對成都粘土變形的影響因素探討

白 鵬 張 夢（成都市勘察測繪研究院，四川 成都 610000）

對成都粘土變形的影響因素探討

白 鵬 張 夢
（成都市勘察測繪研究院，四川 成都 610000）

成都粘土具有很強(qiáng)的脹縮性，這種膨脹性粘土因自身顯著的脹縮特性給建設(shè)工程帶來了極大的影響，可直接導(dǎo)致全球性的地質(zhì)災(zāi)害。由于其這種災(zāi)難性影響，全球各國對膨脹土的存在十分頭疼，美國稱之為 “隱藏的危害”，日本稱之為“難對付的土”，“問題多的土”。我國素有“逢暫必滑，無堤不塌”之說，因此本文針對成成都粘土脹縮性進(jìn)行研究，旨在對降低工程建設(shè)的危害性有一定的借鑒。

成都粘土；膨脹；收縮

成都粘土由于具有很明顯的膨脹性，所以對于成都各項(xiàng)工程建設(shè)都有著巨大的影響，造成這種影響的根源依然還在該類粘土的吸水性和失水收縮這一特性，但是無論是其膨脹性還是收縮性，都會給當(dāng)?shù)氐墓こ探ㄔO(shè)帶來嚴(yán)重破壞，這也是由于該類粘土的膨脹和收縮導(dǎo)致的，成都粘土的膨脹和收縮是非常規(guī)律的，具有一定的規(guī)律性，目前成都的相關(guān)工程設(shè)計(jì)都非常重視粘土的膨脹機(jī)理，對于收縮機(jī)理的注重不高，這樣會導(dǎo)致重大隱患的產(chǎn)生。因此，筆者試圖從成都粘土的膨脹性和收縮性兩個(gè)方面，通過雙管齊下的研究，來彌補(bǔ)目前只考慮膨脹性的設(shè)計(jì)不足，以此來降低成都工程建設(shè)的損失率。

1 天然含水率與50（kPa）下膨脹率的對應(yīng)關(guān)系

1.1 影響的機(jī)理分析

在一定壓力下的膨脹率δep定義為：在不同的壓力下，處于側(cè)限條件下的原狀土樣在浸水后，其單位體積的膨脹量（以百分?jǐn)?shù)表示），δep按下式計(jì)算：

其中hw—在側(cè)限條件下土樣浸水在壓力為膨脹穩(wěn)定后的高度；

h0—試驗(yàn)開始是土樣的原始高度。

影響膨脹變形的因素有：

礦物成分：

膨脹土主要由蒙脫石、伊利石等親水礦物組成，這些礦物具有既易吸水又易失水的強(qiáng)烈活動性。

微觀結(jié)構(gòu)：

膨脹土的膨脹變形很大程度上取決于這些礦物在空間分布上的結(jié)構(gòu)特征，成都粘土的微觀結(jié)構(gòu)為積聚體與積聚體彼此面與面接觸形成的分散結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有很大的吸水膨脹和失水收縮的特性。

土的密度和含水量：

土的膨脹表現(xiàn)于土的體積變化。在同樣的天然含水量條件下浸水，天然孔隙比愈小，土的膨脹愈大，其收縮變小，反之，孔隙比愈大，收縮愈大。因此，在一定條件下，土的天然孔隙比是影響脹縮變形的一個(gè)重要因素。

土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度：

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度愈大，土的膨脹收縮變形愈大。土的結(jié)構(gòu)受到破壞后，土的脹縮性隨之增強(qiáng)。

因此看見，天然含水率對土的膨脹變形起著很大的作用，隨著天然含水率的增大，土的密度減小，孔隙比增大，所以在一定壓力條件下的膨脹變形就會減小。但是，隨著天然含水率的增大土體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度受到破壞，膨脹變形反而會增大，這樣勢必會出現(xiàn)兩種不同的影響機(jī)制互相作用的結(jié)果。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

從天然含水率與50（kPa）下膨脹率δ的關(guān)系曲線圖（如圖1）可以看出試驗(yàn)點(diǎn)的分散性（R=0.279），這與他們之間的多種影響因素共同作用的分析是一致的，并且天然含水率在18%～28%之間時(shí)，天然含水率對膨脹變形的影響比較大，表現(xiàn)為隨著天然含水率的增大，膨脹變形減小。但是隨著天然含水率的進(jìn)一步增大這種影響趨勢急劇減小，可見天然含水率增大到一定程度（本次試驗(yàn)為28%），天然含水率對土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的控制就會占主要作用。而且天然含水率達(dá)到33%以后這種影響就會起決定性的控制作用，表現(xiàn)為隨著天然含水率的增大，土的脹縮性隨之增強(qiáng)。

因此，圖中曲線走向的趨勢反映的規(guī)律與（1）中的機(jī)理分析的結(jié)論符合的相當(dāng)好。

2 天然含水率與膨脹力的對應(yīng)關(guān)系

2.1 影響的機(jī)理分析

膨脹力只土樣的體積不變，由于浸水產(chǎn)生的最大內(nèi)應(yīng)力，它等于為了阻止土的膨脹而施加于土上的最小壓力，計(jì)算公式如下

pe=W/A×10；

pe——膨脹力（kPa）；

W——施加在式樣上的總平衡荷載（N）；

A——試樣面積（cm2）。

從膨脹的機(jī)理分析來看，成都粘土之所以膨脹，是因?yàn)橛幸韵聨c(diǎn)原因：

蒙脫石、伊利石等親水礦物的吸水性；

成都粘土的微觀結(jié)構(gòu)為積聚體與積聚體彼此面與面接觸形成的分散結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有很大的吸水膨脹性；

成都粘土吸水后孔隙變小，那么膨脹越大膨脹力也就越大，其中天然含水率是主導(dǎo)因素，因?yàn)樗鼪Q定孔隙的變化和粘粒之間的水膜的厚度，因此天然含水率對膨脹的影響表現(xiàn)的會很明顯，且有隨天然含水率的增大膨脹力減小。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

從他們的影響對應(yīng)關(guān)系曲線（如圖2）可以看出他們之間存在的比較離散的對應(yīng)關(guān)系（R=0.2462），但是這種隨天然含水率的增大膨脹力減小的趨勢還是比較明顯的。這似乎與（1）機(jī)理分析的結(jié)論不是很吻合，那么我們再按每10個(gè)數(shù)據(jù)求一次平均值做他們之間的對應(yīng)關(guān)系曲線圖中我們便可以清楚地看出隨天然含水率的增大膨脹力減小的規(guī)律。

2.3 統(tǒng)計(jì)成果及結(jié)論

那么我們究竟任何面對這兩種結(jié)論呢，從數(shù)理統(tǒng)計(jì)相關(guān)性分析（見表1）得知相關(guān)系數(shù)R=0.23這與圖1的結(jié)論R=0.246是相符合的，再從他們的機(jī)理分析看，影響膨脹力的原因很多，雖然都與含水量有直接的關(guān)系，

但是這幾種影響因素一起作用，其過程和結(jié)論是比較復(fù)雜的。因此我們只能簡單的得出他們之間的規(guī)律性結(jié)論，具體影響情況還有待于進(jìn)一步研究。

3 天然含水率與自由膨脹率的對應(yīng)關(guān)系

3.1 影響的機(jī)理分析

自由膨脹率指研磨成粉末的干燥土樣（結(jié)構(gòu)內(nèi)沒有約束力），浸泡與水中，經(jīng)充分吸水膨脹后的體積與原干燥體積的百分比。

δef=VW-V0/100

VW=充分吸水膨脹后的體積，10ml

V0=原干燥體積，ml

由自由膨脹率的定義和計(jì)算過程來看，天然含水率對自由膨脹率的確定沒有直接的關(guān)系，因?yàn)樵跍y定自由膨脹率是要風(fēng)干土樣，并且用水浸泡，這樣很大程度上有人為的因素，所以天然含水率不會影響自由膨脹率的變化。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

從他們的對應(yīng)關(guān)系曲線（如圖3）來看，試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)特別離散，根本看不出有線性變化的趨勢，再由二者的數(shù)理統(tǒng)計(jì)相關(guān)性分析，可知R=0.2158，也說明他們二者之間不存在線性關(guān)系，而且從圖中表現(xiàn)的隨天然含水率的增大自由膨脹率也增大的規(guī)律也不是很明顯。

4 天然含水率與收縮系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系

4.1 影響的機(jī)理分析

收縮系數(shù)λs：繪制收縮曲線如圖4-8所示。原狀土在直線收縮階段含水量每降低1%時(shí)，所答應(yīng)的豎向線縮率的改變即為收縮系數(shù)

λs：

λs=Δλs/Δω

其中Δλs在直線段中與含水量減少

值Δω相對應(yīng)的線縮率增加值。

表1　含水率與膨脹力Pe （kPa）的擬和直線回歸分析計(jì)算表

（2） 試驗(yàn)結(jié)果分析

由公式可知收縮系數(shù)λs應(yīng)該是一個(gè)不變的數(shù)，從天然含水率與收縮系數(shù)的關(guān)系曲線我們也可以看出這種關(guān)系即：天然含水率在18%～29%之間的線段幾乎近水平發(fā)展，而且在這個(gè)含水率段中的試驗(yàn)點(diǎn)約占總試驗(yàn)點(diǎn)的90%以上。但是隨著含水量的進(jìn)一步增大，收縮系數(shù)開始減小?，F(xiàn)對于出現(xiàn)這種情況的原因本文試做分析如下：

成都粘土的天然含水率一般不高，天然含水率超過29%的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠，所以在這段中數(shù)據(jù)的隨即性比較大。

天然含水率的大范圍變化會改變土體的性質(zhì)，如水膜的增厚、孔隙的變化、土體結(jié)構(gòu)的改變等。

4.2 統(tǒng)計(jì)成果及結(jié)論

隨著天然含水率的增大收縮系數(shù)變化不大，收縮系數(shù)對天然含水率的變化不敏感。

5 結(jié)論

通過筆者對成都粘土的膨脹性和收縮性的實(shí)驗(yàn)研究，對成都粘土變形的影響因素主要有以下幾種：

（1）天然含水率與50（kPa）下膨脹率δ的對應(yīng)關(guān)系：

天然含水率增大δep減小含，水率達(dá)到33%后隨著含水率的增大δep隨著增大，含水率小于33%時(shí)不太敏感，含水率達(dá)到33%后不敏感。

（2）天然含水率與膨脹力的對應(yīng)關(guān)系：

隨天然含水率的增大膨脹力減小，不太敏感。

（3）天然含水率與自由膨脹率的對應(yīng)關(guān)系：

隨天然含水率的增大自由膨脹率也增大，不敏感。

（4）天然含水率與收縮系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系：

天然含水率不會影響收縮系數(shù)的變化，不敏感。

[1]廖世文.膨脹土與鐵路工程[M].北京：中國鐵道出版社，1984.

[2]余頌，陳善雄，許錫昌，余飛.膨脹土的自由膨脹比試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006.

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