湘西弱膨脹土的膨脹變形時程特性研究

屈祥

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

膨脹土具有失水收縮開裂、吸水膨脹軟化等特性。膨脹土的變形主要是由內部膨脹礦物如蒙脫石、伊利石等所引起，膨脹礦物吸水時產生明顯的雙電層效應，礦物內部陽離子被水分子代替，晶體間距增大，顆粒間連接減弱，導致膨脹土產生變形。雙電層效應的產生需要一定時間，因而膨脹土吸水變形不是一蹴而就，而是隨時間增加逐漸產生的，膨脹土變形與時間的關系是研究膨脹土變形的重要工具之一。對此已有不少學者進行了研究，提出了相應模型，這些模型大多采用指定荷載的最終膨脹率和膨脹速率作為參數(shù)，研究膨脹土的變形和變形速率是進行模型預測的基礎。湘西張家界—桑植高速公路高路塹膨脹土邊坡，降雨后由于膨脹土的不均勻變形引起不同程度滑坡災害，膨脹土的膨脹變形成為亟待解決的工程問題。該文開展不同初始含水率(8%～16%)下湘西膨脹土無荷載及有荷載膨脹試驗，分析上覆荷載及含水率對膨脹土膨脹變形和膨脹速率的影響，采用負指數(shù)模型對膨脹土膨脹變形時程進行擬合，最后根據(jù)對數(shù)預測模型推導初始膨脹速率計算公式，并與歸一化的應力比建立統(tǒng)一關系，為湘西地區(qū)膨脹土邊坡變形控制提供參考。

1 試驗材料及方法

試驗所用膨脹土取自張家界—桑植高速公路高路塹邊坡表層，土樣多呈棕黃色，部分呈灰綠色，比重為2.65，自由膨脹率為43.6%，其他指標見表1。

表1 膨脹土試樣的基本物理指標

將膨脹土中大塊土通過碎土機碾碎，過1 mm篩，將所得細粒置于烘箱中烘干72 d，隨后按照指定含水率配土(配制時將含水率增大0.5%)。配土完成后裝袋密封靜置48 h，重新測定材料的含水率，若含水率與目標含水率差值超過0.5%，則重新進行配土。將靜置后的土樣按照指定質量采用靜壓法進行碾壓，速率為0.5 mm/min。碾壓完成后采用環(huán)刀取樣，試樣高度為20 mm，直徑為61.8 mm。將試樣用保鮮膜包裹，裝袋后靜置3 d，待內部水分分布均勻后開始試驗。根據(jù)現(xiàn)場取樣結果，該邊坡表層土樣的孔隙比約為0.61，天然含水率為14%，飽和含水率為22.6%。在孔隙比為0.6的條件下開展8%、10%、12%、14%、16%含水率下膨脹試驗，每個含水率設置上覆壓力σv為1 kPa(代表無荷載膨脹，試驗時在托盤上放置重量為10 g的砝碼)、25 kPa、50 kPa、75 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。

2 試驗結果及分析

2.1 膨脹變形隨時間的變化

圖1、圖2分別為不同含水率下湘西膨脹土的膨脹時程曲線和對數(shù)膨脹時程曲線。

圖1 不同含水率w下湘西膨脹土的膨脹時程曲線

圖2 不同含水率w下湘西膨脹土的對數(shù)膨脹時程曲線

從圖1可看出：相同含水率下，以含水率8%為例，無荷載膨脹的試樣在短時間內產生非常大的膨脹變形，隨后迅速達到穩(wěn)定狀態(tài)，說明無荷載條件下水分與膨脹礦物的反應非常迅速，最終能達到的膨脹變形也大于有荷載膨脹試樣；有荷載膨脹下試樣在初始階段的變形低于無荷載膨脹，達到穩(wěn)定變形所需的時間也高于無荷載膨脹。根據(jù)雙電層理論，膨脹土遇水后，水分子進入膨脹土晶體層中，使晶層間的距離增大，離子引力降低，在宏觀上表現(xiàn)為試樣膨脹軟化；施加上覆壓力限制了水分與膨脹礦物的反應速率及膨脹礦物晶層間的相對移動變形。

從圖2可看出：有荷載膨脹下，湘西膨脹土的膨脹時程主要分為初始膨脹區(qū)、主要膨脹區(qū)和次膨脹區(qū)。在初始膨脹區(qū)(1～20 s)，試樣的膨脹變形和變形速率并不顯著，膨脹礦物與水分未完全發(fā)生反應；隨浸水時間增加，水分進入膨脹土晶層內部，試樣變形明顯增長，這一階段為主要膨脹區(qū)；浸水時間進一步增長，水分已與膨脹礦物反應完全，試樣膨脹變形逐漸趨于穩(wěn)定，這一階段為次膨脹區(qū)。無荷載膨脹的時程曲線幾乎不存在初始膨脹階段，而是浸水后迅速產生膨脹變形，在100～200 s時變形進入穩(wěn)定狀態(tài)，即次膨脹區(qū)。對比有荷載膨脹和無荷載膨脹，無荷載膨脹試驗的變形大、速度快。實際邊坡工程中，膨脹土邊坡在降雨后發(fā)生淺層滑坡，原因之一就是邊坡淺層土體受到的上覆壓力小，與水分反應程度高，而深度大的土體變形小，與水分反應的速率慢，導致邊坡產生不均勻變形甚至開裂垮塌。

2.2 膨脹變形與膨脹變形速率的關系

對于膨脹土的變形時程，蔣超等建議采用下式進行擬合：

δ=α(1-e-βt)

(1)

式中：α、β為模型參數(shù)。

圖3為w=8%時膨脹擬合結果。從圖3可看出：無論是在線性坐標還是在對數(shù)坐標中，式(1)均能取得較好的擬合效果，能作為定量分析膨脹土時程曲線的預測模型。

圖3 w=8%時膨脹時程擬合曲線

令t→∞，有δ(t→∞)=α，即參數(shù)α代表試樣的最終變形。參數(shù)α隨上覆壓力的變化見圖4，擬合結果見式(2)。從圖4可看出：不同含水率試樣的最終膨脹變形隨上覆壓力增加呈對數(shù)減小趨勢，試樣最終膨脹變形為零的值即為膨脹力；隨含水率增加，試樣的膨脹力ps逐漸減小。

圖4 不同含水率及上覆壓力下最終膨脹率

α=A+Blnδv

(2)

圖5為w=8%時試樣膨脹速率隨時間的變化，圖6為w=8%時試樣膨脹速率隨膨脹率的變化。從圖5可看出：對于有荷載膨脹，在初始膨脹區(qū)，膨脹速率基本不變，超過初始膨脹區(qū)后膨脹速率迅速降低；而無荷載膨脹10 s后膨脹速率就迅速降低；隨上覆應力增大，試樣的膨脹速率降低。從圖6可看出：試樣膨脹速率開始降低時，不同上覆應力試樣的膨脹變形均已完成95%以上，說明水分進入膨脹土內部后，對于無荷載膨脹，在極短時間內土樣就發(fā)生顯著膨脹；即使對于有荷載膨脹，其完成95%變形所需的時間也較短。因此，在邊坡工程中做好排水防水措施非常重要。

圖5 膨脹速率隨時間的變化

圖6 膨脹速率隨膨脹率的變化

在式(1)中，對時間t求導，得：

(3)

在式(3)中，令t=0，得：

(4)

根據(jù)式(4)，膨脹土變形的初始速率同時由最終變形α和速率參數(shù)β的乘積控制。結合圖5、圖6，初始膨脹速率是表征膨脹土膨脹能力的重要參數(shù)。不同含水率試樣的初始膨脹速率與歸一化上覆壓力的關系見圖7，ps根據(jù)圖4求取。從圖7可看出：不同含水率下，初始膨脹速率隨歸一化上覆壓力增加迅速衰減，衰減曲線可用負指數(shù)表征。歸一化應力比值超過0.2時，初始膨脹速率發(fā)生顯著衰減，說明即使較小的上覆壓力增加也能顯著限制膨脹土的膨脹變形。因此，可以在邊坡表層適當種植樹木或采取其他防護措施,防止邊坡表層土體發(fā)生顯著膨脹變形。

圖7 不同含水率下初始膨脹速率的歸一化曲線

3 結論

通過對湘西膨脹土進行一維有荷載及無荷載膨脹試驗，分析不同含水率下湘西膨脹土的膨脹變形時程及速率特性，得到以下結論：

(1) 對于同一含水率，隨上覆荷載增加，試樣膨脹變形逐漸減小，直到上覆荷載超過某一特征值時，試樣不再發(fā)生膨脹；在同一上覆荷載下，試樣含水率越高，膨脹變形越小。含水率為8%時，試樣的無荷載膨脹率約為14%；含水率為16%，試樣的無荷載膨脹率僅為6%。

(2) 有荷載膨脹下，湘西膨脹土的膨脹時程主要分為初始膨脹區(qū)、主要膨脹區(qū)和次膨脹區(qū)。在初始膨脹區(qū)，試樣的膨脹變形并不顯著；隨浸水時間增加，試樣變形明顯增長，這一階段為主要膨脹區(qū)；浸水時間進一步增長，水分已與膨脹礦物反應完全，試樣膨脹變形逐漸趨于穩(wěn)定，進入次膨脹區(qū)。無荷載膨脹的時程曲線幾乎不存在初始膨脹區(qū)，而是浸水后迅速產生膨脹變形。

(3) 有荷載膨脹下，初始膨脹區(qū)的膨脹速率基本不變，超過初始膨脹區(qū)后膨脹速率迅速降低。而無荷載膨脹僅在10 s后膨脹速率就迅速降低。此外，隨上覆壓力增大，試樣的膨脹速率明顯降低。對于有荷載膨脹與無荷載膨脹，試樣膨脹速率開始降低時，膨脹變形均已完成95%以上。

(4) 不同含水率下初始膨脹速率隨歸一化上覆壓力增加而迅速衰減，衰減曲線可用負指數(shù)表征。歸一化應力比值超過0.2時，初始膨脹速率發(fā)生顯著衰減，即使較小的上覆壓力增加也能顯著限制膨脹土的膨脹變形。