壓實(shí)弱膨脹土的膨脹變形特征及計(jì)算模式研究

邊加敏

(1.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省道路交通節(jié)能減排技術(shù)研發(fā)中心，南京　211188;2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京　210098)

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壓實(shí)弱膨脹土的膨脹變形特征及計(jì)算模式研究

邊加敏1,2

(1.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省道路交通節(jié)能減排技術(shù)研發(fā)中心，南京211188;2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京210098)

膨脹性是壓實(shí)弱膨脹土的典型特征，同時(shí)是造成膨脹土構(gòu)筑物破壞的最重要的原因之一，合理地預(yù)估壓實(shí)弱膨脹土在特定條件下的變形量對(duì)于減小構(gòu)筑物的破壞具有十分重要的作用。因此，建立壓實(shí)弱膨脹土的膨脹變形計(jì)算模式不僅顯得十分重要而且也十分必要?；诖?，在對(duì)壓實(shí)弱膨脹土線膨脹率的相關(guān)影響因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，以高淳胥河某邊坡弱膨脹土為研究對(duì)象，進(jìn)行了不同初始狀態(tài)下的膨脹土膨脹變形試驗(yàn)，研究了增濕比、壓實(shí)度及上覆壓力等對(duì)膨脹土線膨脹率的影響，建立了考慮增濕比、壓實(shí)度及上覆壓力的壓實(shí)弱膨脹土線膨脹率變化模型，并采用其他學(xué)者的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行了成果驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明該模型可以較好地?cái)M合壓實(shí)弱膨脹土的膨脹變形量。

非飽和土；壓實(shí)度;弱膨脹土；變形； 線膨脹率

1　研究背景

膨脹性是弱膨脹土的基本特征，是造成路基破壞最重要的原因之一，研究弱膨脹土的膨脹特征是研究弱膨脹土路基破壞的基礎(chǔ)與核心。

目前對(duì)于弱膨脹土膨脹變形的研究取得了較多進(jìn)展，李獻(xiàn)民等[1]研究了含水率及干密度對(duì)膨脹變形的影響，黃斌等[2]研究了K0應(yīng)力狀態(tài)弱膨脹土膨脹模型試驗(yàn)，張福海等[3]通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行“歸一”化處理，提出了土樣線膨脹率的計(jì)算模型，并將其應(yīng)用于路基膨脹量的計(jì)算中，張愛(ài)軍等[4]通過(guò)對(duì)陜西安康壓實(shí)弱膨脹土變形的研究，提出了容勢(shì)含水比的定義，并建立了基于容勢(shì)含水比的膨脹變形計(jì)算模型。

可以看出，對(duì)于弱膨脹土變形量的計(jì)算出現(xiàn)了以下特征：①研究從開(kāi)始的一維線性模型發(fā)展到三維非線性模型；②從僅考慮單個(gè)影響膨脹量的典型因素發(fā)展到綜合考慮多因素的耦合效應(yīng)。當(dāng)前考慮多因素的耦合效應(yīng)的研究方法使得弱膨脹土膨脹量的計(jì)算具有較高的精度，更能準(zhǔn)確地反映弱膨脹土的膨脹變形性能，但實(shí)際工程中許多因素難以控制，且三維非線性模型的試驗(yàn)設(shè)備較復(fù)雜，很難將三維非線性模型應(yīng)用于實(shí)際工程中，因此，對(duì)于采用綜合考慮含水率、干密度及上覆壓力的一維模型更容易得到工程單位的推廣應(yīng)用。本文擬通過(guò)K0狀態(tài)下的線膨脹率試驗(yàn)，采用一維模型研究壓實(shí)弱膨脹土的膨脹變形模型。

2　膨脹變形的機(jī)理

弱膨脹土膨脹特性的形成主要是由土體內(nèi)部的礦物成分不同所致，特別是與黏粒的礦物成分密切相關(guān)，黏土顆粒部分的結(jié)構(gòu)單元包括簡(jiǎn)單顆粒、集聚體和孔隙，可以將弱膨脹土的膨脹變形分為晶格間的擴(kuò)張與顆粒(集聚體)間擴(kuò)張2部分。

2.1晶格的擴(kuò)張

弱膨脹土主要由蒙脫石、伊利石及高嶺石等礦物組成，蒙脫石的水穩(wěn)定性差、親水性強(qiáng)，由于晶格構(gòu)造是以弱鍵結(jié)合并具有同晶置換的特性，導(dǎo)致晶格間骨架的活動(dòng)性較強(qiáng)，水分子可以不定量地進(jìn)入晶格，同時(shí)同晶置換的特性使得晶層間帶有負(fù)電，增大了其吸水能力，在2種因素的綜合作用下，水分大量進(jìn)入晶格中，使得土體產(chǎn)生了膨脹變形。弱膨脹土晶格間膨脹是膨脹變形的主要部分。

2.2顆粒間的擴(kuò)張

雙電層中的水分子在電場(chǎng)引力的作用下，被吸附在土顆粒周圍，形成水化膜，當(dāng)含水率增大時(shí)，水化膜的厚度不斷增大，導(dǎo)致土體發(fā)生膨脹變形。

集聚體間的脹縮變形存在于一般黏性土中，尤其是吸力勢(shì)，更具普遍性，雙電層及吸力勢(shì)均對(duì)弱膨脹土的變形起作用，但一般起次要作用。

由土樣的膨脹機(jī)理可以看出，當(dāng)?shù)攘康乃诌M(jìn)入土體后，由于產(chǎn)生膨脹變形的機(jī)理不同，所產(chǎn)生的膨脹量也不相同，對(duì)于含水率與膨脹量的關(guān)系，目前研究所得出的結(jié)論還不一致，文獻(xiàn)[5]的研究表明含水率與線膨脹率呈直線關(guān)系，而楊和平[6]的研究則認(rèn)為當(dāng)含水率大于土體的脹限時(shí)，增加含水量對(duì)土體變形的影響不大，從變形機(jī)理上分析，楊和平的試驗(yàn)結(jié)論更符合弱膨脹土的變形機(jī)理。

3　試驗(yàn)方法及方案

3.1土樣的試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)用土取自蕪申線東壩段胥河南岸工地，采用挖坑取土的方法取得大塊原狀土樣，取土深度約為1m，土樣取回后，敲碎后制成重塑土樣，取一部分土進(jìn)行含水率、干密度、比重等基本物理性質(zhì)試驗(yàn)。試驗(yàn)方法主要以《土工試驗(yàn)規(guī)程》(JIGE40—2007)為準(zhǔn)。土樣的基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1，試驗(yàn)用高淳胥河邊坡弱膨脹土的顆粒級(jí)配見(jiàn)圖1。

表1　土樣的基本物理性質(zhì)Table 1　Physical properties of swelling soil

圖1　顆粒級(jí)配Fig.1　Particle size distribution

3.2試驗(yàn)方案

將土樣取回后置入105 ℃的烘箱烘干8h以上，用木錘敲碎并過(guò)2mm篩，根據(jù)要求配置成16.5%的含水率，按照98%,96%,90%三種壓實(shí)度壓制不同干密度的試樣，試驗(yàn)前一天將透水石與試樣一同放在塑料袋中密封24h，使透水石與土樣的含水率一致。

0kPa下不同增濕幅度的無(wú)荷膨脹率采用如下方法進(jìn)行：將土樣按照無(wú)荷膨脹試驗(yàn)規(guī)程要求裝入無(wú)荷膨脹儀中，稱量?jī)x器總質(zhì)量，并記錄百分表初始讀數(shù)，按照15%含水率增量向土樣中加入水，待膨脹穩(wěn)定后讀取百分表讀數(shù)，將儀器用吹風(fēng)機(jī)吹干表面水分后稱取質(zhì)量，通過(guò)儀器兩次質(zhì)量的差值計(jì)算土樣含水率的變化，繼續(xù)按相同的方法測(cè)定土樣的增濕量及膨脹量，當(dāng)加水后的膨脹穩(wěn)定變形值<0.1%/h時(shí)停止試驗(yàn)。

50kPa下不同增濕量的線膨脹率試驗(yàn)在YZ-Ⅱ型固結(jié)儀中進(jìn)行，試驗(yàn)方法與無(wú)荷線膨脹率類似，不同處為試驗(yàn)時(shí)稱取固結(jié)儀上部質(zhì)量，并計(jì)算土樣的含水率變化。

李振等[7]對(duì)不同初始干密度及含水率的弱膨脹土進(jìn)行了分級(jí)浸水和一次浸水膨脹變形試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)定了試樣在浸水前后不同上覆壓力下的變形過(guò)程。試驗(yàn)結(jié)果表明不同的浸水路徑對(duì)弱膨脹土最終變形量影響不大，最終膨脹量基本一致,這表明了經(jīng)過(guò)多次加水后土樣的膨脹量與一次加至某含水率后的變形量一致，表明可以采用分級(jí)加水的方式對(duì)最終變形量進(jìn)行測(cè)定。

4　試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1考慮含水率與壓實(shí)度的膨脹模型的建立

從膨脹變形的機(jī)理可以看出，含水率對(duì)土體膨脹變形的影響不僅表現(xiàn)在初始含水率的大小上，同時(shí)也表現(xiàn)在含水率增量方面。為了反映含水率增量對(duì)膨脹變形的影響，采用增濕比表征含水率變化對(duì)弱膨脹土線膨脹率的影響，并定義增濕比如式(1)。

(1)

式中：Riw為增濕比;w 為過(guò)程含水率(%);wi為初始含水率(%);wsat為某干密度及上覆壓力下的飽和含水率(%)。

圖2為0kPa和50kPa下增濕比與線膨脹率的關(guān)系。

由圖2可以看出，在相同增濕比下，壓實(shí)度越大土體的線膨脹率越大，壓實(shí)度越小，土體的線膨脹率越小。而在相同的壓實(shí)度下，土樣的線膨脹率隨著增濕比的增大而增大，將線膨脹率與增濕比采用線性關(guān)系進(jìn)行擬合，考慮到無(wú)荷狀態(tài)下，增濕比為0時(shí)土體的線膨脹率為0，將無(wú)荷狀態(tài)下的弱膨脹土線膨脹率與增濕比的關(guān)系擬合成正比關(guān)系?？芍翗拥木€膨脹率與增濕比呈線性關(guān)系，即兩者的關(guān)系可以采用式(2)計(jì)算。

εz=aRiw+b。

(2)

式中：εz為線膨脹率(%);Riw為增濕比;a，b為相關(guān)系數(shù)。

當(dāng)弱膨脹土土樣的上覆壓力為0kPa時(shí)b值為0。分析圖2擬合公式可知，系數(shù)a隨著壓實(shí)度的增大而增大，將0kPa和50kPa的系數(shù)a與壓實(shí)度的關(guān)系擬合如圖3(a)。

(a)0kPa

(b)50kPa

圖2增濕比與線膨脹率的關(guān)系

Fig.2Relationshipbetweenhumidificationratioandlinearexpansiveratio

(a)系數(shù)a

由圖3(a)可以看出系數(shù)a與壓實(shí)度呈線性關(guān)系，圖3(b)為系數(shù)b與壓實(shí)度的關(guān)系圖，由于在0kPa的上覆壓實(shí)下，3種壓實(shí)度的系數(shù)b為0，此處僅擬合50kPa壓力作用下的系數(shù)b與壓實(shí)度的關(guān)系，可以看出，系數(shù)b與壓實(shí)度也可以采用線性關(guān)系表達(dá)，即系數(shù)a，b可以采用式(3)表達(dá)。

(3)

式中：a1，a2，b1，b2為系數(shù);K為壓實(shí)度。

將式(1)、式(3)代入式(2)可得考慮壓實(shí)度及增濕比的線膨脹率計(jì)算模型為

(4)

4.2上覆壓力與線膨脹率的關(guān)系

針對(duì)線膨脹率與上覆壓力的關(guān)系，李獻(xiàn)民[1]、劉特洪[8]、GyselM[9]、徐永福等[10]、胡瑾[11]均對(duì)此進(jìn)行了研究，并提出了上覆壓力與線膨脹率的關(guān)系模型，但這些計(jì)算模型均存在一定的問(wèn)題。

劉特洪、胡瑾、GyselM的計(jì)算模型不能模擬無(wú)荷膨脹量，李獻(xiàn)民、徐永福的計(jì)算模型不能模擬荷載較大時(shí)弱膨脹土壓縮的情況。

鑒于此，結(jié)合以上學(xué)者計(jì)算式的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)上覆荷載進(jìn)行無(wú)量綱化處理，并采用式(5)對(duì)弱膨脹土的線膨脹率與上覆荷載的關(guān)系進(jìn)行擬合。

(5)

式中：a3，b3為擬合參數(shù);P為上覆壓力;P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力;εz為線膨脹率。

采用此計(jì)算式對(duì)文獻(xiàn)[12]的干密度為1.60g/cm3不同試驗(yàn)方法的高淳胥河重塑弱膨脹土土樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　各種方法的線膨脹率表達(dá)式系數(shù)及相關(guān)系數(shù)Table 2　Coefficients of formulas of linear swelling ratioand coefficients of correlation

可以看出式(5)可以較好地?cái)M合上覆壓力與線膨脹率之間的關(guān)系。在進(jìn)行線膨脹率計(jì)算時(shí)，借用文獻(xiàn)[4]的處理方法，將式(4)與式(5)相乘得到弱膨脹土樣在過(guò)程含水率、壓實(shí)度及上覆壓力狀態(tài)下的計(jì)算式(6)，即

(6)

4.3計(jì)算模式的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證以上計(jì)算模式的正確性，用式(4)對(duì)文獻(xiàn)[13]所給出10kPa壓力下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了擬合，得到如式(7)的計(jì)算式,即εz=(30.84K-44.43)Riw+0.806 6K-3.27。

(7)

用上式模型計(jì)算得到的膨脹量與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較見(jiàn)圖4。

圖4　干密度為1.51 g/cm3的試驗(yàn)值與計(jì)算值比較Fig.4　Comparison between calculated value and test valuein the presence of dry density of 1.51 g/cm3

圖中實(shí)線為計(jì)算數(shù)值曲線，可以看出，試驗(yàn)值與計(jì)算值數(shù)據(jù)符合得很好，對(duì)于干密度為1.51g/cm3的土樣，最大誤差為1.14%，最小誤差為0.16%。表明式(6)能很好地?cái)M合弱膨脹土土樣的線膨脹率，證明了本文的計(jì)算模式的正確性。

5　結(jié)　論

根據(jù)本文的研究，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)在對(duì)弱膨脹土變形機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，得出含水率對(duì)膨脹變形的影響，不僅表現(xiàn)在初始含水率上，還表現(xiàn)在含水率的增量上，鑒于此，提出了土樣增濕比的定義。

(2)通過(guò)對(duì)增濕比、上覆壓力及壓實(shí)度等與膨脹變形關(guān)系的試驗(yàn)研究，建立了考慮增濕比、壓實(shí)度及上覆壓力的膨脹變形計(jì)算模型。通過(guò)該模型可以計(jì)算出任意過(guò)程含水率的線膨脹率，采用前人的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)膨脹變形模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)論顯示試驗(yàn)值與模型值吻合較好。

(3)本文基于K0狀態(tài)下建立的一維膨脹模型，由于試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單，可以廣泛地應(yīng)用于工程中，對(duì)工程建設(shè)中弱膨脹土的膨脹變形量的估算具有一定的工程意義。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

Swelling Deformation Characteristic and Calculation Model ofCompacted Weak Swelling Soil

BIAN Jia-min1,2

(1.JiangsuResearchCenterofEnergySavingandEmissionReductionTechnologyofTrafficEngineering,NanjingVocationalInstitutionofTransportTechnology，Nanjing211188,China;2.KeyLaboratoryofGeomechanicsandEmbankmentEngineeringofMinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Swellingisthetypicalcharacteristicofweakswellingsoil,andisthemostimportantcauseofthedamageofswellingsoilstructures.Itisofgreatimportancetoestimatethedeformationofswellingsoilinsomespecificconditions,anditisnotonlyimportantbutalsonecessarytoestablishthecalculationmodelforweakswellingsoil.

unsaturatedsoil;degreeofcompaction;weakswellingsoil;deformation;linearswellingratio

2015-07-22;

2015-09-07

邊加敏(1979-)，男，江蘇南京人，副教授，博士，主要從事非飽和土的教學(xué)與科研工作，(電話)15951670241(電子信箱)bianjiamin1114@aliyun.com。

10.11988/ckyyb.20150613

2016,33(09):107-110，137

TU443

A

1001-5485(2016)09-0107-04

Inviewofthis,onthebasisofanalyzingtheinfluencefactorsoflinearswellingratio,wecarriedoutswellingdeformationtestsonweakswellingsoiloftheslopeofXuheriverindifferentinitialstatus.Wealsostudiedtheinfluencesofhumidificationratio,degreeofcompactionandoverburdenpressureonthelinearswellingratio,andestablishedthecalculationmodelforlinearswellingratioinconsiderationofhumidificationratio,degreeofcompactionandoverburdenpressure.Finallyweusedthetestdataofotherscholarstoverifythecalculationmodel,andtheverificationresultsshowedthatthecalculationmodelcouldwellfittheswellingdeformationofcompactedweakswellingsoil.