上覆荷載和厚度對原狀膨脹土膨脹量的影響分析

王炳忠,王起才,2,張戎令,2, 3,薛彥瑾,卓 彬,祁 強

(1.蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070； 2.蘭州交通大學道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室,蘭州 730070； 3.蘭州交通大學甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室,蘭州 730070)

1 概述

我國是世界上膨脹土分布最廣、面積最大的國家之一[1]。隨著我國交通事業的飛速發展，大量涌現出以膨脹土地基為基礎的高速鐵路。膨脹土是一種具有多裂隙、顯著膨脹性和超固結性的土，黏粒成分主要由蒙脫石和伊利石等親水性的礦物組成，其吸水膨脹軟化，失水收縮開裂[2]，對高速鐵路路基的穩定性及安全性極為不利，進而對線路運行的平穩性和舒適性帶來了極大考驗[1]。據統計，我國每年因膨脹土造成的經濟損失約達數百億元[3]。因而對膨脹土的研究越來越引起工程界的重視。

國內外專家和學者對膨脹土的膨脹變形進行了大量試驗研究，并取得了一系列重要成果，如不同含水率、不同初始干密度、不同上覆荷載對重塑土膨脹量的影響。吳小山[4]對邵陽膨脹土進行了浸水時間、壓實度、上覆荷載大小、含水率對膨脹量的影響試驗，得出膨脹變形在浸水初期發展較快，后期發展緩慢，膨脹變形隨上覆荷載和含水率增加分別表現為對數減小和線性減小關系；李化云[5]用三軸膨脹試驗模擬膨脹土在一定埋深條件下其吸水膨脹的真實過程，得出有荷膨脹率隨飽和度指數變化關系；劉清秉[6]對南陽膨脹土開展了不同初始壓實狀態下側限及三向應力狀態膨脹試驗，運用數學方法建立了同時考慮壓實度、起始含水率及壓力三因素耦合影響的K0膨脹模型；張愛軍[7]等以陜西安康壓實膨脹土為對象，通過不同初始干重度、初始含水量和上覆荷載的一系列膨脹量試驗，得到了人工壓實膨脹土的膨脹變形變化規律；李獻民[8]等以湖南邵陽膨脹土為例，對擊實膨脹土工程變形特性進行了試驗研究；劉斯宏[9]等對南陽膨脹土進行試驗，得出了膨脹土浸水膨脹率隨浸水膨脹過程中所受豎向荷載的增大而減小的結論；朱建強[10]等采用自由膨脹加荷法研究了水分對膨脹變形和膨脹壓力的影響；許瑛[11]等研究了陜西安康弱膨脹土，得出了膨脹量與上覆荷載成負指數關系及膨脹量與初始含水量對數成直線關系的結論；徐永福[12-13]等研究了寧夏膨脹土的膨脹變形，得出了膨脹量分別與上覆荷載和初始含水率的關系。李振[14-15]等通過不同干密度下膨脹土浸水增濕膨脹變形試驗，測試了試樣在浸水前后不同荷載下膨脹變形量的變化過程，得出了垂直荷載越大最終膨脹率越小的結論。胡瑾[16]等通過室內無荷載和有荷載膨脹率試驗，得出荷載與膨脹穩定后膨脹土孔隙比、干密度的關系。綜上可知，專家們對重塑膨脹土進行了大量的試驗研究，而對原狀土研究得相對較少。但高鐵地基以原狀膨脹土的情況出現得較多，因此研究原狀膨脹土對高鐵地基的安全穩定性變得更為必要。

本文主要以蘭新高鐵一典型膨脹地段原狀土為研究對象，對影響原狀土膨脹量的厚度、上覆荷載因素進行了試驗研究，得出膨脹量分別與厚度、上覆荷載關系，并擬合出膨脹量與上覆荷載試驗公式，為實際工程中膨脹量的預測和計算提供理論支撐。

2 室內試驗

2.1 試驗材料

本試驗所用膨脹土土樣取自蘭新高鐵，取土里程為DK1346+000處，深度為12～18 m。采用鉆機取樣，為防止土樣因空氣中水分蒸發而發生裂隙等破壞，從鉆機取出土樣后，迅速用保鮮膜包裹5層，兩端用膠帶密封完整，如圖1所示。在室內按照《鐵路工程土工試驗規程》(TB10102—2010)測得其物理指標如表1所示。

圖1 取回原狀土樣

天然含水率/%風干含水率/%干密度/(g/cm3)液限/%塑限/%比重自由膨脹率/%陽離子交換/(mmol/kg)11.261.8857.823.72.7460.2238.37

2.2 試驗方案

土體的初始條件(初始含水率、密度)與膨脹變形有密切關系，為了探究膨脹量與上覆荷載、厚度之間的關系，控制試樣初始條件相同而進行膨脹量與某一變量關系試驗。

試驗前先將土樣在自然狀態下風干，其風干含水率為6%，初始干密度為1.88 g/cm3，將風干后土樣用切割機、磨光機和砂紙等工具加工成直徑為8 cm，厚為2、4、6 cm的原狀土土樣若干。試樣在試驗裝置上安裝好后，分別對2、4、6 cm厚試樣施加0、10、20、30、40、50 kPa的上覆荷載。加載結束后待位移傳感器穩定后開始向土樣注水，注水方式為一次性注水直至試樣飽和，注水過程中始終保持水管水頭高出土樣5 cm，直到土樣膨脹穩定后注水結束。最終膨脹穩定標準為2 h內位移傳感器讀數不超過0.01 mm。無荷和有荷膨脹量試驗均保證注水膨脹時間不少于2 d。試驗裝置如圖2所示。

圖2 試驗裝置

3 結果與分析

3.1 上覆荷載對原狀膨脹土膨脹量的影響

圖3為不同厚度土樣的上覆荷載與膨脹量關系曲線，由圖3可知，當上覆荷載為0、10、20、30、40、50 kPa時，h=2 cm土樣的最終膨脹量分別為0.298、0.237、0.21、0.166、0.142、0.126 mm，即隨著上覆荷載的增大，膨脹量在逐漸減小，且荷載越大，膨脹量越小，h=4 cm、h=6 cm土樣呈相似規律。這是因為：(1)上覆荷載越大對膨脹性黏土顆粒(蒙脫石、伊利石、高嶺石)的抑制作用越強。上覆荷載使得土體附加應力增大，作用于黏土顆粒的外力增大，抵消一部分膨脹性黏土顆粒的膨脹力，這樣膨脹顆粒自身膨脹變形減小。(2)上覆荷載抑制了膨脹性黏土顆粒表面吸附水膜的厚度，且上覆荷載越大，水膜厚度越薄，即膨脹性黏土顆粒的膨脹性越弱，最終膨脹量越小。(3)當膨脹土吸水膨脹時，上覆荷載抑制了土體的豎向膨脹量，導致膨脹量向土體孔隙中釋放，最終將使土體更加密實，且上覆荷載越大土體越密實，豎向膨脹量越小。由以上分析可知，對于埋深較深的膨脹土，一方面承受很大的自重應力，另一方面膨脹顆粒膨脹能力減弱，故埋深較深的膨脹土不膨脹或有微膨脹，所以膨脹土的膨脹變形主要發生在埋深較淺或表層地基。

圖3 不同厚度土樣的上覆荷載與膨脹量關系曲線

3.2 厚度對原狀膨脹土膨脹量的影響

圖4為厚度與膨脹量關系曲線，從圖4可知：當上覆荷載為0 kPa時，厚度為2、4、6 cm土樣的膨脹量分別為0.298、0.318、0.33 mm，厚度為4 cm土樣的膨脹量是厚度為2 cm膨脹土膨脹量的1.07倍，厚度為6 cm土樣的膨脹量是厚度為2 cm膨脹土膨脹量的1.11倍，即膨脹土的厚度成比例增加時，其膨脹量并不成比例增長，上覆荷載為10、20、30、40、50 kPa時，亦呈相同規律，且荷載越小時，膨脹量與試樣厚度非線性增長特征更明顯。一方面隨厚度增加，土體的自重也相應增大，增加的自重應力進一步增強了對膨脹顆粒的抑制作用，膨脹量減?。涣硪环矫嫱馏w為離散性、非均勻材料，當土體厚度增加時，土體不均勻性增大；同時要考慮尺寸引起的一些變化，土體厚度增大時，膨脹顆粒膨脹后易向徑向移動，使在高度方向膨脹量變小。故膨脹土的厚度成比例增加時，其膨脹量并不成比例增加。

圖4 不同上覆荷載下厚度與膨脹量關系曲線

3.3 上覆荷載與厚度耦合作用下原狀土膨脹量計算模式

由以上分析可知，原狀土膨脹量不僅與上覆荷載有關，還與土體厚度有關。在實際工程中為了計算不同厚度膨脹土在上覆荷載下膨脹量，研究上覆荷載和土體厚度耦合作用下變化規律具有現實意義。圖5給出了不同試樣厚度下上覆荷載與膨脹量擬合關系曲線，發現膨脹量與上覆荷載呈良好的指數關系，其回歸方程為

δp=ae-bp

(1)

式中,δp為加荷膨脹量，mm；p為上覆荷載，kPa；a、b為擬合參數，其值與所用土的自身性質和外部條件有關，對本試驗而言，為同一種土，且初始含水率、密度相同，僅與試樣厚度有關。

圖5 不同試樣厚度下上覆荷載與膨脹量擬合關系

不同試樣厚度下膨脹量與上覆荷載回歸方程見表2，因為a、b與試樣厚度有關，因此，將a、b值與對應的試樣厚度進行擬合，發現參數a、b與試樣厚度h呈線性關系(圖6)，可表示為

a=e1h+f1

(2)

b=e2h+f2

(3)

式中,h為試樣厚度，cm；e1、e2、f1、f2為試驗擬合參數，與土自身膨脹特性有關，本試驗擬合方程及方差如圖3所示。

表2 不同試樣厚度下膨脹量與上覆荷載回歸方程

圖6 參數a、b與試樣厚度h擬合關系

將式(2)、式(3)同時代入式(1)中，得到有荷膨脹量的擬合公式

δp=e1he-(e2h+f2)p+f1e-(e2h+f2)p

(4)

通過進一步對上述公式進行試驗驗證，證明其適用范圍為2 cm≤h≤8 cm，更為普遍的公式需試驗和實踐進一步驗證。

代入本試驗參數，可得新疆地區初始含水率為6%，干密度1.88 g/cm3原狀膨脹土有荷膨脹量公式

δp=-0.006 7he-(0.001 8h+0.005 7)p+

0.332 1e-(0.001 8h+0.005 7)p

(5)

在實際工程應用中，可通過原狀膨脹土的有荷膨脹量試驗得到式(5)擬合參數，推算膨脹土膨脹量，來預測變形或對建筑物的破壞程度。

3.4 試驗驗證

為進一步驗證式(5)的正確性和適用性，進行了試樣高度為8 cm，在不同上覆荷載下(加載等級為0、10、20、30、40、50 kPa)原狀土驗證試驗，試驗結果與理論值比較，通過圖7可以看出式(5)能夠較好反映該地區膨脹土膨脹率與上覆荷載、試樣厚度的變化關系，為實際工程計算膨脹變形提供了一種途徑。

圖7 不同上覆荷載下膨脹量試驗值與計算值

4 結論

(1)上覆荷載對膨脹量起抑制作用，且荷載越大，抑制作用越強。因而對膨脹土地基，其膨脹主要發生在淺層地基，深層地基的膨脹土不會發生膨脹或發生膨脹的概率較小。

(2)當原狀膨脹土的厚度成比例增加時，其膨脹量并不成比例增加，且上覆荷載越小時，膨脹量與試樣厚度非線性增長特征更明顯。

(3)通過對試驗數據的進一步分析發現，在厚度一定時，膨脹量與上覆荷載呈良好的指數關系，再依據不同厚度對公式參數進行擬合，建立了上覆荷載和厚度耦合作用下原狀膨脹土膨脹量計算模式，計算模式與實測數據吻合較好，為今后膨脹土地區的工程建設提供理論支撐。

[1] 李生林.中國膨脹土工程地質研究[M].南京：江蘇科學技術出版社，1992.

[2] 廖世文.膨脹土與鐵道工程[M].北京：中國鐵道出版社，1984.

[3] 陳孚華.膨脹土上的基礎[M].北京：中國建筑工業出版社，1979.

[4] 吳小山，梁橋，周文權.邵陽膨脹土膨脹特性試驗研究[J].湖南工程學院學報(自然科學版)，2016，(02)：83-86.

[5] 李化云，張志強，胡端，等.三向應力下膨脹土含水量與膨脹率關系研究[J].地下空間與工程學報，2016(6)：1539-1544.

[6] 劉清秉，吳云剛，項偉，汪稔.K0及三軸應力狀態下壓實膨脹土膨脹模型研究[J].巖土力學，2016(10)：2795-2802，2809.

[7] 張愛軍，哈岸英，駱亞生.壓實膨脹土的膨脹變形規律與計算模式[J].巖石力學與工程學報，2005(7)：1236-1241.

[8] 李獻民，王永和，楊果林，范臻輝.擊實膨脹土工程變形特征的試驗研究[J].巖土力學，2003(5)：826-830.

[9] 劉斯宏，汪易森，朱克生，吳健.有荷條件下南陽膨脹土強度試驗及其應用[J].水利學報，2010(3)：361-367.

[10] 朱建強.水分對膨脹土膨脹變形與膨脹壓力的影響研究[J].湖北農學院學報，1999(1)：60-62.

[11] 許瑛，雷勝友.影響有荷載膨脹率的因素分析[J].西北建筑工程學院學報(自然科學版)，2003(2)：6-9.

[12] 徐永福，龔友平，殷宗澤.寧夏膨脹土膨脹變形特征的試驗研究[J].水利學報，1997(9)：28-31.

[13] 徐永福，史春樂.寧夏膨脹土的膨脹變形規律[J].巖土工程學報，1997(3)：98-101.

[14] 李振，邢義川.側限條件下膨脹土增濕變形計算模式研究[J].西北農林科技大學學報(自然科學版)，2011(5)：215-222.

[15] 李振，邢義川，李鵬.壓力對膨脹土遇水膨脹的抑制作用[J].水力發電學報，2006(2)：21-26.

[16] 胡瑾，王保田，張文慧，郭帥杰，張磊.無荷和有荷條件下膨脹土變形規律研究[J].巖土工程學報，2011(S1)：342-345.