合肥地鐵車站基坑膨脹土有荷條件下的變形規(guī)律研究

沈銀斌，邵迅，吳軍軍，姚華彥，陳清

(1．機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安710043;2．合肥工業(yè)大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230009)

合肥地鐵車站基坑膨脹土有荷條件下的變形規(guī)律研究

沈銀斌1，2，邵迅2，吳軍軍2，姚華彥2，陳清2

(1．機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安710043;2．合肥工業(yè)大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230009)

為了考察合肥地區(qū)膨脹土的膨脹特性，選取合肥地鐵車站基坑膨脹土進(jìn)行了擊實(shí)土樣的有荷膨脹率試驗(yàn)，研究膨脹土的膨脹時(shí)程曲線特征及其有荷膨脹率與初始含水率、壓實(shí)度、荷載的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明:有荷膨脹時(shí)程曲線可分為等速膨脹、減速膨脹、緩慢膨脹階段，初始條件不同膨脹時(shí)程曲線特征也不同;有荷膨脹率隨初始含水率的增加而線性降低，有荷膨脹率與荷載的對數(shù)呈線性關(guān)系;壓實(shí)度對有荷膨脹率的影響不顯著。

膨脹土 有荷膨脹率 初始含水率 壓實(shí)度 荷載

膨脹土具有吸水膨脹、失水收縮的特性，膨脹土的膨脹主要由內(nèi)部和外部兩方面因素導(dǎo)致。內(nèi)部因素方面，膨脹土中主要礦物是蒙脫石、伊利石、高嶺石等黏土礦物，這些礦物自身的脹縮導(dǎo)致了土宏觀上的脹縮;而外部因素方面，上覆荷載、壓實(shí)度、初始含水率等都可能影響膨脹土的膨脹特性。

國內(nèi)外學(xué)者對于膨脹土的膨脹變形問題做了大量的研究，取得了很多成果。目前研究內(nèi)容主要集中在以下兩個(gè)方面:一是膨脹土的膨脹變形時(shí)程曲線特征。例如，文獻(xiàn)［1-2］研究了無荷條件下膨脹土的膨脹時(shí)程曲線特征，文獻(xiàn)［3-5］研究了荷載條件下的膨脹時(shí)程曲線特征。二是影響膨脹土膨脹特性的因素及其規(guī)律，如初始含水率、荷載、壓實(shí)度等初始條件對膨脹特性的影響。文獻(xiàn)［6-11］通過室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值擬合等方法得到了膨脹特性與上述因素的關(guān)系。但是對于不同地方的膨脹土，膨脹量計(jì)算公式中的參數(shù)均有所不同。

合肥地區(qū)因其長期遭受南淝河水流的侵蝕，逐漸發(fā)育成為膨脹土河谷階地地貌［12］。合肥地鐵1，2號(hào)線基坑、隧道開挖等均可能面臨膨脹土的困擾，因此開展膨脹土膨脹變形特性的研究非常必要。本文依托合肥地鐵1號(hào)線太湖路車站建設(shè)項(xiàng)目，進(jìn)行了荷載條件下膨脹土的膨脹特性試驗(yàn)，以便為地鐵施工提供參考。

1 有荷膨脹率試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)土樣

土樣取自合肥地鐵1號(hào)線太湖路車站基坑內(nèi)。土樣主體呈淡黃色，含水率為20.5%，比重為2.47，液限為48.5%，塑限為23.0%，塑性指數(shù)為25.5，通過擊實(shí)試驗(yàn)得到土樣的最佳含水率為22%，最大干密度為1.58 g/cm3。根據(jù)《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50145—2007)［13］，所取土樣屬于低液限黏土(Ip≥10且ωL＜50%)。自由膨脹率為62%，而塑性指數(shù)在15～28，綜合判定土樣屬于弱膨脹土。

1.2 試驗(yàn)方法

有荷膨脹率是指在一定荷載和側(cè)限條件下，土樣的膨脹量與初始高度之比，用百分比表示。試驗(yàn)土樣按初始含水率分別為18%，20%，22%，壓實(shí)度分別為90%，93%，96%，99%制樣。

試驗(yàn)按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-002—1999)［14］進(jìn)行。試驗(yàn)儀器采用固結(jié)儀，環(huán)刀試樣裝入固結(jié)儀后，立即加荷，荷載為200 kPa。在固結(jié)過程中，在試樣周邊纏上濕布條防止土樣水分蒸發(fā)。固結(jié)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為1 h內(nèi)變形量不超過0.01 mm，固結(jié)穩(wěn)定后自下而上向固結(jié)儀里注入蒸餾水，保持水面高出試樣約5 mm。分200，100，50，25 kPa 4次卸載，并測定每次卸荷穩(wěn)定后的膨脹量。膨脹穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為2 h內(nèi)變形量不超過0.01 mm。各級(jí)荷載下的有荷膨脹率δ計(jì)算公式為

式中:Δh為每級(jí)荷載卸載前后的變形量，h0為試樣初始高度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同初始含水率、壓實(shí)度以及荷載下的有荷膨脹率試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 有荷膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

2.1 膨脹時(shí)程曲線特性

研究膨脹時(shí)程曲線的特性對于預(yù)測膨脹土的膨脹變形具有一定的工程意義。膨脹土的膨脹速度以膨脹率—時(shí)間關(guān)系曲線表征。圖1為不同初始條件下的膨脹時(shí)程曲線。

如圖1所示，有荷膨脹時(shí)程曲線可以分為3個(gè)階段，即等速膨脹階段、減速膨脹階段和緩慢膨脹階段。有荷膨脹曲線中第1階段曲線接近直線，此時(shí)膨脹速度較快，第2階段速度明顯降低。試驗(yàn)中剛加入蒸餾水，由于土樣吸力較大，吸水較快，膨脹量較大，但是由于荷載的存在，土樣吸水漸漸變慢，膨脹速度降低。第3階段，土樣的有荷膨脹率基本趨于穩(wěn)定。

不同初始條件下膨脹曲線的特征是有所區(qū)別的。由圖1(a)可見，初始含水率與壓實(shí)度一定，荷載較大時(shí)(如200，100 kPa)，等速膨脹階段時(shí)間較長，主要膨脹量在此階段完成。荷載的大小直接影響了等速膨脹階段的速度，大荷載下本階段的膨脹速度比小荷載下小，200 kPa荷載下等速膨脹階段的膨脹速度明顯小于其他3個(gè)荷載下。由大到小4個(gè)荷載下膨脹穩(wěn)定的時(shí)間約分別為400，500，800，1 000 min?？梢?，荷載越大，膨脹穩(wěn)定的時(shí)間越短。由圖1(b)可知，初始含水率與荷載一定時(shí)，壓實(shí)度小的土樣開始階段膨脹量大，膨脹速度快，膨脹穩(wěn)定時(shí)間短，壓實(shí)度大的土樣減速膨脹階段時(shí)間長，最后達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也較長。小壓實(shí)度土樣孔隙較多開始吸水量大，但吸水能力有限，大壓實(shí)度土樣恰恰相反，雖然開始進(jìn)水困難，但是膨脹潛勢大，最終膨脹量大。由圖1(c)可見，壓實(shí)度與荷載一定，初始含水率低時(shí)，土樣等速膨脹階段時(shí)間較長且膨脹速度快，膨脹穩(wěn)定時(shí)間也較長，總膨脹量大;初始含水率較高時(shí)，土樣等速膨脹階段時(shí)間短，達(dá)到膨脹穩(wěn)定的時(shí)間也短，總膨脹量小，說明大的初始含水率可以抑制膨脹速度，減少膨脹時(shí)間。這是因?yàn)楹矢叩耐翗游^小，吸水量小，荷載進(jìn)一步控制了土樣的吸水，膨脹量小。

圖1 不同初始條件下的膨脹時(shí)程曲線

2.2 有荷膨脹率與初始含水率的關(guān)系

圖2為壓實(shí)度一定時(shí)，不同荷載下有荷膨脹率隨初始含水率的變化曲線。由圖可見，壓實(shí)度一定時(shí)，不同荷載下的有荷膨脹率隨初始含水率的增加而降低，兩者之間有著較顯著的線性關(guān)系。有荷膨脹率與初始

含水率的關(guān)系可表示為

式中:δ為有荷膨脹率，w為初始含水率，a和b為一定壓實(shí)度下與荷載相關(guān)的系數(shù)，a＜0。

荷載的大小也影響著兩者之間的關(guān)系。壓實(shí)度一定時(shí)，在200 kPa荷載下含水率對有荷膨脹率的影響較其他荷載更加顯著。

由表1及圖2可以看出，初始含水率為22%的土樣在200 kPa的荷載下沒有出現(xiàn)膨脹反而出現(xiàn)了濕陷現(xiàn)象。袁俊平等［3］認(rèn)為，此時(shí)的土樣在浸水后團(tuán)粒結(jié)構(gòu)塌陷，造成了土樣的濕陷。出現(xiàn)這種高含水率大荷載下土體濕陷的原因，筆者認(rèn)為是:在受到荷載作用時(shí)，土樣克服外力表現(xiàn)出膨脹變形，在浸水的初始階段，初始含水率高的土樣吸水能力較低，水進(jìn)入土樣困難，從而抑制了土樣膨脹量的增加，但土樣在浸水過程中軟化，故出現(xiàn)壓密濕陷現(xiàn)象。

2.3 有荷膨脹率與荷載的關(guān)系

根據(jù)Bolt［15］的滲透理論，當(dāng)土體受到外部荷載時(shí)，土體內(nèi)水排出導(dǎo)致離子濃度升高，從而產(chǎn)生滲透壓力。當(dāng)滲透壓力與外部壓力相等時(shí)，達(dá)到平衡。當(dāng)外部壓力減小時(shí)，土體通過滲透壓力吸收外部水分從而減小離子濃度，待滲透壓力與外部壓力再次相等時(shí)，達(dá)到新的平衡。所以，土體受到較大外部荷載時(shí)，土體的膨脹被抑制甚至出現(xiàn)壓縮，而受到較小的外部荷載時(shí)，土體則可能出現(xiàn)較大的吸水膨脹。

圖2 不同荷載下有荷膨脹率與含水率的關(guān)系

圖3 不同含水率下有荷膨脹率與荷載的關(guān)系

圖3為壓實(shí)度一定時(shí)，不同初始含水率土樣的有荷膨脹率隨荷載的變化曲線。在4種壓實(shí)度下，土樣的有荷膨脹率與荷載的對數(shù)均有著顯著的線性關(guān)系。有荷膨脹率隨著荷載對數(shù)的增大而降低。

有荷膨脹率與荷載的關(guān)系可以表示為

式中:P為荷載;P0取1 kPa;c和d為壓實(shí)度一定時(shí)與含水率相關(guān)的系數(shù)，c＜0。

因?yàn)閰?shù)c和d與初始含水率相關(guān)，嘗試將c和d與初始含水率進(jìn)行擬合，以壓實(shí)度96%為例。發(fā)現(xiàn)c和d與初始含水率w有顯著線性關(guān)系，如圖4所示。

圖4 參數(shù)c和d與初始含水率的擬合曲線

壓實(shí)度為96%時(shí)，可將c和d與初始含水率w擬合為

式中:e1，e2，f1，f2均為擬合參數(shù)。

將式(4)和式(5)帶入式(3)，可得壓實(shí)度為96%時(shí)有荷膨脹率δ與荷載P和初始含水率w的關(guān)系式為

由圖4的擬合結(jié)果得:e1=－0.062 5，e2=－0.015，f1=3.406 7，f2=－0.063 3，將其帶入式(6)得到壓實(shí)度為96%時(shí)有荷膨脹率δ的表達(dá)式

其他壓實(shí)度下土樣的有荷膨脹率亦可用上述方法推出。

2.4 有荷膨脹率與壓實(shí)度的關(guān)系

關(guān)于有荷膨脹率試驗(yàn)中，壓實(shí)度對于有荷膨脹率的影響，目前學(xué)者對此看法不一。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，壓實(shí)度并非影響有荷膨脹率的主要因素。究其原因，可以認(rèn)為:土樣受到荷載的壓縮作用，相當(dāng)于再次被壓實(shí)，制樣時(shí)土樣壓實(shí)度的差異在受到荷載后變得小了，從而使壓實(shí)度對有荷膨脹率的影響減小。這再次表明了荷載對有荷膨脹率有重要影響。

3 結(jié)論

本文選取了合肥地鐵1號(hào)線太湖路車站基坑內(nèi)的土樣進(jìn)行有荷膨脹率試驗(yàn)，研究了不同初始狀態(tài)下膨脹土的膨脹特征。主要結(jié)論如下:

1)有荷膨脹時(shí)程曲線分為等速膨脹、減速膨脹、緩慢膨脹三個(gè)階段。主要膨脹量在第一階段完成。但不同初始條件下的膨脹曲線特征不同。

2)壓實(shí)度與荷載一定時(shí)，有荷膨脹率隨含水率的增加而降低，兩者之間有著較顯著的線性關(guān)系。并且初始含水率為22%、荷載為200 kPa時(shí)，土樣出現(xiàn)濕陷現(xiàn)象。

3)壓實(shí)度與初始含水率一定時(shí)，土樣的有荷膨脹率與荷載的對數(shù)呈線性關(guān)系，有荷膨脹率隨著荷載對數(shù)的增大而降低。

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Study on swelling law of expansive soil in foundation pit of Hefei metro station under loading condition

SHEN Yinbin1，2，SHAO Xun2，WU Junjun2，YAO Huayan2，CHEN Qing2
(1．China Jikan Research Institute of Engineering Investigations and Design Co．，Ltd．，Shaanxi Xi'an 710043，China; 2．Anhui Key Laboratory of Civil Engineering and Materials，Hefei Anhui 230009，China)

In order to investigate the swelling properties of expansive soil in Hefei，the loading swelling ratio experiments of compacted soil in foundation pit of Hefei subway station were carried out．T he expansion time curve characteristics of expansive soil and the relationship between loading swelling ratio and initial moisture content，compaction degree and loading were analyzed．T he results showed that the loading expansion time curve can be divided into such three phases as constant expansion，descending expansion and slow expansion，the expansion time curve characteristics are different under different initial conditions，loading swelling ratio decreases linearly with the initial moisture content increasing，there is a linear relationship between the loading swelling ratio and loading logarithm，and the influence of the compaction degree on the loading swelling ratio is not significant．

Expansive soil;Loading swelling ratio;Initial moisture content;Compaction degree;Loading

TU443;U231+．4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．32

1003-1995(2015)04-0122-05

(責(zé)任審編葛全紅)

2014-11-20;

2015-02-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51078123，51179043)

沈銀斌(1983—)，男，浙江余姚人，工程師，博士。