湘西膨胀土膨胀变形及膨胀力特性试验研究
时间：2023-03-01 19:40:05 来源：千叶帆 本文已影响人
屈 祥
[上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司长沙分公司， 湖南 长沙 410013]
膨胀土在我国中南、华南、西南等地区广泛分布，具有失水收缩、吸水膨胀的变形特性[1-3]，在工程上被归类为特殊土。在这些地区修筑土工构筑物如铁路、公路等将不可避免地遇到地基或边坡变形的问题。随着对膨胀土深入研究，人们已经认识到膨胀土的变形主要是由于内部膨胀矿物如蒙脱石、伊利石等所引起[4-6]，当膨胀矿物吸水时，会产生明显的双电层效应[7]，矿物内部阳离子被水分子代替，晶体间距增大，颗粒间连接减弱，从而导致试样产生变形。双电层效应的产生需要一定时间，因此膨胀土吸水变形也不是一蹴而就的，而是随时间增加而逐渐产生。膨胀土变形与时间的关系常被称为膨胀时程曲线[8]，是研究膨胀土变形的重要工具之一。对于膨胀时程曲线，已经有不少学者进行过研究，提出了相应的模型，在不同模型中，大多都采用了指定荷载的最终膨胀率[9-10]和膨胀速率[11-14]作为模型参数。因此，研究膨胀土的变形和变形速率是进行模型预测的基础。
湖南张桑(张家界至桑植)高速公路沿线边坡分布大多为膨胀土,降雨后边坡表层膨胀土产生吸水膨胀，土层之间的连接减弱，从而常出现浅层边坡垮塌的工程事故。此外，由于膨胀土吸水变形，导致边坡土层的孔隙比增大，进而使其强度降低，少数边坡还出现了大面积垮塌的现象。因此，对该高速公路区域膨胀土的膨胀变形特性进行研究是非常有必要的。
针对这一问题，本文开展了不同初始含水率(w为8%～16%)下湘西膨胀土的无荷及有荷膨胀(σv为25～200 kPa)试验，讨论了上覆荷载及含水率对湘西膨胀土膨胀变形和膨胀速率的影响，提出了湘西膨胀土最终膨胀变形的对数预测模型，并根据对数预测模型，推导了膨胀力的计算公式，并与含水率建立了关系，最终研究结果可为湘西地区膨胀土边坡变形控制提供参考。
以张桑高速公路边坡膨胀土为试验土样，材料表面呈现黄褐色，内部部分呈现灰绿色，基本性质如表1所示，试样相对密度为2.65，自由膨胀率为43.6%，可归类为弱膨胀性土。
表1 膨胀土试样基本物理指标%天然含水率液限塑限自由膨胀率蒙脱石含量20.754.828.143.66.3
此次试验的目的是为了掌握不同含水率和不同上覆应力下湘西膨胀土的膨胀特性，以表征不同气候环境和不同深度膨胀土的膨胀变形，并以此建立含水率和膨胀变形及膨胀力的关系。经现场取样测定，对应表层土样的孔隙比约为0.62，因此在孔隙比为0.6的条件下开展了不同含水率及不同上覆应力的一维膨胀试验，以模拟边坡的实际工作状态。同时，开展了无荷膨胀试验以模拟边坡表层受降雨作用的最大膨胀变形。
由于取样时处于阴雨天气，边坡土体的天然含水率较高，接近饱和含水率(22.6%)，在该含水率下试样的膨胀量很小。而当气候干燥时，边坡土样的含水率较低，为模拟不同气候环境(含水率、饱和度)下膨胀土的膨胀特性，以《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)为参考标准，配制了含水率为8%、10%、12%、14%、16%的压实膨胀土样，对应的饱和度为35%～70%。具体制备方法为：首先将取回材料中的大块部分通过碎土机碾碎，随后过1 mm筛，将所得的细粒置于烘箱中烘干72 d，随后按照指定含水率配土，配制时增加0.5%的含水率。配土完成后装袋密封静置48 h，重新测定材料的含水率，若含水率与目标含水率差值超过0.5%，则重新配土。将静置后的土样按照指定质量进行压样，压样采用静压法，速率为0.5 mm/min，试样为环刀样，高度为20 mm，直径为61.8 mm。压样完成后将试样用保鲜膜包裹，随后装袋静置3 d，待内部水分分布均匀后开始试验。取样边坡高度为20 m，对应的地应力为5～320 kPa，因此每个含水率均分别设置上覆压力为1(代表无荷膨胀，进行时，在托盘上放置重量为10 g的砝码)、25、 50、 75、100、150、200 kPa，共进行了35组试验，结果表明，在200 kPa上覆应力下，所有试样浸水后均产生压缩变形，而非膨胀变形，因此未进行更高上覆应力的膨胀试验。试验在固结仪上进行，利用百分表读数，当试样变形低于0.01 mm/h时，认为膨胀完成，停止试验。
2.1 膨胀变形特性
图1为不同含水率下湘西膨胀土的膨胀时程曲线，由图1可以看出，对于相同含水率，以8%为例，无荷膨胀的试样在短时间内产生非常大的膨胀变形，随后迅速达到稳定状态；
这说明无荷条件下水分与膨胀矿物的反应非常迅速，最终达到的膨胀变形也大于有荷膨胀试样。而有荷膨胀下试样在初始阶段的变形明显低于无荷膨胀，达到稳定变形所需的时间也明显高于无荷膨胀；
这说明上覆荷载限制了水分与膨胀矿物的反应速率，同时还限制了膨胀矿物晶层间的相对移动变形，因此上覆荷载能有效限制湘西膨胀土的膨胀变形。
从图1还可以看出，对于同一含水率，随上覆荷载增加，试样膨胀变形逐渐减小，直到上覆荷载超过某一特征值，试样不再发生膨胀，而是在加水后产生压缩。这一特定的上覆荷载一般被称为膨胀力[14]。在同一上覆荷载下，含水率越高的试样，最终膨胀变形也越小。当含水率为8%，试样的无荷膨胀率约为14%；
而当含水率为16%，试样的无荷膨胀率仅为6%。上覆荷载超过膨胀力时，含
图1 湘西弱膨胀土膨胀时程曲线
水率越高的试样对应的压缩变形也越大，这说明初始含水率越高，膨胀土中可交换的阳离子也越少，因而与水反应的速率和程度也越低。对于含水率为8%的试样，在上覆应力为150 kPa左右才观察到试样产生压缩；
而对于含水率为16%的试样，上覆应力为50 kPa左右就观察到了试样的压缩，说明含水率越高，试样的膨胀力也越低。
图2为不同含水率下湘西膨胀土的最终膨胀变形与上覆应力关系，从图2可以看出，不同含水率下湘西膨胀土的膨胀变形可由对数关系表述：
δ=A+Bln(σv)
(1)
式中：δ为试样的最终膨胀率，A、B为模型参数。令σv=1，即得：
δ(σv=1)=A
(2)
式(2)中参数A代表不同含水率下试样的无荷膨胀率，对式(1)求导，可得：
(3)
在式(3)中，令σv=1，可得：
(4)
式中:B代表不同含水率下试样的最终膨胀变形随上覆应力增加而衰减的初始速率。
图2 最终变形随上覆应力的关系
将A、B值与w的关系列于表2,可得：
表2 A、B值与w的关系w/%ABR2814.68-2.970.991012.1-2.650.99128.88-2.070.99147.97-1.990.99165.96-1.640.99
根据图2与表2的参数结果，随含水率增加，试样对应的A值逐渐减小，而B值逐渐增加，结合式(3)和式(4)可知，含水率越大，试样膨胀变形越小，膨胀速率随压力增大而减小的初始速率越低，从而定量地印证了图1的基本规律。根据结果，将参数A、B与含水率的关系分别绘制出图3和图4。
图3 A与w的关系
图4 B与w的关系
从图3和图4可以看出，A、B与含水率均呈线性关系，具体为：
A=22.98-1.078w
(5)
B=-4.256+0.166w
(6)
需要指出，在式(5)和式(6)中，含水率w是有限制范围的，试样孔隙比为0.6，其饱和含水率可通过式(7)计算
(7)
因此，式(1)～式(6)所预测的含水率范围为0～22.6%，结合式(1)、式(5)和式(6)可得到孔隙比为0.6的湘西膨胀土的膨胀变形预测式为：
δ=(22.98-1.078w)+
(-4.256+0.166w)ln(σv)，
(0≤w≤22.6%)
(8)
式(8)预测的结果如图5所示，从图5可以看出，式(8)的预测结果较好，可以作为不同含水率下湘西膨胀土的膨胀变形预测式。
图5 预测结果与试验结果的对比
2.2 膨胀力特性
参照文献[3]，定义膨胀土加水不产生膨胀和压缩变形对应的上覆压力为膨胀力，那么膨胀力的求取可以从最终变形的关系中求得，在式(1)中，令δ=0,则得到：
(9)
结合式(5)和式(6)，可以推导出膨胀力与含水率的关系：
(10)
式(10)说明，孔隙比为0.6的湘西膨胀土膨胀力与含水率的关系可用负指数的形式表示，随含水率增大，试样膨胀力呈现负指数衰减的形式。式(10)对膨胀力的预测结果如图6所示。从图6可以看出，式(10)取得了较好的预测结果。结合式(1)、式(5)、式(6)和式(10)，可以知道对数模型参数物理含义明确，能够同时表征湘西膨胀土膨胀变形和膨胀力随含水率的变化规律，该模型可为湘西膨胀土膨胀变形预测及控制提供理论参考。
图6 膨胀力与w的关系
从图6还可以看出，湘西膨胀土膨胀力随含水率增加呈指数衰减关系，即土样越干燥，含水率越低，其膨胀变形和膨胀力就越大。需要指出的是，当膨胀土处于干燥状态时，其强度也远高于饱和状态。以张桑高速公路K115～K117区段为例，该高速公路路堑边坡在连续降雨天气下发生了浅层滑坡。其原因一方面是降雨后边坡土体含水率增加，导致强度降低；
另一方面，是边坡表层首先受到降雨作用，且表层所受的约束最小，因此产生的膨胀变形也较大。随深度增加，边坡土体受到的上覆应力也相应增大，与水分反应所需时间也增长，产生的变形和变形速率也降低，从而在边坡表层至底部产生的膨胀变形是不均匀的，这种不均匀变形同样是导致膨胀土边坡失稳滑塌的重要因素之一。在加固膨胀土路堑边坡时，较为重要的一点是做好边坡尤其是坡顶的排水措施，防止雨水入渗，这样既能提高边坡土体的强度，又能限制其膨胀变形。如张桑高速公路K115～K117区段，滑坡后进行了加固处理，在边坡坡顶设置了截水沟，在坡面设置了急流槽，并在坡底设置了排水沟，效果较为显著，截至目前并未观测到滑坡现象再次发生。
通过湘西膨胀土的一维有荷及无荷膨胀试验，分析了不同含水率下湘西膨胀土的膨胀变形及膨胀力特性，得到以下结论：
1)对于同一含水率，随上覆荷载增加，试样膨胀变形逐渐减小，直到上覆荷载超过某一特征值，试样不再发生膨胀。在同一上覆荷载下，含水率越高的试样，最终膨胀变形也越小。当含水率为8%，试样的无荷膨胀率约为14%；
而当含水率为16%，试样的无荷膨胀率仅为6%。
2)上覆荷载超过膨胀力时，含水率越高的试样对应的压缩变形也越大。对于含水率为8%的试样，上覆应力为150 kPa左右才观察到试样产生压缩；
而对于含水率为16%的试样，上覆应力为50kPa左右就观察到了试样的膨胀，说明含水率越高，试样的膨胀力也越低。
3)不同含水率下湘西膨胀土的膨胀变形可由对数关系表述，对数模型参数A表示试样的无荷膨胀率，B表示试样膨胀率随上覆应力增加而衰减的速率，参数A、B与含水率w均呈现线性关系。
4)不同含水率下湘西膨胀土的膨胀力随含水率呈现负指数衰减的关系，且其衰减速率与参数A、B相关，预测结果表明对数模型能够较好地表述湘西膨胀土的膨胀变形和膨胀力随含水率的变化关系。
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