膨脹土的土水特性試驗(yàn)研究

□張　華（河南省河口村水庫工程建設(shè)管理局）

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膨脹土的土水特性試驗(yàn)研究

□張華（河南省河口村水庫工程建設(shè)管理局）

膨脹土具有吸水膨脹和脫水收縮的特性，利用非飽和土固結(jié)儀對南陽地區(qū)膨脹土試樣進(jìn)行了土—水特征試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)得到的土—水特征曲線得到：試樣的含水率隨著基質(zhì)吸力的增大顯著減??；隨著軸壓的增大，孔隙比減小。當(dāng)吸力相同時，含水率隨孔隙比的減小而增大。

膨脹土；土水特征曲線；基質(zhì)吸力

1　引言

膨脹土是現(xiàn)代工程地質(zhì)學(xué)和土力學(xué)中新出現(xiàn)的一個名詞，膨脹土含有較多的膨脹性粘土礦物，具有很強(qiáng)的高塑性、吸水性、快速崩解及劇烈的脹縮性，是有別于紅土、黃土、凍土、軟土，以及普通粘土的一類特殊粘性土。河南省是我國膨脹土的主要分布地區(qū)之一，該地區(qū)膨脹土的分布相對集中，主要分布在豫中和豫西的南陽盆地。

由膨脹土的定義可知：影響膨脹土特性的因素主要有土的礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)、土體的收縮性、土的含水量、土的應(yīng)力歷史等。其中，土的礦物成分和孔隙結(jié)構(gòu)是基本因素，其他因素往往是通過影響這兩個基本因素而起作用的，而在所有影響因素中，孔隙結(jié)構(gòu)和含水量對其影響作用無疑是最大、最直接、最快速的。

土—水特征曲線（SWCC）表征了非飽和土中含水量（質(zhì)量含水率或體積含水率）或飽和度與吸力之間的關(guān)系，其實(shí)質(zhì)是以含水量形式表示的、與土中吸力變化相關(guān)的非飽和土的持水（即儲水）能力。土水特征曲線由含水量變化的規(guī)律可分為兩種：干燥（脫水）曲線和浸濕（吸水）曲線。試驗(yàn)通過軸平移法獲得不同軸壓下膨脹土的土—水特征曲線的干燥過程，即脫濕曲線來描述孔隙結(jié)構(gòu)和含水量對膨脹土的影響。

2　試驗(yàn)概況

2.1試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所采用的膨脹土取自南陽地區(qū)。南陽位于河南省南部，處于半干旱地區(qū)，該地區(qū)出露在地表的土層以膨脹土為主，也是南水北調(diào)中線工程的穿越區(qū)域，所以對該地區(qū)的膨脹土特性進(jìn)行研究具有重要的工程意義。

通過室內(nèi)試驗(yàn)，得出了南陽膨脹土的部分物性指標(biāo)，如表1所示。

表1　土的物性指標(biāo)表

2.2試驗(yàn)儀器

非飽和土固結(jié)儀、抽氣飽和裝置、空壓機(jī)。

2.3試驗(yàn)步驟

本次試驗(yàn)僅對土—水特征曲線的干燥過程即脫濕曲線進(jìn)行研究。具體的試驗(yàn)步驟如下：

2.3.1飽和陶土板

①打開陶土板底座一側(cè)的排氣口，通過另一側(cè)的進(jìn)水口用無氣水沖洗陶土板底座；②用無氣水充滿半個壓力室；③施加500 kPa孔隙氣壓力，放置兩天；④打開陶土板底座一側(cè)排氣口，讓水透過陶土板向孔隙水壓力管排出；最后，關(guān)閉孔隙氣壓力，讓壓力逐漸消散至零，需要3-5 d的時間。

2.3.2制樣

將試驗(yàn)所用的膨脹土經(jīng)碾碎后，過2 mm篩，并測出其風(fēng)干含水率；將過篩后的膨脹土按照最佳含水率加入一定質(zhì)量的水，并在密封的塑料袋中養(yǎng)護(hù)24 h；采用靜壓法制備干密度為1.55 g/cm3的標(biāo)準(zhǔn)試樣。

2.3.3飽和土樣

制好的土樣放入抽氣飽和缸中抽氣飽和，約4 h，再浸泡24 h。

2.3.4試樣安裝

將飽和后試樣稱量后，裝入壓力室內(nèi)，安裝好頂桿，上緊螺帽，調(diào)試好百分表。

2.3.5固結(jié)試樣

軸壓為0 kPa時，不用加載，直接進(jìn)行下一步試驗(yàn)，軸壓為50 kPa時，通過杠桿施加相應(yīng)的軸壓，記錄百分表讀數(shù)，以每小時讀數(shù)變化＜0.005 mm認(rèn)為穩(wěn)定；待穩(wěn)定后施加氣壓力。

2.3.6施加氣壓力

按照5、15、25、50、100、150、200、250、300、350、400、450的順序逐級施加氣壓力，待上一級平衡后，施加下一級壓力，以每2 h量管體變不超過1.20×10-2ml為達(dá)到平衡標(biāo)準(zhǔn)（為了防止量管水分蒸發(fā)，可在液面上方，加一薄層液體石蠟）。

2.3.7計算

陶土板下的孔隙水壓力讀數(shù)Uw等于陶土板上式樣的孔隙水壓力（一般接近零，可以不計），利用軸平移技術(shù)，土樣的吸力就等于施加的氣壓力（s=Ua-Uw）。達(dá)到平衡后，記錄量管水位數(shù)位，根據(jù)試樣的初始質(zhì)量，便可測定其重量含水率。

式中：wi、△vi分別為該級壓力下試樣的含水率與從試驗(yàn)開始時到該級壓力平衡時量管體積變化量，ms、mw分別為試樣的初始土顆粒質(zhì)量與初始含水量。

2.4試驗(yàn)結(jié)果

將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸納整理，見表2和表3、圖1與圖2。

表2　試驗(yàn)結(jié)果表（軸壓為0kPa）

圖1　基質(zhì)吸力與含水率關(guān)系曲線圖（軸壓力為0kPa）

圖2　基質(zhì)吸力與含水率關(guān)系曲線圖（軸壓為50kPa）

表3　試驗(yàn)結(jié)果表（軸壓為50kPa）

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對豎向壓力為0 MPa和50 MPa的膨脹土試樣，分別測定了土水特征曲線，對試驗(yàn)結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)：試樣的含水率隨著基質(zhì)吸力的增大顯著減??；隨軸向應(yīng)力的增大，土樣在軸向產(chǎn)生壓縮變形，由于該土樣的徑向被環(huán)刀約束，所以該土樣的體積減小而產(chǎn)生壓實(shí)，進(jìn)而使該土樣的孔隙比減小。當(dāng)吸力相同時，含水率隨孔隙比的減小而增大，或者當(dāng)含水率一定時，吸力隨孔隙比的減小而增大，或者說，隨著孔隙比的減小，含水量隨基質(zhì)吸力增加而下降的趨勢減緩。

4　結(jié)論

一是利于軸平移法對南陽非飽和膨脹土基質(zhì)吸力進(jìn)行量測其方法簡便、實(shí)用。但對操作過程要求較為嚴(yán)格，特別是陶土板的飽和階段。一旦陶土板未完全飽和，孔隙氣就會通過陶土板進(jìn)入孔隙水壓力測量系統(tǒng)。這樣就會導(dǎo)致孔隙水壓力的測量產(chǎn)生誤差。二是從含水率與基質(zhì)吸力的關(guān)系來看：隨著基質(zhì)吸力的增加，含水率逐漸下降，下降速率由快變緩。三是從孔隙比與土—水特征曲線的關(guān)系來看：隨著軸壓的增大，孔隙比減小。當(dāng)吸力相同時，含水率隨孔隙比的減小而增大；或者當(dāng)含水率一定時，吸力隨孔隙比的減小而增大。

（責(zé)任編輯：李樂樂）

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2016-03-22