弱膨脹性黏土膨脹力取值試驗(yàn)研究

【摘 要】依托西南地區(qū)某一膨脹土基坑邊坡工程，采用單土樣持續(xù)/斷續(xù)吸水條件下膨脹土含水率-膨脹參數(shù)全過程曲線試驗(yàn)?zāi)M不同降雨工況下的膨脹力測(cè)試。連續(xù)/斷續(xù)吸水試驗(yàn)表明：土體膨脹力隨其含水率的增加先增后減，而后逐漸趨于穩(wěn)定。通過膨脹力以及膨脹率試驗(yàn)結(jié)果分析，擬合提出了膨脹力的簡(jiǎn)明計(jì)算公式：P=αw。

【關(guān)鍵詞】弱膨脹性； 黏土； 膨脹力； 試驗(yàn)研究

【中圖分類號(hào)】TU411.2【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

0 引言

弱膨脹性黏土基坑失穩(wěn)大多發(fā)生在降雨條件下，雨水入滲深度隨時(shí)發(fā)生變化，水穩(wěn)定性差，遇水后迅速崩解軟化、變形、強(qiáng)度衰減，容易造成邊坡失穩(wěn)破壞。對(duì)此，學(xué)者針對(duì)膨脹性黏土遇水后的強(qiáng)度弱化情況展開了研究。申春妮等［1］、劉小文等［2］、孟慶云等［3］分別通過試驗(yàn)對(duì)膨脹性土體的抗剪強(qiáng)度及其受限因素進(jìn)行了測(cè)試。文獻(xiàn)［4-6］認(rèn)為，膨脹性土體的粘聚力與其含水率關(guān)系未成直接線性或非線性關(guān)系，兩者關(guān)系變化復(fù)雜，但是與干密度關(guān)系則直接相關(guān)，近似正比關(guān)系。進(jìn)一步的，衛(wèi)志強(qiáng)將膨脹土風(fēng)化裂隙的因素考慮進(jìn)入強(qiáng)度的評(píng)價(jià)體系中［7］，提出了相應(yīng)的折減計(jì)算公式。然而，工程實(shí)踐當(dāng)中，由于膨脹土內(nèi)部存在的膨脹潛勢(shì)，使得膨脹內(nèi)部隨著含水量的增加而產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，這種應(yīng)力是膨脹土自身產(chǎn)生的，作用于土顆粒之上，對(duì)膨脹土的強(qiáng)度產(chǎn)生何種影響，上述研究中都沒有涉及。

本文依托西南地區(qū)某一膨脹土基坑邊坡工程，采用單土樣持續(xù)/斷續(xù)吸水條件下膨脹土含水率-膨脹參數(shù)全過程曲線試驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)室模擬不同降雨工況下的膨脹力測(cè)試，以期得到單一土樣一系列過程含水率下對(duì)應(yīng)的膨脹力，為實(shí)際工程中膨脹力的確定提供理論依據(jù)。

1 依托工程概況

研究場(chǎng)地位于成都東郊，場(chǎng)地地層從上到下分別為填土、粉質(zhì)黏土，地層年代均為第四系。其中，粉質(zhì)黏土為弱膨脹性土。試驗(yàn)場(chǎng)地巖土組成簡(jiǎn)單巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

2 吸水過程膨脹力試驗(yàn)方案

近年來，不少學(xué)者針對(duì)不同含水率條件下的膨脹力進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，比如，丁振洲［8］提出了自然膨脹力概念。本次采用單土樣持續(xù)/階段吸水條件下膨脹土含水率-膨脹參數(shù)全過程曲線試驗(yàn)裝置，模擬不同降雨工況下的膨脹力測(cè)試。

2.1 連續(xù)吸水過程膨脹力試驗(yàn)

測(cè)力元件為荷重傳感器，通過水箱向試樣供水，量測(cè)水箱中的水量變化得到土樣的吸水量，在試驗(yàn)過程中用攝像頭記錄試樣膨脹力和吸水量的變化情況。試驗(yàn)裝置見圖2。

試驗(yàn)步驟：

（1）標(biāo)定容器中水的重量，容器空腔及管道內(nèi)水的重量分別為m1、m2。

（2）填埋壓實(shí)土體48 h，卸壓后將測(cè)重儀置零。

（3）開始試驗(yàn)，邊加水變測(cè)重M，并實(shí)時(shí)記錄。

（4）加水停止后，靜置4～6 h，開閥排氣并記錄排水量m3，當(dāng)膨脹力的變化量小于0.1 kPa時(shí)，停止試驗(yàn)，拆除裝置，取出土樣測(cè)量含水率。

（5）土樣的吸水量Δm4依照式（1）計(jì)算：

Δm4=M-m3-m1-m2（1）

2.2 斷續(xù)吸水過程膨脹力試驗(yàn)

試驗(yàn)裝置為土樣表面為有孔鋼板，在鋼板表面滴水利用毛細(xì)作用和重力使其滲入土樣內(nèi)部，在試驗(yàn)過程中對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行密封，盡量避免水分的蒸發(fā)；每次給試樣加3 g水，記錄膨脹力變化。試驗(yàn)裝置原理如圖3所示。

試驗(yàn)步驟：

（1）填埋壓實(shí)土體48 h，卸壓后將測(cè)重儀置零。

（2）在有孔板表面滴入3 g水，旋緊密封蓋，整體用塑料膜包裹密封，記錄膨脹力變化情況。

（3）每2 h膨脹力變化量小于0.1 kPa時(shí)，去除塑料膜，打開密封蓋，繼續(xù)加3 g水，密封。直到土樣完全達(dá)到充分吸水狀態(tài)，拆除試驗(yàn)裝置，取出土樣稱量含水率。

（4）根據(jù)式（2）計(jì)算出加水量和土樣的初始狀態(tài)換算出土樣每次加水之后的土樣的含水率：

ω=Δm（1+ω0）md×100+ω0 （2）

式中：ω為含水率；△m為總加水量；md為土樣質(zhì)量；ω0為初始含水率。

3 吸水過程膨脹力變化規(guī)律

采用第2節(jié)吸水過程膨脹力試驗(yàn)測(cè)試不同土體初始含水率膨脹性黏土（試驗(yàn)含水率變化范圍為5%～25%）在連續(xù)/斷續(xù)吸水過程膨脹力變化規(guī)律，土樣取自第1節(jié)所述工程。

3.1 連續(xù)吸水過程膨脹力變化規(guī)律

3.1.1 膨脹力隨時(shí)間的變化關(guān)系

圖4為膨脹土試驗(yàn)不同狀態(tài)含水率w-膨脹力P曲線。

從圖4中可見，初始吸水時(shí)，土體膨脹力瞬間變大，這一現(xiàn)象在土體初始含水率越低的工況下，增大的情況越明顯。但無論土體初始含水率含量多少，土體整個(gè)吸水膨脹過程都是先增后減，然后區(qū)域穩(wěn)定變化。

3.1.2 膨脹力隨吸水量的變化關(guān)系

圖5是膨脹力隨吸水量的變化曲線。

建筑設(shè)備與建筑材料李雪梅： 弱膨脹性黏土膨脹力取值試驗(yàn)研究

圖5可見，初始吸水時(shí)，土體膨脹力變化相對(duì)較小，但隨著吸水量增大，土體膨脹力在某一含水率時(shí)會(huì)瞬間增大。這一瞬間增大點(diǎn)與土體初始含水率成反比。對(duì)于成都地區(qū)的典型膨脹土體來說，值得說明的是，其在吸水膨脹過程中，尤其是含水率在15%左右時(shí)，膨脹力增加是波動(dòng)增大大。

3.2 斷續(xù)吸水過程膨脹力變化規(guī)律

3.2.1 膨脹力隨時(shí)間的變化關(guān)系

圖6是斷續(xù)吸水試驗(yàn)中膨脹力隨時(shí)間的變化曲線。

圖6可見，土體的含水率越低，其遇水后膨脹力的瞬間釋放力越大，達(dá)到峰值的時(shí)間越短，取樣穩(wěn)定的時(shí)間越短，即含水率含膨脹力成正比，與瞬間釋放強(qiáng)度成反比。

3.2.2 膨脹力與階段含水率關(guān)系

在試驗(yàn)過程中的每次加水之后的穩(wěn)定狀態(tài)的膨脹力結(jié)果如圖7所示。

圖7可見，低含水率時(shí)（w=15%），隨著含水率的增加膨脹力先增加，達(dá)到峰值后開始減小，對(duì)于高含水率的土樣，膨脹力隨著吸水量的增加而增大，不發(fā)生衰減。

4 膨脹力取值方法討論

上節(jié)討論了連續(xù)/斷續(xù)吸水過程膨脹力的變化規(guī)律，常規(guī)膨脹力試驗(yàn)探討成都膨脹土初始含水率為7.36%、11.28%、12.93%、13.57%、15.87%、16.15%、19.30%、19.47%、21.98%、22.40%、24.59%、25.50%、28.00%、28.85%、30.77%，結(jié)果顯示膨脹力與含水率兩種關(guān)系為：p=81.45e-0.1w。

對(duì)比分析上述四種試驗(yàn)數(shù)據(jù)（圖8），可得：膨脹力增量與含水率增量的成正比，兩者關(guān)系可表述為P=αw（α為曲線斜率）并且可由斷續(xù)吸水膨脹力試驗(yàn)曲線來確定相關(guān)參數(shù)，計(jì)算公式見式（3）。

P=6.4αw（3）

5 結(jié)論

弱膨脹性黏土基坑失穩(wěn)大多發(fā)生在降雨條件下，其遇水后迅速崩解軟化、變形、強(qiáng)度衰減，易造成邊坡失穩(wěn)破壞。本文依托西南地區(qū)某一膨脹土基坑邊坡工程，采用單土樣持續(xù)/斷續(xù)吸水條件下膨脹土含水率-膨脹參數(shù)全過程曲線試驗(yàn)?zāi)M不同降雨工況下的膨脹力測(cè)試。研究結(jié)果表明：

（1）連續(xù)吸水試驗(yàn)表明：初始吸水時(shí)，土體膨脹力瞬間變大，這一現(xiàn)象在土體初始含水率越低的工況下，增大的情況越

明顯。但無論土體初始含水率含量多少，土體整個(gè)吸水膨脹過程都是先增后減，然后區(qū)域穩(wěn)定變化。

（2）斷續(xù)系數(shù)試驗(yàn)表明：土體的含水率越低，其遇水后膨脹力的瞬間釋放力越大，達(dá)到峰值的時(shí)間越短，取樣穩(wěn)定的時(shí)間越短，即含水率含膨脹力成正比，與瞬間釋放強(qiáng)度成反比。

（3）通過膨脹力以及膨脹率試驗(yàn)結(jié)果分析，擬合提出了膨脹力的簡(jiǎn)明計(jì)算公式：P=αw。

參考文獻(xiàn)

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［作者簡(jiǎn)介］李雪梅（1989—），女，碩士，講師，主要從事水力學(xué)、水工建筑物等教學(xué)及科研工作。