害的主要根源。

對膨脹土脹縮特性的研究，離不開膨脹率和膨脹力，而無荷載膨脹率是在完全限制側向變形、無垂直荷載作用條件下，膨脹土試樣吸水膨脹穩定后，豎直方向膨脹量與試樣初始高度之比，可以很好地反映土體浸水飽和過程中整體膨脹潛勢，以及干密度與初始含水量對膨脹率的影響。

本文通過自制樣的無荷膨脹率試驗研究了含水率和干密度對強膨脹土的線膨脹變形特性的影響。

2 試驗土樣及方法

2.1 土樣物理化學特性

圖1 土樣擊實曲線

本試驗采用從現場取回的強膨脹土，天然含水率ω=25.3%，干密度ρd=1.61g/cm3,土樣的基本物理性質如表1所示。由表1可以看出，自由膨脹率為126，屬于強膨脹土；塑性指數為48.4，且粘粒含量特別高。土樣的主要礦物成分及水理特性如表2所示。由表2看出，蒙脫石和伊利石的含量為50%，pH值為7.68，呈弱堿性。土樣擊實曲線如圖1所示，最優含水率為20.3%，最大干密度為1.679g/cm3。

表1 土樣基本物理特性

表2 土樣礦化特性

2.2 試樣制備

試驗土樣按照《土工試驗規程》（SL237-1999）[5]規定的方法制備，制備步驟如下：1）將土樣風干，人工碾碎后過2mm土篩，并測定其風干含水量；2）按照試驗要求配制初始含水率分別為14%、18%、22%、的土樣；3）根據試驗要求的含水率，制備干密度分別為1.55g/cm3、1.60g/cm3、1.65g/cm3環刀樣，環刀直徑為61.8mm、高為2cm。

2.3 試驗儀器

本試驗采用普通膨脹儀測定強膨脹土的無荷膨脹率，膨脹儀如圖2所示。

圖2 膨脹儀示意圖

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

按照《土工試驗規程》（SL237-1999）[5]規定的試驗步驟進行試驗，試驗結果如圖3所示。

由圖3 可知，強膨脹土無荷膨脹率與時間關系曲線可以分為三個階段：

圖3 無荷膨脹率與時間關系曲線

1）等速膨脹變形階段，此階段膨脹變形速率很大，持續時間較短，且不同干密度試樣膨脹變形速率與持續時間不同，由圖可知，干密度較小，膨脹變形速率最大，且持續時間最短；等速膨脹變形階段膨脹變形量很大，可達到最終膨脹量的80%以上，是工程中膨脹變形的主要階段，該階段的膨脹變形足以導致其上建筑物的破壞；

2）減速膨脹變形階段，此階段試樣仍產生較大吸濕膨脹變形，但膨脹變形速率不斷減小，該階段膨脹量通常占最終膨脹量的5%～10%；

3）穩定膨脹變形階段，此階段膨脹變形與時間關系曲線幾乎水平，膨脹變形速率可以忽略不計，但膨脹變形量也會隨之間緩慢增長。等速膨脹變形階段，試樣處于吸濕初期，膨脹變形速率和初始吸濕持續時間取決于試樣干密度與初始含水量大小：初始含水量越低，干密度越小，吸濕初期膨脹變形速率越大，初始吸濕的時間也越短；反之，初始含水量越高，干密度越大，吸濕初期變形速率也就越小，初始吸濕時間也就越長。這可能是由于干密度越小，試樣內部滲透通道越多，通道孔徑也越大，試樣得滲透性也就越好，吸濕和膨脹變形也就越快；反之，吸濕和膨脹變形越慢。含水量越低，試樣基質吸力越大，試樣吸濕與膨脹變形越快；含水量增高，基質吸力下降，吸濕速度也就變慢，從而膨脹變形速率下降。

3.2 膨脹變形的影響因素分析

由圖3可以看出，隨著干密度和初始含水率的增大，試樣達到膨脹穩定的時間越長，而最終膨脹量隨著干密度的增大而增大，隨著初始含水率的增大而減小。圖4為不同干密度試樣的最終膨脹量與初始含水率關系曲線，由圖可以看出，不同干密度試樣的最終膨脹量隨初始含水率的增大呈線性減小，其線性回歸分析式可表達為

式（1）中回歸系數A、B與試樣干密度相關，隨著干密度的增大，回歸直線斜率減小，系數A增大，而系數B隨干密度的變化不大，可視為基本不變。干密度越大，土顆粒越多，而達到膨脹穩定時的膨脹變形量也就越大；反之依然。初始含水率越小，試樣的膨脹勢越大，而穩定時的膨脹變形量也也就會越大，隨著初始含水率的增大，這種由于粘粒成分而產生的膨脹勢減小，而最終膨脹變形量也就減小。系數B與初始含水率和干密度沒什么關系，是土的一種性質參數，與土的礦化成分、顆粒組成等因素有關。

圖4 不同初始含水率試樣最終膨脹量

4 結論

通過不同干密度和初始含水率試樣的無荷膨脹率試驗，研究了強膨脹土膨脹變形曲線，并分析了影響最終膨脹變形量的影響因素，得出以下結論：

1）強膨脹土無荷膨脹率與時間關系曲線可以分為等速膨脹變形階段、減速膨脹變形階段、穩定膨脹變形階段等三個階段；

2）強膨脹土干密度越大，膨脹變形速率也越大，達到膨脹穩定的時間也越長；初始含水率越大，膨脹變形速率越小，達到膨脹變形穩定的時間也越短；

3）強膨脹土最終膨脹變形量跟干密度和初始含水率有關，干密度越大，最終膨脹變形量也越大，而初始含水率越大，最終膨脹變形量越小。

[1]劉特洪.工程建設中膨脹土問題[M].北京：中國建筑工業出版社，1997.

[2]鄭建龍，楊和平著.公路膨脹土工程[M].北京：人民交通出版社，2009.

[3]王釗，劉祖德.鄂北崗地膨脹土特性及渠道滑坡防護與整治的研究總報告[R].武漢：武漢水利電力學院，1991.

[4]包承綱.非飽和土的性狀及膨脹土邊坡穩定問題[J].巖土工程學報，2004，26(1)：1-15.

[5]S1237-1999. 土工試驗規程[S].