壓實(shí)黏土膨脹與收縮特性試驗(yàn)研究

何 衛(wèi)，陸海軍，吳道楓，廖朱瑋

(武漢工業(yè)學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢 430023)

黏土體在水分浸潤(rùn)作用下產(chǎn)生膨脹，在失水干縮作用下產(chǎn)生干裂，裂縫的存在不僅削弱了土體的完整性，而且為水分的入滲提供了便捷的通道，并導(dǎo)致土體的吸力降低，土體軟化、強(qiáng)度降低。黏性土的干縮開(kāi)裂與其脹縮性密切相關(guān)，脹縮性是導(dǎo)致土體干縮開(kāi)裂的重要內(nèi)在因素。黏性土在干濕循環(huán)作用下引起了脹縮循環(huán)進(jìn)而引起了體積的反復(fù)變化，促使干縮裂縫的發(fā)生和發(fā)展，并使土體的結(jié)構(gòu)發(fā)生松散，為黏性土表層的進(jìn)一步風(fēng)化和干裂創(chuàng)造條件，加速了裂縫的橫向發(fā)育和縱向延伸。

很多學(xué)者在黏土的膨脹變形方面做了大量的試驗(yàn)研究。邵梧敏等［1］研究了膨脹黏土的礦物成分對(duì)其膨脹性的影響。徐永福、龔友平、殷宗澤［2］等對(duì)寧夏地區(qū)的膨脹性黏土進(jìn)行了膨脹變形試驗(yàn)，得到初始含水量、干密度及上覆壓力對(duì)膨脹變形規(guī)律的影響?？娏植⒅贂猿?、殷宗澤等［3］研究了在不同壓力作用下，擊實(shí)膨脹土的膨脹變形與初始含水量和干密度之間的關(guān)系。以上研究主要是針對(duì)土體在不同初始條件和環(huán)境條件下的膨脹試驗(yàn)，而對(duì)相同壓實(shí)密度、不同含水量下的膨脹收縮過(guò)程試驗(yàn)研究較少。膨脹土的膨脹變形與其含水量有著密切的關(guān)系，因此，研究非飽和土膨脹與收縮變形與含水量的變化關(guān)系具有重要意義。

1 壓實(shí)黏土試樣的膨脹收縮試驗(yàn)

試樣為武漢市某地的黏土，土樣經(jīng)過(guò)風(fēng)干破碎研磨過(guò)2 mm篩。黏土基本物理性質(zhì)指標(biāo)和化學(xué)成分分析如表1—2所示。針對(duì)同一壓實(shí)度(ρ=1.65 g/cm3)、不同初始含水率(ω=17%，19%，21%，23%，25%)，同一含水率(ω=21%)、不同的壓實(shí)度(ρ =1.50 g/cm3，1.55 g/cm3，1.60 g/cm3，1.65 g/cm3，1.70 g/cm3)，根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程［4］SL237-025-1999、SL237-026-1999用環(huán)刀制備土樣進(jìn)行膨脹和收縮試驗(yàn)，研究初始含水率、壓實(shí)度對(duì)其膨脹與收縮特性的影響。

表1 黏土的基本物理指標(biāo)

表2 黏土的化學(xué)成分 /%

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 壓實(shí)黏土浸水膨脹試驗(yàn)

本試驗(yàn)進(jìn)行的是無(wú)荷載膨脹試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，需向膨脹儀水盒內(nèi)注入純水，使水自下而上進(jìn)入試樣，并保持水面高出試樣5 mm，記錄注水開(kāi)始時(shí)間，按 5 min，10 min，20 min，30 min，1 h，2 h，3 h，6 h，12 h測(cè)讀百分表讀數(shù)。當(dāng)6 h內(nèi)變形不超過(guò)0.01 mm，可終止試驗(yàn)。特別注意，試樣過(guò)程中水分的蒸發(fā)與黏土的吸水使膨脹儀內(nèi)水量不斷減少，需定時(shí)觀察注水于膨脹儀中。同一壓實(shí)密度、不同初始含水率試樣的浸水膨脹試驗(yàn)，平均軸向膨脹量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖1所示。同一含水率、不同初始?jí)簩?shí)密度試樣的浸水膨脹試驗(yàn)，平均軸向膨脹量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖2所示。

圖1 不同含水率下平均軸向膨脹量隨時(shí)間的變化

試驗(yàn)結(jié)果表明，相同壓實(shí)度情況下，在最優(yōu)含水率之前，土體最終膨脹量隨初始含水率的增大而減小;在大于最優(yōu)含水量時(shí)，土樣的膨脹量隨著初始含水率的增大而增大;在最優(yōu)含水量附近，壓實(shí)黏土的膨脹較為緩慢，并且最終膨脹量最小，膨脹率為18.5%。原因是在該壓實(shí)密度條件下，最優(yōu)含水率條件下能夠保證土體的擊實(shí)效果較為密實(shí)，土體的孔隙體積較小，吸入的水分相應(yīng)較少，故最終膨脹量最小;而其他初始含水率下的壓實(shí)黏土，土體顆粒間的孔隙體積較大，使得膨脹量要大于最優(yōu)含水率下的膨脹量，當(dāng)初始含水率為17%時(shí)，其最終膨脹量最大，最大膨脹量為31.85%;其次初始含水率為19%，最大膨脹率31.6%。原因是初始含水率較小時(shí)，顆粒間的孔隙所含水分較少，大多為空氣所占，加之壓實(shí)密度較大，所以當(dāng)吸水膨脹時(shí)，壓實(shí)黏土內(nèi)的基質(zhì)吸力較大，極易吸收水分膨脹。

圖2 不同壓實(shí)密度下平均軸向膨脹量隨時(shí)間的變化

對(duì)于相同初始含水率條件下，當(dāng)壓實(shí)度為1.50 g/cm3時(shí)，最終膨脹量最小為18.2%，其次是壓實(shí)密度1.65 g/cm3，最終膨脹量是19.1%。由土體的膨脹變形隨時(shí)間而變化曲線(xiàn)(如圖2)還可以看出，膨脹過(guò)程大體上呈近“S”型，大致可分三個(gè)階段解釋。第一階段為吸水膨脹。土體浸水以后，剛開(kāi)始在土體的表層膨脹，基質(zhì)吸力大，吸水速度快，故體積膨脹速率較快;水分在毛細(xì)作用下進(jìn)入土中，土水交界面的面積逐漸擴(kuò)大，由表層的部分膨脹向整體膨脹發(fā)展。第二階段為加速膨脹。隨著土體內(nèi)吸入水量增加，顆粒間的孔隙逐漸被水所填充，致使土的吸力逐漸降低，吸水速度減慢，土體的膨脹速率也開(kāi)始降低。開(kāi)始進(jìn)入第三階段，即緩慢膨脹階段。由于土體中水量的繼續(xù)增加，黏土顆粒間膠結(jié)部分可能因水解而造成土體團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的崩坍。使土體體積增加緩慢，甚至停止膨脹或負(fù)膨脹(即表現(xiàn)為濕陷)［1－3］。

2.2 壓實(shí)黏土失水干縮試驗(yàn)

本試驗(yàn)為壓實(shí)黏土的失水干縮試驗(yàn)，主要測(cè)定壓實(shí)黏土的初始含水率和干密度對(duì)壓實(shí)黏土失水特性指標(biāo)(軸向收縮量、軸向收縮率、徑向收縮率和體積收縮率)的影響。同一壓實(shí)密度、不同初始含水率試樣的失水干縮試驗(yàn)，軸向收縮量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖3所示。同一含水率，不同初始?jí)簩?shí)密度試樣的失水軸向收縮量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖4所示。

圖3 初始含水率對(duì)軸向收縮量的影響

圖4 壓實(shí)密度對(duì)軸向收縮量的影響

試驗(yàn)結(jié)果顯示:從最終收縮情況來(lái)看，對(duì)于相同壓實(shí)密度、不同初始含水率下的失水干縮試驗(yàn)，初始含水率為21%時(shí)，其平均軸向收縮量最小;而初始含水率為23%和25%，其平均軸向收縮量較大。對(duì)于相同初始含水率、不同壓實(shí)度下的失水干縮試驗(yàn)，壓實(shí)度越高，其最終的平均軸向收縮量則越大，當(dāng)壓實(shí)度大于1.65 g/cm3時(shí)，其最大平均軸向收縮量相差不大。

從整個(gè)收縮過(guò)程來(lái)分析壓實(shí)黏土在自然狀態(tài)下的失水干縮:第一階段為快速收縮，此階段的土體含水率低于土體的進(jìn)氣值，孔隙水正常蒸發(fā)，孔隙比的減少量與水的蒸發(fā)量相近，此時(shí)提及的收縮量近似于水的體積，所以軸向收縮量與含水率變化呈線(xiàn)性關(guān)系。第二階段為殘余收縮，隨著水分蒸發(fā)的繼續(xù)，孔隙中自由水逐漸減少，吸附在黏土顆粒上的水化膜逐漸變薄，顆粒之間的聯(lián)接力逐漸增加，使土體結(jié)構(gòu)重排愈加困難，表現(xiàn)為空氣開(kāi)始進(jìn)入土體內(nèi)的孔隙中，原來(lái)水分所占的體積被一部分氣體所占據(jù)，使得土體的收縮較為減緩，土體的收縮量小于水的損失量，故軸向收縮呈現(xiàn)為緩慢的曲線(xiàn)變化。與此同時(shí)，非飽和狀態(tài)下的土體，吸力的發(fā)展增大了土顆粒間的有效應(yīng)力和結(jié)構(gòu)的剛度，使土體的抗變形能力增強(qiáng)。第三階段幾乎停止收縮，即零收縮，此階段土體結(jié)構(gòu)狀態(tài)最為密實(shí)，土體顆粒直接接觸，土體體積不再受到含水率的影響［5－7］。

為了分析整個(gè)收縮過(guò)程與含水率和壓實(shí)度的關(guān)系，對(duì)以上干縮試驗(yàn)的每一種工況從軸向收縮率、徑向收縮率和體積收縮率上進(jìn)行詳細(xì)的分析。對(duì)干縮前后分別對(duì)壓實(shí)土樣的直徑和高度進(jìn)行了測(cè)量，并計(jì)算壓實(shí)試樣失水干縮后的軸向收縮率εa、徑向收縮率 εr、體積收縮率 εv。

式中:εa、εr、εv分別為軸向收縮率、徑向收縮率和體積收縮率;h0和h分別為壓實(shí)黏土試樣的初始高度和干縮后高度，d0和d分別為壓實(shí)黏土試樣的初始直徑和干縮后直徑，V0和V分別為壓實(shí)黏土試樣的初始體積和干縮后體積。壓實(shí)黏土試樣收縮率(軸向收縮率、徑向收縮率和體積收縮率)隨初始含水率的變化關(guān)系如圖5，壓實(shí)黏土試樣收縮率(軸向收縮率、徑向收縮率和體積收縮率)隨壓實(shí)密度的變化關(guān)系如圖6。

圖5 壓實(shí)黏土試樣收縮率隨初始含水率的變化關(guān)系

從圖5可以得出，在相同初始含水率的條件下，壓實(shí)黏土試樣的軸向收縮率εa、徑向收縮率εr、體積收縮率εv均隨初始含水率的增大而減小。如壓實(shí)密度為1.50 g/cm3的壓實(shí)黏土，初始含水率從17%增大到25%，其軸向收縮率、徑向收縮率和體積收縮率分別增大了約1.93倍、2.64倍和2.26倍。

圖6 壓實(shí)黏土試樣收縮率隨壓實(shí)密度的變化關(guān)系

從圖6可以得出，在相同壓實(shí)密度條件下，壓實(shí)黏土試樣的軸向收縮率εa、徑向收縮率εr和體積收縮率εv均隨壓實(shí)密度的增大而呈現(xiàn)線(xiàn)性減小。如初始含水率為17%的壓實(shí)黏土試樣，壓實(shí)密度從1.5 g/cm3增大到 1.7 g/cm3，而軸向收縮率 εa卻從1.7%減小到1.31%，徑向收縮率 εr從 1.58%減小到 1.27%，體積收縮率 εv從4.8%減小到 3.8%，由此得出，徑向收縮率的變化不如軸向收縮率的變化明顯。軸向收縮率εa和徑向收縮率εr存有明顯的差異，說(shuō)明試樣在軸向收縮和徑向收縮存在各向異性。當(dāng)壓實(shí)土樣的初始含水率低于21%時(shí)，軸向收縮率εa大于徑向收縮率εr;但當(dāng)壓實(shí)土樣的初始含水率大于21%時(shí)，徑向收縮率εr則明顯大于軸向收縮率εa。因此，壓實(shí)土樣收縮的各向異性受初始含水率的影響較大。在大于最優(yōu)初始含水率時(shí)，徑向收縮率εr隨著土體初始含水率而呈指數(shù)形式遞增。

初始含水率的增加促進(jìn)了土體的收縮，其原因是:(1)黏土顆粒外層結(jié)合水膜的厚度和土顆粒的間距均隨含水率的增大而增大，為土體收縮提供了充足的空間;(2)黏土顆粒間的粘結(jié)力和土體內(nèi)有效應(yīng)力均隨含水率的增大而降低，在失水干縮時(shí)，使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生重新排布所需克服的阻力因粘結(jié)力和有效應(yīng)力的降低而減小;(3)壓實(shí)土樣的初始含水率不同，使壓實(shí)后得微觀結(jié)構(gòu)也存有較大差異［6－8］。壓實(shí)黏土的初始?jí)簩?shí)狀態(tài)對(duì)土體收縮具較大影響。壓實(shí)度的增加對(duì)土體的收縮具有一定的抑制作用，是因?yàn)轲ね镣馏w內(nèi)的的孔隙和黏土顆粒的間距減小，使可供收縮的孔隙體積得到限制。

圖5給出了壓實(shí)黏土試樣的軸向收縮率、徑向收縮率和體積收縮率與初始含水率w之間的關(guān)系，均呈現(xiàn)為近指數(shù)形式關(guān)系，且可以看出，相同初始含水率，壓實(shí)密度的影響不甚顯著;圖6給出了壓實(shí)黏土試樣的軸向收縮率、徑向收縮率和體積收縮率與壓實(shí)密度ρ之間的關(guān)系，且成較好的線(xiàn)性關(guān)系，且三者的直線(xiàn)方程對(duì)應(yīng)的斜率分別為－2.66，－4.056，－10.05，從斜率的數(shù)值大小上可以得出，體積收縮率εv受壓實(shí)黏土的壓實(shí)度的影響大于軸向收縮率εa和徑向收縮率εr所受的影響。因此得出結(jié)論，壓實(shí)土體的初始含水率對(duì)壓實(shí)土樣的收縮影響更大。

3 工程實(shí)例

某高速公路全長(zhǎng)63 km，全線(xiàn)采用路基寬28 m，雙向四車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)。在測(cè)設(shè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)沿線(xiàn)分布有膨脹土。膨脹土中含有較多的粘粒及親水性較強(qiáng)的蒙脫石或伊利石等粘土礦物成分，是一種遇水膨脹、強(qiáng)度驟減、失水干縮、堅(jiān)硬而又常有收縮裂隙的高塑性粘土。在施工現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)壓實(shí)黏土膨脹收縮特性，以得出壓實(shí)黏土的初始含水率和干密度對(duì)壓實(shí)黏土膨脹收縮特性的影響。從施工現(xiàn)場(chǎng)選擇10個(gè)不同地點(diǎn)取樣，試驗(yàn)成果如表3所示。

表3 現(xiàn)場(chǎng)土樣膨脹收縮特性試驗(yàn)成果表 /%

上述施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的成果與室內(nèi)土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較分析可知，黏土的初始含水量和干密度大小對(duì)路堤的膨脹量影響很大，且室內(nèi)土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)膨脹土地基膨脹變形量測(cè)試成果較為吻合，誤差僅為1%左右。

4 結(jié)論

在初始含水率為21%附近，在壓實(shí)密度為1.50 g/cm3和1.65 g/cm3時(shí)，土體的最終膨脹量較小，且壓實(shí)黏土樣的膨脹量隨著時(shí)間而呈現(xiàn)近“S”型發(fā)展。壓實(shí)黏土樣的干縮初期，因蒸發(fā)失去水的體積等于土體的收縮體積，是屬于正常收縮;在失水干縮后期，因受土顆粒間水的粘結(jié)力和吸附在顆粒表面結(jié)合水膜的厚度控制，使干縮體積小于失水體積，收縮量隨時(shí)間變化為下凹型曲線(xiàn);最后進(jìn)入穩(wěn)定的零收縮階段，收縮量幾乎不隨時(shí)間變化。壓實(shí)密度越大，收縮率越小;初始含水率越高，收縮率越大。壓實(shí)黏土的干縮變形也具有顯著的各向異性，在初始含水率小于21%的條件下，徑向收縮率略小于軸向收縮，而在初始含水率大于21%的條件下，徑向收縮率則大于軸向收縮率。收縮率隨初始含水率增加呈指數(shù)增大趨勢(shì)，與壓實(shí)密度增加呈線(xiàn)性減小趨勢(shì)，土體收縮受初始含水率的影響程度明顯高于土體的壓實(shí)度。

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