上覆荷載和厚度對(duì)原狀膨脹土膨脹量的影響分析

王炳忠,王起才,2,張戎令,2, 3,薛彥瑾,卓 彬,祁 強(qiáng)

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,蘭州 730070； 2.蘭州交通大學(xué)道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730070； 3.蘭州交通大學(xué)甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730070)

1 概述

我國(guó)是世界上膨脹土分布最廣、面積最大的國(guó)家之一[1]。隨著我國(guó)交通事業(yè)的飛速發(fā)展，大量涌現(xiàn)出以膨脹土地基為基礎(chǔ)的高速鐵路。膨脹土是一種具有多裂隙、顯著膨脹性和超固結(jié)性的土，黏粒成分主要由蒙脫石和伊利石等親水性的礦物組成，其吸水膨脹軟化，失水收縮開裂[2]，對(duì)高速鐵路路基的穩(wěn)定性及安全性極為不利，進(jìn)而對(duì)線路運(yùn)行的平穩(wěn)性和舒適性帶來(lái)了極大考驗(yàn)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年因膨脹土造成的經(jīng)濟(jì)損失約達(dá)數(shù)百億元[3]。因而對(duì)膨脹土的研究越來(lái)越引起工程界的重視。

國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者對(duì)膨脹土的膨脹變形進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，并取得了一系列重要成果，如不同含水率、不同初始干密度、不同上覆荷載對(duì)重塑土膨脹量的影響。吳小山[4]對(duì)邵陽(yáng)膨脹土進(jìn)行了浸水時(shí)間、壓實(shí)度、上覆荷載大小、含水率對(duì)膨脹量的影響試驗(yàn)，得出膨脹變形在浸水初期發(fā)展較快，后期發(fā)展緩慢，膨脹變形隨上覆荷載和含水率增加分別表現(xiàn)為對(duì)數(shù)減小和線性減小關(guān)系；李化云[5]用三軸膨脹試驗(yàn)?zāi)M膨脹土在一定埋深條件下其吸水膨脹的真實(shí)過(guò)程，得出有荷膨脹率隨飽和度指數(shù)變化關(guān)系；劉清秉[6]對(duì)南陽(yáng)膨脹土開展了不同初始?jí)簩?shí)狀態(tài)下側(cè)限及三向應(yīng)力狀態(tài)膨脹試驗(yàn)，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法建立了同時(shí)考慮壓實(shí)度、起始含水率及壓力三因素耦合影響的K0膨脹模型；張愛(ài)軍[7]等以陜西安康壓實(shí)膨脹土為對(duì)象，通過(guò)不同初始干重度、初始含水量和上覆荷載的一系列膨脹量試驗(yàn)，得到了人工壓實(shí)膨脹土的膨脹變形變化規(guī)律；李獻(xiàn)民[8]等以湖南邵陽(yáng)膨脹土為例，對(duì)擊實(shí)膨脹土工程變形特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究；劉斯宏[9]等對(duì)南陽(yáng)膨脹土進(jìn)行試驗(yàn)，得出了膨脹土浸水膨脹率隨浸水膨脹過(guò)程中所受豎向荷載的增大而減小的結(jié)論；朱建強(qiáng)[10]等采用自由膨脹加荷法研究了水分對(duì)膨脹變形和膨脹壓力的影響；許瑛[11]等研究了陜西安康弱膨脹土，得出了膨脹量與上覆荷載成負(fù)指數(shù)關(guān)系及膨脹量與初始含水量對(duì)數(shù)成直線關(guān)系的結(jié)論；徐永福[12-13]等研究了寧夏膨脹土的膨脹變形，得出了膨脹量分別與上覆荷載和初始含水率的關(guān)系。李振[14-15]等通過(guò)不同干密度下膨脹土浸水增濕膨脹變形試驗(yàn)，測(cè)試了試樣在浸水前后不同荷載下膨脹變形量的變化過(guò)程，得出了垂直荷載越大最終膨脹率越小的結(jié)論。胡瑾[16]等通過(guò)室內(nèi)無(wú)荷載和有荷載膨脹率試驗(yàn)，得出荷載與膨脹穩(wěn)定后膨脹土孔隙比、干密度的關(guān)系。綜上可知，專家們對(duì)重塑膨脹土進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，而對(duì)原狀土研究得相對(duì)較少。但高鐵地基以原狀膨脹土的情況出現(xiàn)得較多，因此研究原狀膨脹土對(duì)高鐵地基的安全穩(wěn)定性變得更為必要。

本文主要以蘭新高鐵一典型膨脹地段原狀土為研究對(duì)象，對(duì)影響原狀土膨脹量的厚度、上覆荷載因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出膨脹量分別與厚度、上覆荷載關(guān)系，并擬合出膨脹量與上覆荷載試驗(yàn)公式，為實(shí)際工程中膨脹量的預(yù)測(cè)和計(jì)算提供理論支撐。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用膨脹土土樣取自蘭新高鐵，取土里程為DK1346+000處，深度為12～18 m。采用鉆機(jī)取樣，為防止土樣因空氣中水分蒸發(fā)而發(fā)生裂隙等破壞，從鉆機(jī)取出土樣后，迅速用保鮮膜包裹5層，兩端用膠帶密封完整，如圖1所示。在室內(nèi)按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102—2010)測(cè)得其物理指標(biāo)如表1所示。

圖1 取回原狀土樣

天然含水率/%風(fēng)干含水率/%干密度/(g/cm3)液限/%塑限/%比重自由膨脹率/%陽(yáng)離子交換/(mmol/kg)11.261.8857.823.72.7460.2238.37

2.2 試驗(yàn)方案

土體的初始條件(初始含水率、密度)與膨脹變形有密切關(guān)系，為了探究膨脹量與上覆荷載、厚度之間的關(guān)系，控制試樣初始條件相同而進(jìn)行膨脹量與某一變量關(guān)系試驗(yàn)。

試驗(yàn)前先將土樣在自然狀態(tài)下風(fēng)干，其風(fēng)干含水率為6%，初始干密度為1.88 g/cm3，將風(fēng)干后土樣用切割機(jī)、磨光機(jī)和砂紙等工具加工成直徑為8 cm，厚為2、4、6 cm的原狀土土樣若干。試樣在試驗(yàn)裝置上安裝好后，分別對(duì)2、4、6 cm厚試樣施加0、10、20、30、40、50 kPa的上覆荷載。加載結(jié)束后待位移傳感器穩(wěn)定后開始向土樣注水，注水方式為一次性注水直至試樣飽和，注水過(guò)程中始終保持水管水頭高出土樣5 cm，直到土樣膨脹穩(wěn)定后注水結(jié)束。最終膨脹穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為2 h內(nèi)位移傳感器讀數(shù)不超過(guò)0.01 mm。無(wú)荷和有荷膨脹量試驗(yàn)均保證注水膨脹時(shí)間不少于2 d。試驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置

3 結(jié)果與分析

3.1 上覆荷載對(duì)原狀膨脹土膨脹量的影響

圖3為不同厚度土樣的上覆荷載與膨脹量關(guān)系曲線，由圖3可知，當(dāng)上覆荷載為0、10、20、30、40、50 kPa時(shí)，h=2 cm土樣的最終膨脹量分別為0.298、0.237、0.21、0.166、0.142、0.126 mm，即隨著上覆荷載的增大，膨脹量在逐漸減小，且荷載越大，膨脹量越小，h=4 cm、h=6 cm土樣呈相似規(guī)律。這是因?yàn)椋?1)上覆荷載越大對(duì)膨脹性黏土顆粒(蒙脫石、伊利石、高嶺石)的抑制作用越強(qiáng)。上覆荷載使得土體附加應(yīng)力增大，作用于黏土顆粒的外力增大，抵消一部分膨脹性黏土顆粒的膨脹力，這樣膨脹顆粒自身膨脹變形減小。(2)上覆荷載抑制了膨脹性黏土顆粒表面吸附水膜的厚度，且上覆荷載越大，水膜厚度越薄，即膨脹性黏土顆粒的膨脹性越弱，最終膨脹量越小。(3)當(dāng)膨脹土吸水膨脹時(shí)，上覆荷載抑制了土體的豎向膨脹量，導(dǎo)致膨脹量向土體孔隙中釋放，最終將使土體更加密實(shí)，且上覆荷載越大土體越密實(shí)，豎向膨脹量越小。由以上分析可知，對(duì)于埋深較深的膨脹土，一方面承受很大的自重應(yīng)力，另一方面膨脹顆粒膨脹能力減弱，故埋深較深的膨脹土不膨脹或有微膨脹，所以膨脹土的膨脹變形主要發(fā)生在埋深較淺或表層地基。

圖3 不同厚度土樣的上覆荷載與膨脹量關(guān)系曲線

3.2 厚度對(duì)原狀膨脹土膨脹量的影響

圖4為厚度與膨脹量關(guān)系曲線，從圖4可知：當(dāng)上覆荷載為0 kPa時(shí)，厚度為2、4、6 cm土樣的膨脹量分別為0.298、0.318、0.33 mm，厚度為4 cm土樣的膨脹量是厚度為2 cm膨脹土膨脹量的1.07倍，厚度為6 cm土樣的膨脹量是厚度為2 cm膨脹土膨脹量的1.11倍，即膨脹土的厚度成比例增加時(shí)，其膨脹量并不成比例增長(zhǎng)，上覆荷載為10、20、30、40、50 kPa時(shí)，亦呈相同規(guī)律，且荷載越小時(shí)，膨脹量與試樣厚度非線性增長(zhǎng)特征更明顯。一方面隨厚度增加，土體的自重也相應(yīng)增大，增加的自重應(yīng)力進(jìn)一步增強(qiáng)了對(duì)膨脹顆粒的抑制作用，膨脹量減??；另一方面土體為離散性、非均勻材料，當(dāng)土體厚度增加時(shí)，土體不均勻性增大；同時(shí)要考慮尺寸引起的一些變化，土體厚度增大時(shí)，膨脹顆粒膨脹后易向徑向移動(dòng)，使在高度方向膨脹量變小。故膨脹土的厚度成比例增加時(shí)，其膨脹量并不成比例增加。

圖4 不同上覆荷載下厚度與膨脹量關(guān)系曲線

3.3 上覆荷載與厚度耦合作用下原狀土膨脹量計(jì)算模式

由以上分析可知，原狀土膨脹量不僅與上覆荷載有關(guān)，還與土體厚度有關(guān)。在實(shí)際工程中為了計(jì)算不同厚度膨脹土在上覆荷載下膨脹量，研究上覆荷載和土體厚度耦合作用下變化規(guī)律具有現(xiàn)實(shí)意義。圖5給出了不同試樣厚度下上覆荷載與膨脹量擬合關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)膨脹量與上覆荷載呈良好的指數(shù)關(guān)系，其回歸方程為

δp=ae-bp

(1)

式中,δp為加荷膨脹量，mm；p為上覆荷載，kPa；a、b為擬合參數(shù)，其值與所用土的自身性質(zhì)和外部條件有關(guān)，對(duì)本試驗(yàn)而言，為同一種土，且初始含水率、密度相同，僅與試樣厚度有關(guān)。

圖5 不同試樣厚度下上覆荷載與膨脹量擬合關(guān)系

不同試樣厚度下膨脹量與上覆荷載回歸方程見(jiàn)表2，因?yàn)閍、b與試樣厚度有關(guān)，因此，將a、b值與對(duì)應(yīng)的試樣厚度進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)參數(shù)a、b與試樣厚度h呈線性關(guān)系(圖6)，可表示為

a=e1h+f1

(2)

b=e2h+f2

(3)

式中,h為試樣厚度，cm；e1、e2、f1、f2為試驗(yàn)擬合參數(shù)，與土自身膨脹特性有關(guān)，本試驗(yàn)擬合方程及方差如圖3所示。

表2 不同試樣厚度下膨脹量與上覆荷載回歸方程

圖6 參數(shù)a、b與試樣厚度h擬合關(guān)系

將式(2)、式(3)同時(shí)代入式(1)中，得到有荷膨脹量的擬合公式

δp=e1he-(e2h+f2)p+f1e-(e2h+f2)p

(4)

通過(guò)進(jìn)一步對(duì)上述公式進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，證明其適用范圍為2 cm≤h≤8 cm，更為普遍的公式需試驗(yàn)和實(shí)踐進(jìn)一步驗(yàn)證。

代入本試驗(yàn)參數(shù)，可得新疆地區(qū)初始含水率為6%，干密度1.88 g/cm3原狀膨脹土有荷膨脹量公式

δp=-0.006 7he-(0.001 8h+0.005 7)p+

0.332 1e-(0.001 8h+0.005 7)p

(5)

在實(shí)際工程應(yīng)用中，可通過(guò)原狀膨脹土的有荷膨脹量試驗(yàn)得到式(5)擬合參數(shù)，推算膨脹土膨脹量，來(lái)預(yù)測(cè)變形或?qū)ㄖ锏钠茐某潭取?/p>

3.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證式(5)的正確性和適用性，進(jìn)行了試樣高度為8 cm，在不同上覆荷載下(加載等級(jí)為0、10、20、30、40、50 kPa)原狀土驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與理論值比較，通過(guò)圖7可以看出式(5)能夠較好反映該地區(qū)膨脹土膨脹率與上覆荷載、試樣厚度的變化關(guān)系，為實(shí)際工程計(jì)算膨脹變形提供了一種途徑。

圖7 不同上覆荷載下膨脹量試驗(yàn)值與計(jì)算值

4 結(jié)論

(1)上覆荷載對(duì)膨脹量起抑制作用，且荷載越大，抑制作用越強(qiáng)。因而對(duì)膨脹土地基，其膨脹主要發(fā)生在淺層地基，深層地基的膨脹土不會(huì)發(fā)生膨脹或發(fā)生膨脹的概率較小。

(2)當(dāng)原狀膨脹土的厚度成比例增加時(shí)，其膨脹量并不成比例增加，且上覆荷載越小時(shí)，膨脹量與試樣厚度非線性增長(zhǎng)特征更明顯。

(3)通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在厚度一定時(shí)，膨脹量與上覆荷載呈良好的指數(shù)關(guān)系，再依據(jù)不同厚度對(duì)公式參數(shù)進(jìn)行擬合，建立了上覆荷載和厚度耦合作用下原狀膨脹土膨脹量計(jì)算模式，計(jì)算模式與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，為今后膨脹土地區(qū)的工程建設(shè)提供理論支撐。

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