南寧灰白重塑膨脹土三向膨脹室內試驗研究

譚 波,徐 良,李亞奇

(1.桂林理工大學廣西巖土力學與工程重點實驗室,桂林 541004；2.桂林理工大學土木與建筑工程學院,桂林 541004)

膨脹土邊坡失穩分析有別于一般黏土[1-2],其特點是不能僅從滑體強度不足來考慮。包承綱[3]、程展林等[4]通過室內試驗和模型試驗,認為膨脹土吸水膨脹造成坡體內水平應力增加從而使得坡體有更大的下滑趨勢。目前對于膨脹土脹縮特性的研究大多開展一維固結條件下的試驗,獲得的是一維有側限的豎向脹縮規律[5-8],適用于地基工程分析,而對于具有臨空面的坡體變形分析則無法提供側向膨脹規律,且研究表明,膨脹土橫、豎向膨脹規律差異明顯。

通過改進原有的儀器或研制新儀器,中外專家學者開展了膨脹土三向脹縮試驗[9-12]。劉祖德等[13]最早采用改裝后的應力控制式三軸儀進行了不同壓力條件下三向膨脹試驗。Avsar等[14]研制了一種針對圓柱形試樣的三向膨脹儀,探討了安哥拉膨脹土的膨脹各向異性。張銳等[15]以常規單軸固結儀為基礎,研制了用來測側向膨脹力的試驗裝置。研究了廣西隆百高速公路附近膨脹土側向膨脹力及其對重力式擋墻的作用。以上試驗所采用的是非立方體試樣,實際上是開展了兩向膨脹試驗。張穎均[16]最早研制出了針對立方體膨脹土試樣的三向脹縮儀,發現原狀土的水平膨脹力與豎向膨脹力的平均比值是0.49,而擊實土的豎直膨脹力與水平向膨脹力平均比值約為0.65；之后,謝云等[17]、秦冰等[18]也改進了該儀器,并擴大了其膨脹力的量測范圍,進行了一系列不同初始吸力和不同干密度的三向膨脹力試驗。但該儀器測力等壓梁施加力的大小會隨著膨脹土的變形而變化,從而不能穩定的測力,需要在過程中不斷地調整。王海龍等[11]采用自制的巖土三向膨脹力測量儀進行試驗,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；池澤成等[19]采用中科院武漢巖土所研制的三向脹縮儀。研究了合肥重塑膨脹土,獲得了不同初始含水率與干密度的三向膨脹力。

在前人的基礎上,研制了針對立方體的三向脹縮儀。以廣西南寧灰白膨脹土為研究對象,開展了不同條件下的三向膨脹率和膨脹力試驗,揭示了干密度、初始含水率和外部荷載對于膨脹率和膨脹力的影響規律,以期為膨脹土邊坡分析提供理論參考。

1 試驗方法

1.1 三向脹縮儀

在前人的基礎上,研制了膨脹土三向脹縮儀。該儀器是一種可以對正方體土樣(制樣尺寸為2.5 cm×2.5 cm×2.5 cm)施加三向荷載,并能夠測試三向脹縮變形和三向膨脹力的裝置(圖1)。儀器通過堆載盤、傳導裝置與施壓板施加三向荷載,3個百分表測試膨脹變形,3個測力環測試膨脹力,采用豎向滴水的方式進行增濕。

1.2 土樣和制樣方法

所取南寧灰白膨脹土位于南寧在建的城市道路渠道邊坡處,處于地面以下3～5 m。南寧灰白膨脹土的主要物理指標見表1。根據中國現有的判別方法,該膨脹土為中等膨脹勢。

表1 南寧灰白膨脹土主要物理指標Table 1 Main physical indexes of Nanning gray white expansive soil

取一定量的土樣,錘碎后過0.5 mm的篩進行篩分,放置于105 ℃的烘箱中烘至8 h以上,根據試驗要求配置出不同含水率的土樣,并且裝入塑料袋悶置24 h,之后取塑料袋中3個不同位置處的土樣測其含水率,要求誤差不超過2%[20]。采用重塑土制備器制樣，如圖2(a)、圖2(b)所示,該儀器通過底座平臺和成土框成土；通過自由下落的4 kg重錘施力從而使土能夠分3層壓實；直接旋轉螺栓可使螺桿頂著推土板從而推出取得土樣。制成的土樣6個面表面均平整無破損,且長度誤差不超過0.2 mm,則為滿足要求的試樣。制好土樣如圖2(c)所示。

1為水平擋板；2為集水底座；3為施壓板；4為傳壓框；5為水平導軌；6為滑輪；7為百分表；8為量力環；9為吊鉤；10為堆載盤；11為工作平臺；12為旋轉螺栓；13為儲水容器；14為支撐架；15為輸水管；16為閥門；17為滴水板；18為透水石；19為尼龍繩圖1 三向脹縮儀結構Fig.1 Three-way expansion instrument

1為底座平臺；2為成土框等裝置；3為重錘；4為擊實小錘；5為導桿；6為導桿固定框；7為旋轉螺栓；8為螺桿；9為土樣尺寸控制器；10為推土板圖2 重塑土制備器及重塑土試樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of remolded soil preparation device and remolded soil sample

1.3 試驗方案

1.3.1 無荷三向膨脹率試驗

試驗三向荷載為0,測試膨脹土的三向自由膨脹數據。

(1)初始含水率不變,干密度改變的膨脹率試驗。土樣初始含水率為13.55%,采用自制的膨脹土三向脹縮儀通過不同的擊實工配置出1.65、1.70、1.75、1.80 g/cm34個不同干密度的土樣。探究不同干密度與膨脹率的關系以及不同干密度與橫豎向膨脹率的關系。

(2)干密度不變,初始含水率改變的膨脹率試驗。土樣干密度為1.70 g/cm3,配制出11.10%、13.55%、16.55%、18.70% 4個不同含水率的土樣。探究初始含水率與膨脹率的關系以及不同初始含水率與橫豎向膨脹率的關系。

1.3.2 一向加荷膨脹率試驗

試驗采用兩向荷載為0,一向變壓的施荷方式。施荷的方式為:在豎向施加荷載,其余方向荷載為0,荷載等級為5、30、55、80 kPa。測試得到三向膨脹率,分析單向荷載對于三向膨脹率的影響規律。

1.3.3 三向等壓膨脹力試驗

采用平衡加壓法測試三向膨脹力,先通過量力環施加5 kPa的初始壓力使試樣與壓力板完全接觸,然后對試樣滴水增濕使其膨脹,整個試驗過程中不斷調整3個方向量力環后的旋鈕以施加反力壓縮試樣使其3個方向的膨脹量始終為0,當試樣吸水不再發生膨脹時,此時量力環的讀數即為膨脹力大小。

(1)初始含水率不變,干密度改變的膨脹力試驗。土樣初始含水率為15.40%,采用自制的膨脹土三向脹縮儀通過不同的擊實次數制成1.65、1.70、1.75、1.80 g/cm34個不同干密度的土樣。探究不同干密度與三向膨脹力的關系以及不同干密度與橫豎向膨脹力之比的關系。

(2)干密度不變,初始含水率改變的膨脹力試驗。土樣干密度為1.70g/cm3,制成11.10%、13.55%、16.55%、18.70% 4個不同含水率的土樣。探究初始含水率與膨脹率的關系以及不同初始含水率與橫豎向膨脹力的關系。

1.3.4 控制橫向變形的橫向膨脹力試驗

本次試驗制作一組試樣,初始含水率為10.6%,初始干密度為1.75 g/cm3,整個試驗過程通過調整3個方向量力環后的旋鈕以施加反力,使得所有試樣豎向膨脹量始終為0,每個試樣水平兩方向控制其膨脹變形分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%…6.0%,測試各試樣在控制橫向變形下的橫向膨脹力。

2 三向膨脹率試驗結果

2.1 初始干密度對三向膨脹率的影響

由表2數據繪出在相同初始含水率條件下三向膨脹率與干密度的關系(圖3)?？梢钥闯?①干密度一定時,兩個水平向膨脹率基本相同,且豎向膨脹率比水平向膨脹率大；②初始含水率相同時,干密度越大,膨脹土三向膨脹率越大,且呈現較好的線性關系，回歸線性式見式(1)。同時由表2數據可以繪出橫豎向膨脹率之比與干密度的關系(圖4)。可以看出，干密度越大,橫、豎向膨脹率之比越趨近于1。可解釋為:由于試樣采用分層擊實法成型,擊樣過程中,對土顆粒水平向和豎直向的作用力不一樣,故顆粒在橫、豎向排列的緊密程度存在差異,這可能是造成膨脹土橫、豎向膨脹差異的原因。且干密度越大,顆粒排列緊密程度越趨同。該結論對于膨脹土填土路堤的膨脹變形差異分析有一定的參考價值。

圖3 干密度與三向膨脹率的關系曲線Fig.3 Relationship curve between dry density and three-dimensional expansion rate

圖4 干密度與橫、豎向膨脹率之比的關系曲線Fig.4 Relationship curve between dry density and horizontal and vertical expansion ratio

表2 不同干密度與三向膨脹率的關系Table 2 Relationship between different dry density and three-way expansion rate

δOi=aρd+b

(1)

式(1)中:a、b為參數;ρd為初始干密度;δOi為三向膨脹率。

2.2 初始含水率對三向膨脹率的影響

依據表3中數據可以繪出在相同初始干密度條件下的三向膨脹率與初始含水率的關系曲線(圖5)?？梢钥闯?干密度相同時,三向膨脹率隨初始含水率的增大而減小,且三向膨脹率與初始含水率之間具有良好的線性關系。回歸線性式見式(2)。這是因為試樣初始含水率越大,其達到極限膨脹后所吸收的水量越少,致使最終膨脹率越小。同時由表3中數據可以繪出橫、豎向膨脹率之比與含水率的關系(圖6)?？梢钥闯?，干密度相同時,橫、豎向膨脹率之比隨著初始含水率的增大而增大。

圖6 橫、豎向膨脹率之比與初始含水率的關系曲線Fig.6 Relationship curve of the ratio of horizontal vertical expansion to rate water content

表3 不同干密度與三向膨脹率的關系Table 3 Relationship between different dry density and three-way expansion rate

圖5 含水率與三向膨脹率的關系曲線Fig.5 Relationship curve between water content and three-way expansion rate

δOi=mW+n

(2)

式(2)中:m、n為參數;W為初始含水率。

2.3 外部荷載對三向膨脹率的影響

由表4中數據可以繪出三向膨脹率隨外加荷載變化的關系曲線(圖7),可以看出,三向膨脹率均與外部荷載呈現出良好的線性對數關系。該結論與固結儀的單向膨脹試驗規律相類似[21-24]。線性對數式見式(3)。外部荷載對于膨脹土吸水膨脹的抑制作用表現為:一方面,土中有效應力相應增大,土顆粒表面的結合水膜變薄,從而阻礙了土中水分的增加；另一方面,土體吸水軟化后外部荷載將對試樣產生壓縮。因此,試樣在外荷抑制吸水膨脹和壓縮的綜合作用下隨荷載的增加,三向膨脹率減小。

表4 不同上覆荷載下三向膨脹率Table 4 Three-way expansion rate under different overlying loads

圖7 三向膨脹率與外加荷載的關系曲線Fig.7 Relationship curve between three-way expansion rate and external load

δOi=ulnP+v

(3)

式(3)中:u、v為參數；P為外部荷載。

3 三向膨脹力試驗結果

3.1 初始干密度對三向膨脹力的影響

由表5中數據繪出在相同初始含水率條件下三向膨脹力與干密度的關系(圖8)?？梢钥闯?①干密度一定時,兩個水平向膨脹力基本相同,且豎向膨脹力比水平向膨脹力大；②初始含水率相同時,干密度越大,膨脹土三向膨脹力越大。同時由表5數據可以繪出橫、豎向膨脹力之比與干密度的關系(圖9)。試驗規律與三向膨脹率規律相同,與池澤成[18]對于合肥膨脹土試驗研究結果基本一致。

表5 不同干密度與三向膨脹力的關系Table 5 Relationship between different dry density and three-dimensional expansion force

圖8 三向膨脹力隨干密度的變化曲線Fig.8 Change curve of three-way expansion force with dry density

圖9 橫、豎向膨脹力之比與干密度的關系曲線Fig.9 Relationship curve between ratio of horizontal and vertical expansion forces and dry density

3.2 初始含水率對三向膨脹力的影響

由表6中數據繪出在相同初始干密度條件下三向膨脹力與初始含水率的關系曲線(圖10)?？梢钥闯?在相同初始干密度條件下三向膨脹力隨初始含水率的增大而減小；三向膨脹力與初始含水率之間具有良好的線性關系。回歸線性式見式(4)。試驗規律與三向膨脹率規律相同。

表6 不同初始含水率與三向膨脹力的關系Table 6 Relationship between different initial water content and three-dimensional expansion force

圖10 三向膨脹力隨初始含水率的變化曲線Fig.10 Change curve of three-way expansion force with initial moisture content

POi=gW+h

(4)

式(4)中:g、h為參數。

3.3 控制橫向變形的橫向膨脹力試驗

由表7繪出橫向膨脹力隨控制橫向膨脹率變化的關系曲線(圖11)可以看出,橫向膨脹力與控制橫向膨脹率呈現出良好的指數關系,指數關系式見式(5)。膨脹土橫向膨脹力隨著控制橫向膨脹率增大而大幅減小,當允許試樣橫向膨脹6%,其膨脹力將降為原來的1/5。這與張銳等[15]在廣西百色膨脹土側向膨脹力隨上覆荷載的變化規律一致。從而可以考慮,實際工程中,在修建膨脹土地區的隧道、涵洞、擋墻等結構物時,可以使用可壓縮的回填料作為膨脹土與支擋結構之間的緩沖層,允許膨脹土吸水后發生一定的變形,從而可以有效降低橫向向膨脹力,以減少膨脹土對于結構物的破壞作用。

圖11 橫向膨脹力與控制橫向膨脹率關系曲線Fig.11 Relationship curve between lateral expansion force and released lateral expansion rate

表7 控制橫向變形的橫向膨脹力Table 7 Lateral expansion force to control lateral deformation

P=cedδ

(5)

式(5)中:c、d為參數；δ為膨脹率；P為橫向變形力。

4 結論

利用三向脹縮儀對南寧灰白重塑膨脹土的脹縮特性進行了研究,通過上述試驗和分析,可以得出以下結論。

(1)在相同初始干密度條件下,三向膨脹率和膨脹力均表現為:兩個水平方向基本一致,豎向大于水平方向；均隨初始含水率的增大而減小,且具有良好的線性關系。因此,在使用膨脹土填筑路堤時,要適當增加含水率,以減小膨脹土膨脹潛勢。

(2)在相同初始含水率條件下,三向膨脹率和膨脹力均表現為:兩個水平方向基本一致,豎向大于水平方向；均隨初始干密度的增大而增大橫、豎向比值均隨干密度的增大越趨近于1。該規律可解釋為:由于試樣采用分層擊實法成型,擊樣過程中,對土顆粒水平向和豎直向的作用力不一樣,故顆粒在橫、豎向排列的緊密程度存在差異,豎向大于橫向,而干密度越大,顆粒橫、豎向排列緊密程度越趨同。

(3)外部荷載對三向膨脹率的影響試驗表明，三向膨脹率均與三向荷載呈對數線性關系,荷載對膨脹具有抑制作用,主要原因是,荷載對土體吸水量的抑制作用和對土體吸水軟化后的壓縮作用,該試驗規律與固結儀上的單向膨脹試驗規律類似。

(4)控制橫向變形的橫向膨脹力試驗表明，橫向膨脹力與控制橫向膨脹率呈良好的指數關系,橫向膨脹力隨著控制橫向膨脹率增大而大幅減小。在實際工程中,允許膨脹土有一定量的橫向膨脹變形,可以有效降低橫向膨脹力,以減少膨脹土對于結構物的破壞作用。