南水北調(diào)中線工程膨脹巖一維膨脹力試驗(yàn)研究

劉靜德，李青云，龔壁衛(wèi)

（長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

1 概 述

膨脹土的黏粒成分主要由黏土礦物蒙脫石與伊利石組成。這類黏土礦物具有同晶置換特性，表面多帶有負(fù)電，具有強(qiáng)親水性；礦物晶格的結(jié)合鍵較弱，水穩(wěn)性較差，水分子可不定量進(jìn)入晶格之間。因而，膨脹土表現(xiàn)出吸水膨脹的特性。

當(dāng)膨脹土吸水膨脹變形受到約束時(shí)，土體必然產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，即膨脹力。根據(jù)《巖土工程基本術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》［1］，膨脹力是在不允許側(cè)向變形下，保持土體充分吸水而不發(fā)生豎向膨脹所需施加的最大壓力值。丁振洲［2］從膨脹土脹縮機(jī)理的角度剖析了膨脹力的概念，并首次進(jìn)行了膨脹土增濕規(guī)律及不同程度脫濕后的膨脹力變化規(guī)律的研究。

《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237－1999）［3］中建議膨脹力在側(cè)限條件下，完全約束豎向變形進(jìn)行測定。采用這種方法進(jìn)行膨脹力試驗(yàn)，試樣的邊界條件與工程中的邊界條件不相符合。不少研究者做了改進(jìn)，謝云［4］等人用三向脹縮儀研究典型膨脹土的三向膨脹力，探討了垂直膨脹力與水平膨脹力的關(guān)系及循環(huán)脹縮條件下膨脹力的變化，以及側(cè)向位移對膨脹力的影響，得出了膨脹力與位移的對數(shù)關(guān)系。而工程中，通常將天然土體作為半無限空間體考慮，即允許天然土體發(fā)生豎向變形，而無側(cè)向變形。南水北調(diào)中線工程中膨脹土填土邊坡就是側(cè)向約束、豎向產(chǎn)生膨脹應(yīng)變的情況，研究豎向膨脹應(yīng)變條件下的膨脹力對于工程分析和安全設(shè)計(jì)有重要意義［5］。

本文通過改變豎向變形約束條件的膨脹力試驗(yàn)，研究了不同含水量和干密度的重塑膨脹土膨脹力變化規(guī)律及膨脹力－膨脹應(yīng)變的相互關(guān)系，并擬合出膨脹力的回歸分析式。

2 試驗(yàn)研究方法

2．1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)土樣采用南水北調(diào)中線河北邯鄲渠段的強(qiáng)膨脹土，天然土樣基本物性指標(biāo)見表1。室內(nèi)重型擊實(shí)結(jié)果見圖1，重型擊實(shí)最優(yōu)含水量為19．9%，相應(yīng)最大干密度為1．683 g／cm3。

表1 土樣物性指標(biāo)表Table 1 The physical characteristic indexes of a soil sample

圖1 河北邯鄲強(qiáng)膨脹土擊實(shí)曲線Fig．1 Dry densitywater content curve for the 4．5 kg test for Handan expansive clay

一維膨脹力試驗(yàn)在三聯(lián)中低壓固結(jié)儀上采用平衡加壓法進(jìn)行，共16組，試驗(yàn)方案見表2。

表2 試驗(yàn)方案Table 2 Test schemes

2．2 試驗(yàn)步驟

將土樣風(fēng)干，人工碾碎后過2 mm的篩，測定其風(fēng)干含水量，根據(jù)試驗(yàn)要求制備含水量14%，17%，20%與23%的土樣。

制備好設(shè)計(jì)含水量的土樣后，按照設(shè)計(jì)干密度制備直徑6．18 cm、高2 cm的試樣，每組4個(gè)，共計(jì)64個(gè)。

依照膨脹力試驗(yàn)規(guī)程（土工試驗(yàn)規(guī)程SL237－1999）進(jìn)行膨脹力試驗(yàn)，對于部分膨脹應(yīng)變的試驗(yàn)組，試驗(yàn)開始后使試樣浸水，當(dāng)膨脹量達(dá)到指定膨脹量時(shí)開始施加平衡荷載。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3．1 不同變形條件下膨脹力規(guī)律研究

通過不同變形約束條件的膨脹力試驗(yàn)，可以研究膨脹力隨膨脹應(yīng)變變化規(guī)律。試驗(yàn)中，完全約束豎向變形的膨脹力為最大膨脹力；改變豎向位移量，試樣進(jìn)水穩(wěn)定時(shí)的膨脹力為該膨脹應(yīng)變對應(yīng)的膨脹力，試驗(yàn)測得的膨脹力結(jié)果見表3。

表3 膨脹力試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of swelling pressure test

由表3可以看出，豎向變形的略微增加會(huì)導(dǎo)致膨脹力的急劇減?。簭耐耆s束到試樣發(fā)生1%的膨脹應(yīng)變，膨脹力最大降低150 kPa，當(dāng)膨脹應(yīng)變達(dá)到3%時(shí)，膨脹力最大降低超過400 kPa。

圖2 不同干密度lg P eε關(guān)系及回歸分析Fig．2 lg P eεrelationships and the regression analyses for different dry densities

分析表3膨脹力試驗(yàn)結(jié)果，隨著應(yīng)變增加，膨脹力衰減速度減小，從完全約束到發(fā)生1%膨脹應(yīng)變，膨脹力衰減11%～24．4%；膨脹應(yīng)變從2%增加到3%的過程中，膨脹力衰減幅度為10% ～17．2%。而且，相同膨脹應(yīng)變條件下，在最優(yōu)含水量（19．9%）附近，即含水量20%的試樣膨脹力衰減比例最大。

以對數(shù)膨脹力lg Peε為縱坐標(biāo)，膨脹應(yīng)變?chǔ)艦闄M坐標(biāo)繪制lg Peε曲線，并進(jìn)行回歸分析，見圖2。

由圖2知，對數(shù)膨脹力與豎向膨脹應(yīng)變線性相關(guān)，其回歸分析式可表達(dá)為

式（1）中回歸系數(shù)A，B與干密度和初始含水量相關(guān)，隨著干密度的增加，A，B線性增大；隨著含水量的增加，A增大，B減小。

3．2 不同初始含水量膨脹力規(guī)律研究

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，研究各膨脹應(yīng)變時(shí)膨脹力與初始含水量變化規(guī)律，圖3為膨脹力初始含水量曲線。

由圖3可知，膨脹力隨初始含水量的增加而降低，而膨脹力隨初始含水量變化趨勢與干密度和變形條件相關(guān)。當(dāng)變形條件一定時(shí)，若干密度較大（ρ＝1．60 g／cm3或1．65 g／cm3），初始含水量小于最優(yōu)含水量時(shí)，膨脹力降低較慢，初始含水量大于最優(yōu)含水量時(shí)，膨脹力降低較快，二者成指數(shù)關(guān)系；隨著干密度減小，二者關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性關(guān)系，當(dāng)干密度減小到一定程度時(shí)，二者再次轉(zhuǎn)化為指數(shù)關(guān)系，但初始含水量小于最優(yōu)含水量時(shí)膨脹力降低較快。

3．3 不同干密度膨脹力變化規(guī)律研究

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制最大膨脹力與干密度的關(guān)系如圖4，由圖可知膨脹力隨干密度增加而增大，二者指數(shù)關(guān)系良好，干密度增加初期，膨脹力變化較小，當(dāng)干密度從1．60 g／cm3增加到1．65 g／cm3時(shí)，膨脹力增加顯著。允許發(fā)生膨脹變形時(shí)，膨脹力干密度變化也呈此規(guī)律。

4 重塑膨脹土膨脹力變化規(guī)律綜合研究

由試驗(yàn)成果分析知，重塑膨脹土膨脹力變化規(guī)律與干密度、含水量及變形條件相關(guān)。重塑膨脹土膨脹力與干密度成指數(shù)關(guān)系，與含水量也成指數(shù)關(guān)系。根據(jù)不同應(yīng)變條件下膨脹力變化規(guī)律分析知，對數(shù)膨脹力與應(yīng)變成線性關(guān)系，二者的回歸分析式如式（1），即 lg Pe＝Aε＋B，回歸系數(shù) A，B與干密度和初始含水量相關(guān)，隨著干密度的增加，A，B線性增大；隨著含水量的增加，A增大，B減小。由此可見，3．2與3．3節(jié)中干密度與含水量對膨脹力的影響與3．1節(jié)中的結(jié)論相一致，說明了試驗(yàn)結(jié)論的合理性。

采用多元回歸分析，可以得到膨脹力的擬合式，見式（2）：

式（2）為膨脹力隨應(yīng)變、干密度、含水量變化規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，由此式可以估算膨脹土膨脹力，為工程設(shè)計(jì)分析提供參考。

圖3 不同初始含水量P ew曲線Fig．3 P ew curves for different initialwater content

圖4 最大膨脹力干密度關(guān)系Fig．4 The relationship betweenmaximum swelling force and dry density

5 結(jié) 論

（1）重塑膨脹土浸水時(shí)膨脹力與初始含水量、干密度成指數(shù)關(guān)系，隨初始含水量增加而降低，隨干密度增加而增大。

（2）位移邊界條件對膨脹力影響顯著，微小的變形會(huì)引起膨脹力的大幅減小，隨著變形的增加，膨脹力減小趨勢變緩，膨脹力與膨脹應(yīng)變成指數(shù)關(guān)系。

（3）運(yùn)用多元線性回歸分析，得出膨脹力的回歸分析式，為南水北調(diào)工程應(yīng)用提供參考。

［1］GB／T 50279 98，巖土工程基本術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)［S］．

［2］ 丁振洲，鄭穎人．膨脹力概念及其增濕規(guī)律試驗(yàn)研究［J］．工業(yè)建筑，2006，36（3）：67－70．

［3］SL237 1999，土工試驗(yàn)規(guī)程［S］．

［4］ 謝 云，陳正漢，孫樹國，等．重塑膨脹土三向膨脹力試驗(yàn)研究［J］．巖土力學(xué)，2007，28（8）：1636－1642．

［5］ 徐永福，史春樂．膨脹土強(qiáng)度特性［J］．長江科學(xué)院院報(bào)，1997，14（1）：38－41．