南陽(yáng)膨脹土膨脹特性的試驗(yàn)研究

王志強(qiáng) 趙 祥

(煙臺(tái)金宇巖土有限責(zé)任公司，山東煙臺(tái) 26400)

膨脹土含有大量親水礦物質(zhì)，由于其含水量變化時(shí)有較大體積變化，變形受約束時(shí)產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，故其具有遇水膨脹、崩解、軟化，失水收縮、干裂、硬化等工程特性。膨脹土的危害主要是由其吸水膨脹、失水收縮引起的，當(dāng)土體含水率增加時(shí)其體積發(fā)生膨脹并產(chǎn)生膨脹力，當(dāng)土體失水時(shí)其體積收縮并產(chǎn)生裂縫，不均勻的膨脹收縮會(huì)使土體的強(qiáng)度降低，造成工程坡體失穩(wěn)滑塌等工程災(zāi)害。

膨脹力和脹縮變形的規(guī)律一直是膨脹土研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

1通過試驗(yàn)研究了含水率、干密度、飽和度等膨脹土的物理指標(biāo)對(duì)膨脹特性和抗剪強(qiáng)度參數(shù)c和φ的影響，

參考文獻(xiàn)2討論了膨脹土的干濕循環(huán)對(duì)其變形和強(qiáng)度的影響，

參考文獻(xiàn)3研究了膨脹土的摻灰改性問題。這些研究都取得了一定成果。本文在此基礎(chǔ)上通過試驗(yàn)分析，討論上覆壓力、起始干密度、起始含水率對(duì)土體膨脹特性的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)土樣的物理力學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)土樣取自南水北調(diào)中線工程南陽(yáng)市臥龍區(qū)樁號(hào)101+850～102+550某處，顏色呈褐色，其中混有鈣質(zhì)結(jié)核，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將土樣倒出拌勻并剔除結(jié)核類物質(zhì)，將土樣中的團(tuán)塊狀物質(zhì)盡量搗碎。土樣的物理力學(xué)性質(zhì)見表1，根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》可以判別試驗(yàn)土樣為低液限弱膨脹性黏土。

1.2 擊實(shí)試驗(yàn)

將上述部分土樣過5mm篩，將篩下的土樣攪拌均勻并測(cè)定其風(fēng)干含水率，按《土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行輕型擊實(shí)試驗(yàn)。得到擊實(shí)曲線如圖1所示，最優(yōu)含水率為21.4%，最大干密度為1.65g/cm3。

表1 土樣物理力學(xué)性質(zhì)

圖1 弱膨脹土擊實(shí)曲線

1.3 壓實(shí)土的膨脹率試驗(yàn)

試驗(yàn)采用重塑土，制樣采用質(zhì)量控制法，初始含水率分別按最優(yōu)級(jí)含水量－2%、最優(yōu)級(jí)含水量和最優(yōu)級(jí)含水量+2%的3種含水量備樣，土樣的設(shè)計(jì)壓實(shí)度為90%、93%和96%。需要的濕土質(zhì)量采取以下公式計(jì)算:

式中 λ——土樣的壓實(shí)度;

ρd——土樣干密度，g/cm3;

v——土樣環(huán)刀的體積，cm3;

ω——土樣的含水率，%。

試樣制備:①將碾碎的風(fēng)干土樣過2 mm篩，充分?jǐn)嚢杈鶆?②測(cè)定風(fēng)干含水率，計(jì)算配置19.4%、21.4%和23.4%含水率的土樣所需的加水量;③用噴霧器噴灑預(yù)計(jì)的含水量，然后將攪拌的土樣裝入塑料袋，扎緊袋口后放置于保濕缸內(nèi)靜置24 h以上，以確保土樣水分均勻;④用烘干法量測(cè)土樣的含水量(T=105～110℃，t≥8 h)，按上式計(jì)算制備環(huán)刀土樣所需的質(zhì)量。

對(duì)每種含水率土樣分別按最大干密度的90%、93%和96%制備試樣，進(jìn)行有荷膨脹率試驗(yàn) (最大豎向荷載為100 kPa，應(yīng)大于其膨脹力)。

試驗(yàn)前一天將試樣頂面和底面的透水石放入試樣袋中與試樣一起密封24h，使透水石的含水率與試樣的含水率一致。將環(huán)刀裝入固結(jié)儀中，設(shè)定荷載為6.25kPa、12.5kPa、25kPa、50kPa和100kPa，且最大豎向荷載應(yīng)大于試樣的膨脹力。同時(shí)在試樣周圍塞上濕棉花，防止試驗(yàn)過程中水分的蒸發(fā)，使試樣在不同豎向荷載的作用下固結(jié)穩(wěn)定。在試樣固結(jié)穩(wěn)定后，向固結(jié)儀中加水，使水面高出試樣底面5mm，使試樣在毛細(xì)壓力作用下自由吸水膨脹。當(dāng)兩次讀數(shù)不超過0.01mm時(shí)，可認(rèn)為試樣膨脹 (壓縮)穩(wěn)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 同一壓實(shí)度下不同含水率的有荷膨脹率

壓實(shí)度為90%、93%和96%的三種試樣，分別在不同含水率條件下的有荷膨脹率試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖中可見，在壓實(shí)度和上覆荷載相同的條件下，起始含水率越低的試樣在各級(jí)荷載下產(chǎn)生的膨脹率越大。這是因?yàn)閷?duì)同一種膨脹土，起始含水率越低，越具有相對(duì)較大的膨脹潛勢(shì)，可以產(chǎn)生出較大的膨脹力。因此，相同壓力下，起始含水率越低，膨脹土樣的有荷膨脹率越高。

圖2 同一壓實(shí)度下不同含水率的有荷膨脹率

2.2 同一含水率下不同壓實(shí)度的有荷膨脹率

壓實(shí)度是通過影響土體干密度來影響膨脹土膨脹效應(yīng)的。含水率為19.4%、21.4%和23.4%的三種試樣，分別在三種不同壓實(shí)度下的有荷膨脹率試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 同一含水率下不同壓實(shí)度的有荷膨脹率

從圖3中可以看出，同一含水率情況下，壓實(shí)度越大，土體在同一壓力下的膨脹率越大。這是因?yàn)閴簩?shí)度越大，土體的干密度就越大，相同體積的試樣中伊利石-蒙脫石 (或蒙脫石-伊利石)含量越高，土體的膨脹性能就越強(qiáng)。

2.3 上覆壓力對(duì)土體膨脹性的影響

從圖2和圖3中可以看出:

(1)當(dāng)土樣膨脹力大于上覆荷載時(shí)，土樣產(chǎn)生膨脹，當(dāng)土樣膨脹力小于上覆荷載時(shí)，土樣產(chǎn)生負(fù)膨脹，這兩種變形都應(yīng)在工程設(shè)計(jì)中予以考慮。

(2)土體的膨脹率隨著上覆荷載的增大而減小，說明上覆壓力的施加可以對(duì)總膨脹率起到抑制作用。

3 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明，不同含水率、壓實(shí)度對(duì)土體膨脹率有顯著影響。起始含水率越大，土體膨脹率越小，壓實(shí)度越大，土體膨脹率越大。上覆壓力對(duì)土體的膨脹率有很大的抑制作用，隨著上覆壓力的增大，土體甚至產(chǎn)生負(fù)膨脹。因此，在工程中，可以考慮施加一定的上覆壓力來抑制膨脹土的膨脹。

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