廣西典型膨脹土三向膨脹規(guī)律室內(nèi)試驗

譚波， 李亞奇

(1. 桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實驗室， 廣西 桂林 541004；2. 桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004)

膨脹土是一種富含親水性粘粒蒙脫石、伊利石及其粉塵礦物的特殊性黏土，因其具有強(qiáng)脹縮性、超固結(jié)性及裂隙性等不良工程地質(zhì)特性，通常導(dǎo)致公路建設(shè)發(fā)生病害，以路基邊坡問題最為嚴(yán)重且難以治理，被稱為“工程中的癌癥”[1-2].強(qiáng)脹縮性是膨脹土的最根本特性，膨脹土豎向與側(cè)向膨脹規(guī)律存在明顯差異.然而，目前的研究大多在一維固結(jié)條件下進(jìn)行，只能獲得一維有側(cè)限的豎向膨脹規(guī)律，無法獲得邊坡三維側(cè)向膨脹規(guī)律.

文獻(xiàn)[3-8]通過改進(jìn)原有儀器或者研發(fā)新儀器進(jìn)行膨脹土三向膨脹試驗，從而獲得膨脹土三向膨脹規(guī)律.劉祖德等[9]采用改裝的應(yīng)力控制式三軸儀進(jìn)行三向膨脹試驗，但該三軸儀側(cè)向所加的圍壓相等，無法開展側(cè)向壓力不等的試驗.張銳等[10]研制了側(cè)向膨脹力試驗裝置，但該方法所得的應(yīng)力與實際形變可能有一定誤差，還需要用乳膠墊片彌補(bǔ).Avsar等[11]研制了一種針對圓柱形試樣的三向膨脹儀，但對圓柱試樣施加的三向力使試樣變形，得到的結(jié)果有較大誤差.以上試驗所采用的是非立方體試樣，開展的是兩向膨脹試驗.

王海龍等[12]采用自制的巖土三向膨脹力測量儀進(jìn)行試驗，但該裝置施加三向荷載的大小無法控制，故也存在一定的局限性.張穎[13]對真三軸儀進(jìn)行可改造，設(shè)計研制了三向膨脹儀，采用等強(qiáng)度梁的變形反力施加三向力.文獻(xiàn)[14-15]也用此儀器獲得了膨脹力規(guī)律，但等壓梁所施加力的大小會因膨脹土膨脹變形而變化，不夠穩(wěn)定，需要不斷調(diào)整.綜上所述，開展膨脹土三向膨脹試驗的儀器還存在一定的缺陷.基于此，本文自主研制膨脹土三向膨脹儀，以及與之相應(yīng)的原狀土取樣器、重塑土制備器，開展三向膨脹率及膨脹力試驗.

1 試驗儀器

1.1 原狀土取樣器、重塑土制備器

(a) 正視圖 (b) 剖面圖 (c) 實圖圖1 原狀土取樣器示意圖Fig.1 Schematic diagram of undisturbed soil sampler

三向膨脹立方體試驗對于試樣尺寸通常有較高精度的要求，試樣尺寸不規(guī)整使膨脹之后的變形與試樣實際變形產(chǎn)生一定的誤差，以往膨脹試驗使用的立方體試樣通常采用刀切或其他方法，但是人工削土很難得到標(biāo)準(zhǔn)的試樣，影響試樣規(guī)整度，使試驗得到的結(jié)果不準(zhǔn)確.文中專門研制原狀土取樣器及重塑土制備器，可得到較為標(biāo)準(zhǔn)試樣，提高試驗的精度.

1) 原狀土取樣器.原狀土取樣器主要組成如下：成土裝置的成土框；施力裝置的重錘、導(dǎo)桿；推土裝置的推土旋轉(zhuǎn)螺栓、螺桿，土樣尺寸控制器，以及推土板.原狀土取樣器示意圖,如圖1所示.圖1中：成土框為邊長為25 mm的立方體容器；導(dǎo)桿約長80 cm，在整個儀器中起骨架作用；重錘質(zhì)量為4 kg，并且重錘可以在導(dǎo)桿上自由下落；推土旋轉(zhuǎn)螺栓可使螺桿頂著推土板,推出取得的土樣，用土樣尺寸控制器得到預(yù)設(shè)土樣的尺寸.

(a) 錘擊取樣 (b) 原狀試樣圖2 現(xiàn)場取樣圖Fig.2 Field sampling diagram

原狀土現(xiàn)場取樣需要保證原狀土原有的形態(tài)與結(jié)構(gòu)，不能使土樣產(chǎn)生擾動.傳統(tǒng)現(xiàn)場原狀土取樣是用錘子敲打成土框，取出的試樣需要拆模，或者采用人工刀削的方法削出所需規(guī)格的試樣，但是這樣使試樣產(chǎn)生較大的擾動，很難得到標(biāo)準(zhǔn)的試樣，并且操作步驟復(fù)雜，工作效率低.文中儀器對傳統(tǒng)的取土儀器做了改進(jìn)，儀器設(shè)有推土裝置，可得到尺寸精準(zhǔn)、邊角無破損的土樣，操作方法簡單.現(xiàn)場取樣圖，如圖2所示.

2) 重塑土制備器.重塑土制備器組成如下:成土裝置的底座平臺和成土框;施力裝置的重錘、擊實小錘、導(dǎo)桿、導(dǎo)桿固定框;推土裝置的推土旋轉(zhuǎn)螺栓、螺桿，土樣尺寸控制器，推土板.重塑土制備器示意圖，如圖3所示.圖3中:底座平臺起整體框架作用，成土框在底座平臺中部，是邊長為25 mm的立方體容器；重錘質(zhì)量為4 kg，并且可以在導(dǎo)桿上自由下落，重錘自由下落，通過導(dǎo)桿使擊實小錘產(chǎn)生沖擊力把土壓實；推土旋轉(zhuǎn)螺栓可使螺桿頂著推土板，推出取得的土樣，用土樣尺寸控制器得到預(yù)設(shè)土樣的尺寸.

(a) 正視圖 (b) 剖面圖 (c) 實圖圖3 重塑土制備器示意圖Fig.3 Schematic diagram of remolded soil preparation instrument

(a) 制樣現(xiàn)場 (b) 重塑試樣 圖4 制備試樣圖Fig.4 Sample preparation diagram

土是一種由巖石風(fēng)化后形成的碎散堆積物，在一般情況下不易形成整體土塊.很多不同的制土儀器操作方法復(fù)雜，土樣脫模時，使土樣有一部分的損傷，嚴(yán)重的會直接碎散，導(dǎo)致土樣無法成型.為了解決這一問題，文中試驗對以往的制土儀器進(jìn)行了較大的改進(jìn).首先，儀器制成土樣后不需要給土樣脫模，直接旋轉(zhuǎn)土樣旋轉(zhuǎn)螺栓就可以使土樣推出.其次，儀器制成土樣的各個面均比較平整，不會使土樣產(chǎn)生損傷，可以盡量減小實驗誤差.最后，儀器可以制得干密度和水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)盡量小的土樣.儀器操作簡單便捷，可以滿足當(dāng)前制備土樣的要求.制備試樣圖，如圖4所示.

1.2 三向膨脹儀

膨脹土三向膨脹儀組成部分如下：試樣放置裝置的水平擋板和集水底座;形變測試裝置的施壓板、傳壓框、水平導(dǎo)軌、滑輪、百分表、量力環(huán)、吊鉤、堆載盤、砝碼、底座;注水裝置的儲水容器、支撐架、輸水管、閥門及滴水板.三向膨脹儀示意圖，如圖5所示.

圖5中：試樣放置在集水底座上，并緊貼水平擋板；形變測試裝置中，在堆載盤上加上一定質(zhì)量的砝碼使施壓板對土樣產(chǎn)生三向荷載，浸水后用百分表和量力環(huán)測三向膨脹率和膨脹力；注水裝置中，儲水容器中的水通過輸水管進(jìn)入滴水板，通過滴水板在透水石的滲透作用下均勻進(jìn)入土中.

文中膨脹土三向膨脹儀可用于測試膨脹土三向膨脹率及膨脹力.首先，在3個方向的堆載盤上加砝碼，可任意施加三向荷載，施加的力比較恒定，施力方法簡單.其次，當(dāng)測試膨脹率時，通過3個方向上的百分表讀數(shù)得出膨脹量，再經(jīng)過換算可得膨脹率;當(dāng)測試膨脹力時，在3個方向上的百分表產(chǎn)生4～5格讀數(shù)后，旋轉(zhuǎn)螺栓，把百分表歸零，此時量力環(huán)產(chǎn)生讀數(shù)，經(jīng)過換算可得膨脹力.最后，儀器采用縱向滴水方法，儲水容器內(nèi)的水通過輸水管進(jìn)入滴水板，再通過透水石均勻、徹底滲入試樣，以達(dá)到滴水增濕效果.三向膨脹試驗，如圖6所示.

(a) 膨脹率試驗 (b) 膨脹力試驗 圖6 三向膨脹試驗Fig.6 3D expansion test

2 三向膨脹規(guī)律試驗方法

2.1 取樣方法

取出儀器，把推土板調(diào)到成土框最底部，在成土框四周及推土板上涂抹凡士林.取土儀器豎直放置，使成土框框口對準(zhǔn)所要取的土樣.一人手扶土儀器上部(此時儀器不能晃動)，一人提起重錘，使重錘自由下落，大概5次之后,即擊實完成，晃動著提起儀器.調(diào)節(jié)土樣尺寸控制器，控制豎向尺寸與水平尺寸相同.旋轉(zhuǎn)推土旋轉(zhuǎn)螺栓推出土樣，待推土旋轉(zhuǎn)螺不動時，證明土樣已經(jīng)達(dá)到預(yù)計尺寸.切除上部裸露的土樣，調(diào)節(jié)土樣尺寸控制器，使控制解除，再次旋轉(zhuǎn)推土旋轉(zhuǎn)螺栓，使土樣完全被推出.取出的土樣應(yīng)迅速用薄膜包裹,以隔絕其與外部的水氣交換，并放置在保鮮盒中.

2.2 制樣方法

取適量的土樣，錘碎并過0.5 mm的篩子，放在105～110 ℃的烘箱中,烘至8 h以上，然后,按照要求的水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配置一定量的土樣，配置完成后,置于塑料袋中,隔絕空氣密封燜料24 h以上.取塑料袋中3個不同位置處的土樣，測其水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，要求誤差不超過2.00%[16].

將推土板調(diào)至成土框的最下邊，在成土框、推土板,以及擊實小錘的下部涂抹一定量起潤滑作用的凡士林，向成土框內(nèi)倒1/3稱好的土樣(分3層擊實).將小錘放置在土樣上，同時,將導(dǎo)桿放置在導(dǎo)桿固定架上，導(dǎo)桿下部與擊實小錘上部接觸，然后,提起重錘,使重錘自由下落(根據(jù)土樣干密度的不同,選擇不同的擊實次數(shù)).擊實后給土樣拋錨，再倒1/3土樣，重復(fù)上述操作.

擊實完成后，調(diào)節(jié)土樣尺寸控制器，控制土樣，使豎向尺寸與水平尺寸相同.旋轉(zhuǎn)推土螺栓推出土樣，待推土旋轉(zhuǎn)螺栓旋轉(zhuǎn)不動時，證明土樣已經(jīng)達(dá)到預(yù)計尺寸.切除上部裸露的土樣，調(diào)節(jié)土樣尺寸控制器使控制解除，再次旋轉(zhuǎn)推土旋轉(zhuǎn)螺栓，使土樣完全被推出.制樣完成后，迅速用薄膜包裹，以隔絕其與外部的水氣交換，并放置在保鮮盒中.

重塑樣的制作過程較為復(fù)雜，除保證試樣的規(guī)則性之外，還要保證試樣內(nèi)部水分的均勻性，以及每一批樣的土性相同.該過程需經(jīng)配土、制樣成型和均勻土樣的水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)3個步驟.

2.3 膨脹性試驗操作方法

在試樣周圍貼上同樣大小的濾紙，然后，緊貼水平擋板，放置在集水底座上.移動水平向的傳壓框，使施壓板緊貼試樣，同時，在試樣豎向面上放置透水石，移動豎向傳壓框，使滴水板緊貼透水石.在堆載盤上同時施加指定質(zhì)量的荷載，使試樣產(chǎn)生一定的壓力.

當(dāng)進(jìn)行膨脹率試驗時，在試樣收縮穩(wěn)定后，把百分表調(diào)零.打開滴水閥門，使水透過透水石均勻滲入試樣.試驗開始后，前3 h每隔20 min記錄一次試驗數(shù)據(jù)，3 h后每隔2 h記錄一次數(shù)據(jù).待三向膨脹量連續(xù)兩次讀數(shù)均小于0.005 mm·h-1時，可以認(rèn)為試驗結(jié)束.

當(dāng)進(jìn)行膨脹力試驗時，在試樣收縮穩(wěn)定后，把量力環(huán)放置在導(dǎo)軌上，同時,旋轉(zhuǎn)3個方向的螺栓至百分表指針開始產(chǎn)生移動，則證明量力環(huán)與傳壓框已經(jīng)接觸，調(diào)整量力環(huán)和百分表為零.打開滴水閥門，使水透過透水石均勻滲入試樣.試驗開始后，當(dāng)百分表產(chǎn)生4～5格讀數(shù)時,則旋轉(zhuǎn)螺栓使百分表調(diào)零，此時,量力環(huán)也會產(chǎn)生一定讀數(shù)，記下數(shù)據(jù).待3個方向上的量力環(huán)連續(xù)兩次讀數(shù)均小于0.005 mm·h-1時，可以認(rèn)為試驗結(jié)束.

水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)測試如下:3個方向同時卸下荷載，測膨脹力時還需卸載量力環(huán)，取出試樣，用干濾紙擦掉試樣表面的浮水，去掉濾紙并稱其質(zhì)量.然后，把試樣均勻切成4塊，用烘干法測吸水膨脹后的水的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

3 試驗方法驗證

3.1 試樣吸水率均勻性驗證

試驗方法的合理性需驗證土體吸水后各部分的水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化是否均勻，以保證土體能夠均勻膨脹，使所測試的試驗數(shù)據(jù)可信，所得的試驗結(jié)果能夠真實反映膨脹規(guī)律.試驗試樣尺寸為邊長為25 mm的立方體試塊，盡可能使試樣吸水膨脹后，使其內(nèi)部水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均勻.

試樣初始水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為11.30%，干密度為1.70 g·cm-3.吸水膨脹完成后，均勻切成4塊，分別記為角1、角2、角3及角4，用烘干法測其水的質(zhì)量分?jǐn)?shù).試樣各部分水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)差異，如表1所示.表1中：σ為方差.

表1 試樣各部分水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異Tab.1 Water content difference of different parts of sample

圖7 南寧灰白膨脹土?xí)r程曲線Fig.7 Time-history curve of gray-white expansive soil in Nanning

由表1可知:4種土吸水膨脹后水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的方差分別為0.21%,0.17%,0.16%,0.15%，說明所研制的膨脹土三向膨脹儀及試驗方法合理，能保證水分的均勻滲入,以及三向變形的均勻性和一致性，可用于膨脹土三向膨脹變形研究.

3.2 三向膨脹試驗儀器的驗證

為了驗證膨脹土吸水膨脹與土樣放置方向是否有關(guān)，現(xiàn)以南寧灰白膨脹土為例，分別進(jìn)行土樣正常放置試驗，以及把擊實膨脹土的豎直方向(Z向)橫向(X向)放置試驗.南寧灰白膨脹土?xí)r程曲線,如圖7所示.圖7中：δ為膨脹率；t為時間.

由圖7可知：將膨脹土豎直方向橫向放置，膨脹土吸水膨脹速率也分快速膨脹、緩慢膨脹和趨于穩(wěn)定3個階段，3 h可完成膨脹的80%～90%.

正常放置與豎直方向橫向放置三向膨脹率對比，如表2所示.表2中：ρ為干密度；當(dāng)試樣正常放置時，δOZ為豎向膨脹率，δOX,δOY為橫向膨脹率，δ0為δOX與δOY平均值，K0為δOZ與δ0比值；當(dāng)試樣豎直方向橫向放置時，δOX為豎向膨脹率，δOZ,δOY為橫向膨脹率，δ0為δOZ與δOY平均值，K0為δOX與δ0比值.

表2 正常放置與豎直方向橫向放置三向膨脹率對比Tab.2 Comparison of 3D expansion rate between normal placement and vertical dimension transverse placement %

由表2可知：試樣正常放置與豎直方向橫向放置時所得實驗數(shù)據(jù)規(guī)律基本一致；膨脹土吸水膨脹率與只與擊實方向有關(guān)，而與放置方向無關(guān)，證明三向膨脹儀的豎向膨脹效果與橫向膨脹效果基本相同，膨脹土吸水膨脹率與增濕滴水方向面無關(guān).

4 試驗結(jié)果和分析

4.1 三向膨脹率時程曲線

設(shè)置4種膨脹土干密度均為1.70 g·cm-3，初始水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.30%，三向膨脹率時程曲線，如圖8所示.

(a) 寧明灰白膨脹土 (b) 寧明灰藍(lán)膨脹土

(c) 南寧灰白膨脹土 (d) 南寧灰藍(lán)膨脹土圖8 三向膨脹率時程曲線Fig.8 3D expansion time-history curve

由圖8可知：在達(dá)到峰值膨脹率之前，膨脹土吸水膨脹速率可分為快速膨脹階段、緩慢膨脹階段和趨于穩(wěn)定階段；快速膨脹階段在0～120 min之間，此階段可達(dá)到極限膨脹率的80%以上;緩慢膨脹階段在120～360 min之間，此階段膨脹土基本完成膨脹，膨脹率接近最大值.當(dāng)3個階段結(jié)束后，全程基本保持在1 440 min以內(nèi).

4.2 三向膨脹率試驗結(jié)果

膨脹土膨脹率,如表3所示.表3中：δOZ為豎向膨脹率；δOX與δOY為兩個橫向膨脹率；H0為豎向膨脹率與兩橫向膨脹率平均值之比.由表3可知：在相同水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的條件下，H0大于零，說明豎向膨脹率大于橫向膨脹率，并且兩個橫向膨脹率大致相等.這是由于制樣單向壓實，故橫向與豎直方向的膨脹率會存在差異，即制樣造成土體的各向異性；隨干密度的增大，膨脹土的豎向膨脹率與橫向膨脹率也逐漸增大，這與前人研究結(jié)果基本一致.

表3 膨脹土的膨脹率Tab.3 Expansion rate of expansive soil

在初始條件基本相同下，原狀膨脹土的三向膨脹率高于重塑膨脹土的三向膨脹率.如南寧原狀灰白膨脹土在水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.00%、干密度為1.54 g·cm-3條件下，豎向膨脹率為2.4%，兩橫向膨脹率分別為1.1%，1.2%；重塑膨脹土在水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11.30%、干密度為1.66 g·cm-3條件下，豎向膨脹率為2.2%，兩橫向膨脹率分別為1.0%，1.2%.這是因為原狀土成型除了與其自身的結(jié)構(gòu)性有關(guān)，還與土的歷史及沉積環(huán)境有關(guān)，而重塑土只與制樣時擊實功有關(guān)，完全不受土體結(jié)構(gòu)性的影響，致使原狀土具有較強(qiáng)的膨脹性.

4.3 三向膨脹力試驗結(jié)果

重塑膨脹土的膨脹力，如表4所示.表4中：POZ為豎向膨脹力，POX為橫向膨脹力，R0為橫向膨脹力與豎向膨脹力之比.由于膨脹土兩個橫向膨脹力基本相同，故只列出一個橫向力.

由表4可知：4種R0小于1，說明橫向膨脹力均小于豎向膨脹力；在初始水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的條件下，豎向、橫向膨脹力均隨著干密度的增大而增大，這與池澤成等[6]對合肥膨脹土實驗研究結(jié)果基本一致；在相同水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，R0隨著干密度的增大而增大，說明土被壓實后各向異性減弱，膨脹土膨脹力與膨脹率的膨脹趨勢基本一致.

表4 重塑膨脹土的膨脹力Tab.4 Expansive force for remodeled expansive soil

5 結(jié)論

1) 研發(fā)了三向膨脹儀，以及與之相應(yīng)的原狀土取樣器、重塑土制備器，可以實現(xiàn)立方體制樣簡便，試樣尺寸精度高，同時，三向膨脹試驗操作方法簡便，測試結(jié)果準(zhǔn)確.

2) 以廣西南寧、寧明4種典型膨脹土為研究對象，開展了膨脹土三向膨脹率及膨脹力試驗，獲得了相應(yīng)的試驗規(guī)律，試驗結(jié)果表明：時程曲線分為快速、緩慢及趨于穩(wěn)定3個階段，并且3 h可完成膨脹的80%～90%；所得豎向膨脹率及膨脹力均比橫向大，并且兩個橫向膨脹率及膨脹力大致相等;在相同初始水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，三向膨脹率及膨脹力均隨試樣干密度的增大而增大；在相同初始條件下，原狀膨脹土比重塑膨脹土的三向膨脹率大，說明原狀膨脹土具有結(jié)構(gòu)性，其膨脹率會較大；在相同水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，R0隨著干密度的增大而增大，證明土樣被壓實后各向異性減弱.

3) 試樣吸水膨脹后水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的方差值符合試驗的要求，說明試樣在吸水膨脹后其內(nèi)部水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本接近，試樣均勻膨脹，證明該縱向滴水增濕方法可行；進(jìn)行膨脹土豎直方向水平放置試驗，驗證了膨脹土吸水膨脹特性與只與擊實方向有關(guān)，而與放置方向無關(guān)，同時也驗證了膨脹土吸水膨脹特性與增濕滴水方向面無關(guān).故所得到的試驗方法可行，儀器所測試數(shù)據(jù)可信，且試驗所得到的規(guī)律與前人研究基本一致.