初始狀態(tài)對膨脹土膨脹特性影響的試驗研究

□李曉紅□李紅曉□張 華（河南省水利科學研究院；河南省水利第一工程局；河南省河口村水庫管理局)

初始狀態(tài)對膨脹土膨脹特性影響的試驗研究

□李曉紅1□李紅曉2□張 華3
（1河南省水利科學研究院；2河南省水利第一工程局；3河南省河口村水庫管理局)

含水量、干密度是影響膨脹土脹縮特性非常重要的指標。在南水北調中線總干渠的南陽段普遍遇到了膨脹土深挖路塹、渠道邊坡穩(wěn)定、地基處理等問題。為了解決該問題，給現(xiàn)場施工提供一定的理論依據(jù)與技術支持，文章通過控制膨脹土的含水量和干密度，進行了膨脹力、膨脹率等膨脹特性試驗研究，分析了含水率和干密度對膨脹土膨脹特性的影響,對試驗結果進行了比較與分析，得出了含水量和干密度對膨脹土的影響關系。

膨脹土；含水率；干密度；膨脹力；膨脹率

1 引言

膨脹土是一種吸水膨脹軟化、失水收縮干裂的特種粘性土，其主要工程性質表現(xiàn)為多裂隙性、超固結性、強親水性和反復脹縮性。眾所周知，膨脹土地區(qū)的水利工程建設往往會發(fā)生一系列問題，如地基隆起、路基開裂、邊坡失穩(wěn)等，這些工程問題的解決依賴人們對非飽和膨脹土變形和抗剪強度特性的認識。雖然已經(jīng)有了大量的理論研究與實際經(jīng)驗，但是，不同地區(qū)的膨脹土有著不同的物理力學特性，對各個區(qū)域膨脹土的研究是必不可少的。在南水北調中線引漢總干渠的南陽段普遍遇到了膨脹土深挖路塹、渠道邊坡穩(wěn)定、地基處理等問題。因此，對該地區(qū)膨脹土的一系列試驗研究，得出該地區(qū)膨脹土的基本特性是工程得以順利施工的必要前提。

含水量、干密度是影響膨脹土脹縮特性非常重要的指標，文章通過控制膨脹土的含水量和干密度，進行了一系列膨脹特性試驗研究，并對試驗結果進行了比較與分析。

2 試驗材料

膨脹土在我國大部分地區(qū)均有分布。膨脹土的脹縮性直接影響到建筑物的安全性，它不僅造成房屋成群開裂，公路、鐵路塌方，而且可導致膨脹土邊坡產生淺層滑坡現(xiàn)象，造成農田水利設施的破壞，影響人們的正常生活。膨脹土的主要特性是膨脹和收縮。膨脹和收縮是一個十分復雜的問題，不僅僅是遇水膨脹和失水收縮。要鑒別某種土是否屬于膨脹土，應根據(jù)本身的固有屬性進行區(qū)分，只有內在的主要固有屬性才是控制膨脹土工程特性的主要決定性因素。至于在膨脹土地區(qū)各種建筑物的穩(wěn)定程度，只能作為輔助的判別。

對膨脹土的判別分類原則，首先應從工程地質觀點出發(fā)，分析土體的裂隙特征，概括出能反映膨脹土工程性質的實際情況，能代表膨脹土規(guī)律的主要指標。自由膨脹率的分類標準是，40≤Fs＜60為弱膨脹土，60≤Fs＜90為中膨脹土，F(xiàn)s≥90為強膨脹土。塑性指數(shù)的分類標準是，15≤Ip＜28為弱膨脹土，28≤Ip＜40為中膨脹土，Ip≥40為強膨脹土。

膨脹土的漲縮特性主要受其礦物成分的影響，通常膨脹土由蒙脫石和伊利石等膨脹礦物組成，吸水后體積膨脹，失水干縮。這與土體的水分遷移密切相關，土體的存在狀態(tài)，對于土體的水分遷移有重要影響。

膨脹土的漲縮特性除了受土體自身礦物成分及含量控制外，土體的存在狀態(tài)（含水率、干密度）的變化也是重要因素。本試驗所用土料選自南陽膨脹土區(qū)，自由膨脹率為49%。根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范GBJ112-87》中依據(jù)自由膨脹率進行的膨脹土漲縮潛勢分類方法，試驗所用土樣為弱膨脹土。其基本物理力學指標。天然含水率4.6%。采用標準擊實得出得出最大干密度1.58g/cm3，對應的最優(yōu)含水率為23.70%。液限52.60%，塑限25.60%，塑性指數(shù)27，塑性指數(shù)＞17，為粘土。顆粒分析采用比重計法，試驗結果顯示土壤粘粒含量31.60%,可以評判為弱膨脹土。

3 試驗方案

為了研究膨脹土的初始狀態(tài)與漲縮特性的關系，文章從初始含水率、初始干密度等方面展開試驗。初始含水率的控制通過制樣時的反復測量，由于烘干法測試時間周期長，文章采用的是酒精燃燒法。通過反復調整，最終的含水率控制在19.60，21.60，24.60%，允許誤差為0.20%。文章再用靜壓法制成干密度為1.59，1.66，體積60 cm3的試樣，干密度允許誤差為0.01 g/cm3。

試驗項目主要包括兩組試驗：第一組為不同初始含水率下，不同干密度的膨脹力試驗；第二組為豎向壓力分別為0 kPa、25 kPa，不同初始含水率下，不同干密度的膨脹率試驗。通過試驗，可以得出膨脹力與含水率、干密度的關系，以及膨脹率與含水率、干密度和豎向壓力的關系。對于工程建設中，控制壓實干密度和含水率至關重要。

4 試驗結果及分析

4.1 膨脹力與含水率、干密度的關系

膨脹力是指土體吸水膨脹時所產生的內應力，文章所指的膨脹力是指試樣保持體積不變時，吸水膨脹而產生的最大內應力。膨脹力的試驗方法有三種，膨脹反壓法、加壓膨脹法和平衡加壓法，文章采用加壓平衡法。對于膨脹土的許多研究表明，膨脹力會隨初始含水率的增加而減小，隨初始干密度的增大而增大。膨脹力的試驗在杠桿式固結儀上進行，膨脹力按照×10的公式來計算。其中，pe為膨脹力，單位kPa。W為總平衡荷載，單位N。A為試樣面積，單位cm2。K為固結儀杠桿比，10為單位換算系數(shù)。

膨脹力試驗結果如圖1所示：從圖中可以看出，在同一含水率下，膨脹力隨著干密度的增大而增大，而且其增長趨勢隨著含水率的增大而減緩。對于同一干密度而言，初始含水率越大則膨脹力越小。隨著初始含水率的減小，膨脹力與干密度增大關系的斜率逐漸增大。

圖1 膨脹力、干密度與含水率關系曲線圖

4.2 膨脹率與含水率、干密度的關系

膨脹率是指在有側限條件下膨脹的增量與初始高度之比值。通常我們所說的膨脹率是指最大膨脹率，即土樣吸水飽和后達到的最大膨脹率。根據(jù)加載條件，膨脹率試驗可以分為無荷膨脹率和有荷膨脹率。膨脹率的計算按照公式進行，其中δe為膨脹率，單位%，V為膨脹穩(wěn)定后試樣的體積，單位cm3，V0為試樣初始體積，單位cm3。

膨脹率試驗結果如圖2、圖3所示：從圖中可以看出，在同一含水率下，膨脹率隨著干密度的增大而增大，而且其增長趨勢隨著含水率和豎向壓力的增大而減緩。對于同一干密度而言，膨脹力隨著含水率的增大而減小。而對于同一干密度和含水率而言，膨脹率隨著豎向壓力的增大而減小。

圖2 0K pa下膨脹率、干密度和含水率關系曲線圖

圖3 25K pa下膨脹率、干密度和含水率關系曲線圖

5 結論

對于膨脹土來說，最大的問題就是如何保證工程的安全與穩(wěn)定。比如南水北調工程中膨脹土渠坡的穩(wěn)定問題，實際上就是膨脹土的漲縮與強度問題。文章通過試驗，研究了膨脹土的初始狀態(tài)與漲縮特性的關系，得到以下結論：一是，該地區(qū)膨脹土的膨脹力隨著干密度的增大而增大，隨著初始含水率的增大而減小。而且其增長趨勢隨著含水率的增大而減緩。二是，膨脹率隨著干密度的增大而增大，隨著初始含水率的增大而減小，隨著豎向壓力的增大而減小，而且其增長趨勢隨著含水率和豎向壓力的增大而減緩。

（責任編輯：李樂樂）

TU 443

A

1673-8853（2016）10-0097-02

2016-08-02