路基膨脹土干濕循環效應的試驗分析

趙昌昌

(新疆交通建設集團股份有限公司，烏魯木齊 830000)

1 引言

膨脹土最主要的工程特性即為反復的脹縮特性：吸水時膨脹軟化、失水時收縮開裂，尤其是在反復的干濕循環下，由于含水量的波動，土體發生反復脹縮，對道路的安全具有極大危害；研究通過室內試驗， 對路基土所經歷的反復干濕進行模擬，繼而對不同干濕循環次數下的各項脹縮指標進行測定， 探究脹縮指標隨干濕循環次數的變化規律，為膨脹土的治理提供參考[1]。

在實際工程中， 膨脹土造成的破壞具有多發性、反復性和長期性的特點[2-3]。 為弄清膨脹土的成災機理，建立合理的理論模型，許多研究者進行了原位觀測并取得了較好的成果：吳宏偉和包承綱等對膨脹土邊坡進行了人工降雨試驗和原位綜合監測，分析了膨脹土邊坡在降雨入滲條件下的影響機理；劉特洪對南水北調工程中膨脹土渠坡進行了長期綜合觀測，為工程設計和穩定性預報方法提供重要的參考[4]；劉義虎等[5]通過8 組膨脹土路基模型試驗研究了路基干濕循環后的破壞形式和機理，得出不同干濕循環的循環順序對膨脹土路基的破壞作用不同，他們的研究成果均合理地反映了膨脹土邊坡漸近式的破壞模式[6]。

2 試驗方法

無荷膨脹率是指試樣在有側限、無豎向約束的條件下充分吸水膨脹后，試樣的垂直膨脹量與初始高度的百分比。 無荷膨脹率的大小可以直接反映出膨脹潛勢的強弱，因此，通過對干濕循環后試樣的無荷膨脹率進行測定，可以充分掌握改良后試樣的膨脹潛勢隨干濕循環次數的變化規律。

無荷膨脹率試樣采用千斤頂靜壓制備， 本研究中無荷膨脹率采用WZ-2 型膨脹儀進行測定。試驗前將透水石烘干， 再埋置于試驗土樣中1 h，以減小初始含水率對無荷膨脹率及膨脹時程的影響；為避免濾紙變形而影響試驗結果，在試驗過程中試樣的上下表面不放置濾紙。 參照規范要求，將試樣置于膨脹儀后，往膨脹儀中注入蒸餾水，按規定的時間間隔讀取試樣的膨脹量， 直至膨脹變形達到穩定。

第i 次干濕循環后試樣的無荷膨脹率及相對膨脹率δe的定義如下：

式中：Hi為第i 次干濕循環后試樣的高度（mm）；Hi-1為第1-i 次干濕循環后試樣的高度（mm）；H0為試樣的初始高度（mm）。

3 試驗結果分析

3.1 干濕循環效應對無荷膨脹率的影響

經過一系列的室內試驗，不同干濕循環次數下試樣的無荷膨脹率如表1 所示。

表1 無荷膨脹率試驗結果

根據表1 所示的試驗結果， 可以得到試樣的無荷膨脹率與干濕循環次數間的關系曲線，如圖1所示。

圖1 無荷膨脹率與干濕次數間的關系曲線

由圖1 可以看出， 在反復的干濕交替之下，試樣的無荷膨脹率出現了大幅降低，但在第1 次干濕后，無荷膨脹率曲線變化較為平緩，降低并不明顯：未摻風化砂時，無荷膨脹率降低了0.18%，而摻入10%～50%風化砂的試樣，無荷膨脹率則分別降低了0.21%、0.29%、0.5%、0.71%和0.86%，與總降低量相比，降低幅度均在20%以內。 在無荷膨脹率第1 次降低時，可以發現膨脹率的降低幅度隨著風化砂摻入比例的增加在逐漸增大， 在50%的風化砂摻量下， 膨脹率的降低量達到了未摻風化砂時的4.78倍。 這是因為摻入風化砂后，試樣的滲透系數增大，孔隙率增加，更加有利于外界水的進出，在干濕過程中，膨脹性礦物流失量增大，因此造成了降低幅度的逐漸增大。 試樣的無荷膨脹率在干濕2～3 次的過程中降低得尤為明顯，0～50%的風化砂摻量下，無荷膨脹率的降低幅度達到了70%以上，在試驗過程中亦發現，試樣表面裂隙的發育程度也是在這一階段達到頂峰，此時膨脹性礦物大量流失，土體的結構損傷加劇，大的土團粒也出現分解，結合水膜變薄，膨脹潛勢變小。 通過試驗數據也可以發現，在此階段內，不同的風化砂摻量下的無荷膨脹率降低幅度沒有出現較大的差異，均在70%～80%間變動，即此時無荷膨脹率的降低幅度與風化砂摻入的多少沒有太大的關聯。在經過4～5 次的干濕交替后，試樣的無荷膨脹率降低量較小，基本上都在0.6%以內，因此可認為已趨于穩定。 此階段內，風化砂摻量越大，無荷膨脹率的變化越穩定：未摻風化砂時，無荷膨脹率降低了0.53%，而摻砂50%時，僅降低了0.03%。

從圖2 中可以發現， 在相同的干濕循環次數下，摻入風化砂后，試樣的無荷膨脹率呈直線降低，摻入50%的風化砂進行改良后，相對于原裝膨脹土而言，無荷膨脹率的降低幅度均在25%以上。

圖2 無荷膨脹率與風化砂摻量的關系曲線

3.2 干濕循環效應對終止吸水量的影響

在試樣經過干濕循環后，由于外界水反復的進出，造成了裂隙發育、結構損壞和膨脹性礦物流失，因此當達到膨脹變形穩定時，試樣所吸收的水量必然要發生變化，然而由于膨脹土對含水量變化極為敏感，土體含水率極小的波動就會引起強度、脹縮等一系列指標發生變化。 據此對不同干濕循環次數下試樣在膨脹穩定時的吸水量做出定量分析，試驗結果如圖3 所示。

圖3 終止吸水量的變化曲線

由圖3 可以發現，在干濕循環效應下，試樣終止含水率的變化情況與無荷膨脹率的變化情況基本一致：在干濕1 次時，終止吸水量變化不大；干濕2～3 次時，終止吸水量發生了大幅度降低；干濕4～5次后，終止吸水量趨于穩定，可見膨脹性礦物的含量與試樣的吸水能力有著很大的關系。

3.3 干濕循環效應對膨脹時程的影響

為分析試樣在經過不同的干濕循環次數后膨脹變形的發展規律，在試驗過程中記錄下試樣膨脹量的增長情況， 如圖4～6 所示 （僅以摻風化砂0、30%和50%的試樣為例）。

圖4 膨脹時程曲線（摻砂0%）

圖5 膨脹時程曲線（摻砂30%）

圖6 膨脹時程曲線（摻砂50%）

通過分析不同風化砂摻量、不同干濕循環次數下的膨脹時程曲線可以發現， 在同一風化砂摻量下，干濕循環次數越大，試樣膨脹變形達到穩定所需要的時間越短，以摻砂30%時為例，干濕0 次時，需要80 h 試樣的膨脹變形才穩定，但干濕5 次后，只需30 h，試樣的膨脹變形即達到穩定。

試樣的膨脹時程曲線可分為3 個不同的階段：一是快速增長階段。 此階段發生在試樣開始浸水后的數小時內， 此時試樣的膨脹變形增長得十分迅速，對比不同干濕循環次數下的膨脹時程曲線可以發現， 干濕循環1 次后試樣的膨脹量增長速度最大，且當風化砂摻量越大時，這種現象越明顯。 這是因為經過初次干濕后，試樣即出現裂隙，加快了外界水進入試樣內部的速度， 同時由于土團粒的分解，土顆粒間的作用力減弱，約束變形的能力降低；通過上文的分析可知，試樣干濕1 次后的依然具有較大的膨脹潛勢，但隨著干濕的繼續進行，膨脹潛勢迅速降低，因此干濕循環1 次后試樣的膨脹變形增長速度最大。二是減速增長階段。在此階段內，試樣膨脹變形的增長速度逐漸放緩。 三是膨脹穩定階段。 此時的膨脹時程曲線基本與浸水時間軸平行，試樣的膨脹變形達到了穩定。

3.4 干濕循環效應對風化砂改良膨脹土有荷膨脹率的影響及公式的建立

在實際情況下，路基土承受著路面結構層的重量、車輛荷載等上覆荷重，因此膨脹土路基發生的膨脹是在一定的上覆荷重下發生的，為了能夠較為真實地反映干濕循環后風化砂改良膨脹土路基在一定的上覆荷重下膨脹性的強弱，本小節針對干濕循環后試樣的有荷膨脹率這一指標進行測量，結合實際工程經驗及規范要求，試驗過程中的上覆荷重分別選取為25 kPa 和50 kPa。

根據有荷膨脹率的試驗結果，在25 kPa 和50 kPa的上覆荷重下，對有荷膨脹率δap與干濕循環次數i間的關系曲線進行擬合分析，建立δap與i 間的函數關系式，擬合曲線如圖7、8 所示。

圖7 有荷膨脹率與干濕次數間的擬合曲線（25 kPa）

圖8 有荷膨脹率與干濕次數間的擬合曲線（50 kPa）

可以看出， 無論是在25 kPa 下還是在50 kPa下，有荷膨脹率δap與干濕循環次數i 間的關系均可用二次函數進行描述：

式中：A，B，C 為受風化砂摻量影響的系數，不同風化砂摻量下A，B，C 的取值及擬合后的相關系數R2 如表2～3 所示。

表3 50 kPa 下的擬合參數

采用二次函數可以對有荷膨脹率δap與干濕循環次數i 進行較好的擬合， 相關系數均在0.94以上。

4 結論

（1）隨著干濕次數的增加，試樣的無荷膨脹率逐漸降低，在第1 次干濕后，無荷膨脹率的降低幅度較小，在干濕2～3 次的過程中，無荷膨脹率較低幅度較大，達到了70%以上。

（2）在干濕循環效應下，試樣終止含水率的變化情況與無荷膨脹率的變化情況基本一致。 無荷膨脹的膨脹時程曲線可分為3 個階段，在同一風化砂摻量下，試樣膨脹變形達到穩定的時間隨著干濕次數的增大而縮短。

（3）在經過干濕循環后，試樣的有荷膨脹率呈二次函數的形式降低， 無論是在25 kPa 還是在50 kPa 下，試樣有荷膨脹率達到穩定時所需要的干濕次數隨著風化砂摻量的增加而減小。