基于強(qiáng)膨脹土的無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)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(zhì)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(qiáng)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(qiáng)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(fù)變形的特征以及由原生和次生作用形成的土體中雜亂無(wú)章的裂隙，國(guó)際工程界稱之為“隱藏的災(zāi)害”或“難以對(duì)付的土”。據(jù)美國(guó)在20世紀(jì)70～80年代的統(tǒng)計(jì)，由于膨脹土的破壞性給工程帶來(lái)的損失超過(guò)風(fēng)災(zāi)、地震等自然災(zāi)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(jié)性[4]。脹縮性是指由于膨脹土的粘土礦物成分、膠結(jié)物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)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(duì)膨脹土脹縮特性的研究，離不開(kāi)膨脹率和膨脹力，而無(wú)荷載膨脹率是在完全限制側(cè)向變形、無(wú)垂直荷載作用條件下，膨脹土試樣吸水膨脹穩(wěn)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(guò)程中整體膨脹潛勢(shì)，以及干密度與初始含水量對(duì)膨脹率的影響。

本文通過(guò)自制樣的無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)研究了含水率和干密度對(duì)強(qiáng)膨脹土的線膨脹變形特性的影響。

2 試驗(yàn)土樣及方法

2.1 土樣物理化學(xué)特性

圖1 土樣擊實(shí)曲線

本試驗(yàn)采用從現(xiàn)場(chǎng)取回的強(qiáng)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(zhì)如表1所示。由表1可以看出，自由膨脹率為126，屬于強(qiáng)膨脹土；塑性指數(shù)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(shí)曲線如圖1所示，最優(yōu)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(yàn)土樣按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-1999）[5]規(guī)定的方法制備，制備步驟如下：1）將土樣風(fēng)干，人工碾碎后過(guò)2mm土篩，并測(cè)定其風(fēng)干含水量；2）按照試驗(yàn)要求配制初始含水率分別為14%、18%、22%、的土樣；3）根據(jù)試驗(yàn)要求的含水率，制備干密度分別為1.55g/cm3、1.60g/cm3、1.65g/cm3環(huán)刀樣，環(huán)刀直徑為61.8mm、高為2cm。

2.3 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)采用普通膨脹儀測(cè)定強(qiáng)膨脹土的無(wú)荷膨脹率，膨脹儀如圖2所示。

圖2 膨脹儀示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-1999）[5]規(guī)定的試驗(yàn)步驟進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3 可知，強(qiáng)膨脹土無(wú)荷膨脹率與時(shí)間關(guān)系曲線可以分為三個(gè)階段：

圖3 無(wú)荷膨脹率與時(shí)間關(guān)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(xù)時(shí)間較短，且不同干密度試樣膨脹變形速率與持續(xù)時(shí)間不同，由圖可知，干密度較小，膨脹變形速率最大，且持續(xù)時(shí)間最短；等速膨脹變形階段膨脹變形量很大，可達(dá)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(dǎo)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(chǎn)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(wěn)定膨脹變形階段，此階段膨脹變形與時(shí)間關(guān)系曲線幾乎水平，膨脹變形速率可以忽略不計(jì)，但膨脹變形量也會(huì)隨之間緩慢增長(zhǎng)。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(xù)時(shí)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(shí)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(shí)間也就越長(zhǎng)。這可能是由于干密度越小，試樣內(nèi)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(zhì)吸力越大，試樣吸濕與膨脹變形越快；含水量增高，基質(zhì)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(dá)到膨脹穩(wěn)定的時(shí)間越長(zhǎng)，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(guān)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(dá)為

式（1）中回歸系數(shù)A、B與試樣干密度相關(guān)，隨著干密度的增大，回歸直線斜率減小，系數(shù)A增大，而系數(shù)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(dá)到膨脹穩(wěn)定時(shí)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(shì)越大，而穩(wěn)定時(shí)的膨脹變形量也也就會(huì)越大，隨著初始含水率的增大，這種由于粘粒成分而產(chǎn)生的膨脹勢(shì)減小，而最終膨脹變形量也就減小。系數(shù)B與初始含水率和干密度沒(méi)什么關(guān)系，是土的一種性質(zhì)參數(shù)，與土的礦化成分、顆粒組成等因素有關(guān)。

圖4 不同初始含水率試樣最終膨脹量

4 結(jié)論

通過(guò)不同干密度和初始含水率試樣的無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)，研究了強(qiáng)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(jié)論：

1）強(qiáng)膨脹土無(wú)荷膨脹率與時(shí)間關(guān)系曲線可以分為等速膨脹變形階段、減速膨脹變形階段、穩(wěn)定膨脹變形階段等三個(gè)階段；

2）強(qiáng)膨脹土干密度越大，膨脹變形速率也越大，達(dá)到膨脹穩(wěn)定的時(shí)間也越長(zhǎng)；初始含水率越大，膨脹變形速率越小，達(dá)到膨脹變形穩(wěn)定的時(shí)間也越短；

3）強(qiáng)膨脹土最終膨脹變形量跟干密度和初始含水率有關(guān)，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(shè)中膨脹土問(wèn)題[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

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