膨脹土變形特性的影響因素分析★

王亞輝 劉 杰 劉建政 劉航京

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

膨脹土與其他土體在物理及力學(xué)性能上都有較大的差異，膨脹土主要是由蒙脫石和伊利石組成，由于這兩種黏土礦物的強(qiáng)親水性，使得膨脹土的脹縮性尤為顯著。膨脹土在干濕循環(huán)作用下吸水膨脹，失水收縮的特性對(duì)我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)中的諸多領(lǐng)域都產(chǎn)生了極大的破壞作用。本文總結(jié)了膨脹土變形特性的研究現(xiàn)狀，系統(tǒng)地介紹了初始含水率、干密度及上覆荷載對(duì)膨脹土膨脹率和膨脹力的影響進(jìn)展。

1 膨脹率變化規(guī)律的研究現(xiàn)狀

由于膨脹土中含有大量的蒙脫石、伊利石等強(qiáng)親水性黏土礦物，因而膨脹土?xí)杏鏊蛎洠湛s的脹縮變形。這種特性不僅與膨脹土的礦物構(gòu)成、空間結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)，也會(huì)受到膨脹土所處的初始狀態(tài)，外部荷載及環(huán)境等因素的影響。

很多學(xué)者對(duì)膨脹土的脹縮變形進(jìn)行了大量深入的研究，普遍認(rèn)為膨脹土的膨脹變形是由親水性黏土礦物與水發(fā)生的物理化學(xué)作用的結(jié)果。目前，該過程的作用機(jī)理主要有晶格擴(kuò)張和顆粒間擴(kuò)張[1]。

1.1 初始含水率的因素分析

膨脹土遇水膨脹、失水收縮的特性，決定了水的因素對(duì)膨脹土變形規(guī)律有一定的影響。早期就有許多的巖土工作者通過對(duì)不同初始含水率的膨脹土試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，認(rèn)為初始含水率與膨脹率密切相關(guān)，且膨脹率隨初始含水率的增大而減少[2]。初始含水率越低，黏粒周圍的結(jié)合水膜就越薄，毛細(xì)管中水的張力也就越小，其吸水的能力越強(qiáng)，這樣外界更多的水分進(jìn)入土體中，與土中的親水性黏粒礦物發(fā)生相互作用，使黏粒礦物內(nèi)部的晶格出現(xiàn)擴(kuò)張，并且黏粒周圍的結(jié)合水膜厚度增加，從而導(dǎo)致黏土礦物的顆粒間間距增大，引起越大的體積膨脹[1,3]。

1.2 干密度的因素分析

膨脹土主要是由蒙脫石等黏土礦物組成，黏土礦物中的固體顆粒部分會(huì)因初始干密度的不同，造成固體顆粒間的空隙不同，進(jìn)而會(huì)對(duì)膨脹土的變形產(chǎn)生影響。長(zhǎng)期以來，許多巖土工作者致力于初始干密度因素對(duì)于膨脹變形影響的研究。王征等[2]對(duì)南水北調(diào)禹州段膨脹土進(jìn)行了研究；李振等[4]開展了對(duì)于不同初始干密度下的膨脹土在分級(jí)浸水過程中的浸水特性研究，認(rèn)為膨脹土的膨脹率是隨著干密度的增大而增大。原因在于膨脹土的膨脹是土體內(nèi)部親水性黏土礦物與水發(fā)生相互作用的結(jié)果。隨著初始干密度的增大，單位體積內(nèi)所含親水性的黏土礦物含量就會(huì)越多，從而膨脹率就會(huì)越來越大。

1.3 上覆荷載的因素分析

大多膨脹土地區(qū)的膨脹土上部都存在其他土層或附加荷載。研究上覆荷載對(duì)于膨脹土變形的影響是必不可少的。由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)操作難度大、成本高等因素，所以上覆荷載對(duì)于膨脹土變形規(guī)律的研究大多都采用室內(nèi)試驗(yàn)。盧坤林等[5]通過對(duì)不同壓力下膨脹土的變形分析研究，認(rèn)為上覆荷載對(duì)于膨脹土的膨脹變形有較大的抑制作用，且荷載越大，抑制作用越顯著。上覆荷載對(duì)于膨脹土的變形特性是有很大影響的，其原因在于當(dāng)膨脹土受到上覆荷載作用時(shí)，土體中的有效應(yīng)力會(huì)隨著上覆荷載的增大而增大。土中水的含量就會(huì)相應(yīng)地減少，最終抑制了膨脹土的膨脹變形。

1.4 各種因素的耦合作用分析

膨脹土所受到的自身或外界因素，隨各種環(huán)境因素是在不斷變化。所以需要考慮各因素之間的耦合作用，以致于更好地揭示膨脹土的變形規(guī)律。在考慮初始含水率、初始干重度和上覆荷載三者的耦合作用下，建立了關(guān)于膨脹土膨脹量的計(jì)算模式，并滿足于工程上的精度要求，對(duì)以后解決工程上問題有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 膨脹力變化規(guī)律的研究現(xiàn)狀

在《巖土工程基本術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)》中定義膨脹力是指土體在不允許側(cè)向變形下充分吸水，使其在吸水的過程中始終不發(fā)生豎向脹縮所施加的最大壓力值。對(duì)于膨脹土的礦物組成、空間結(jié)構(gòu)和干密度等因素與膨脹力的變化規(guī)律有關(guān)已得到普遍的認(rèn)可，但是對(duì)于初始含水率對(duì)膨脹力的變化影響在早期并沒有達(dá)成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。

2.1 初始含水率的因素分析

在早期就初始含水率對(duì)于膨脹力是否有影響，存在兩種不同的看法。一種是認(rèn)為兩者之間沒有關(guān)系，另一種則認(rèn)為有關(guān)。丁振洲等[1]從力學(xué)的概念重新界定了膨脹力，認(rèn)為膨脹力的大小與初始含水率是有關(guān)的，并把從力學(xué)方面定義的膨脹力視為自然膨脹力。王芳等[6]通過對(duì)南水北調(diào)中線工程淅川縣地區(qū)的4種不同特性的膨脹土樣進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，其研究結(jié)論為南水北調(diào)中線工程中涉及到的膨脹土處理提供了依據(jù)。

2.2 各因素的耦合分析

對(duì)于膨脹力變化規(guī)律的研究分析也是通過一系列的室內(nèi)試驗(yàn)，從理論上來說對(duì)于研究的結(jié)果存在一定的局限性。王征等[2]通過回歸分析，建立了考慮兩者耦合作用下膨脹力的計(jì)算公式。許多研究表明，隨著初始含水率增大，膨脹力不斷減小。項(xiàng)偉等[7]通過對(duì)河南新鄉(xiāng)地區(qū)弱膨脹的研究，得出了不一樣的結(jié)論，即初始干密度一定時(shí)，隨著初始含水率的增加，重塑弱膨脹土的膨脹力先增大后減小，存在著膨脹力峰值?？紤]不同因素間的耦合作用對(duì)膨脹力變化的研究有著重要的意義。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的研究成果能夠指導(dǎo)如何在實(shí)際工程中更好地預(yù)防和減小膨脹土所帶來的危害，同時(shí)也能減少國(guó)家損失和確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全。