膨脹土增濕過程中膨脹規(guī)律的試驗(yàn)研究

李進(jìn)前，王起才, 2，張戎令, 2, 3，張?zhí)畦?，王天雙，梁柯鑫

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 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，甘肅 蘭州 730070)

膨脹土是具有顯著吸水膨脹和失水收縮特性的高塑性黏土。膨脹土由于其顯著的濕脹干縮性，常常給膨脹土地區(qū)的工程建設(shè)造成嚴(yán)重破壞[1]，所以國內(nèi)外對膨脹土的膨脹特性方面有較多研究[2-6]。黏土礦物是導(dǎo)致膨脹土膨脹的根本原因，且黏土礦物含量越多，其膨脹性越強(qiáng)，對工程的破壞和影響作用也就越大，但是膨脹土發(fā)生膨脹的前提就是膨脹土要遇水，膨脹土只有遇水才會發(fā)生膨脹，所以研究膨脹土的增濕過程對實(shí)際工程具有重要意義，對于膨脹土增濕過程中膨脹土各特性變化規(guī)律已進(jìn)行過許多研究，如丁振洲等[7]進(jìn)行了膨脹土增濕過程中膨脹力變化規(guī)律的研究；魯潔等[8]進(jìn)行了膨脹土增濕變形特性研究；鄢衛(wèi)平等[9]進(jìn)行了有荷條件下膨脹土分級增濕變形特性的研究。以上學(xué)者主要研究了膨脹土的膨脹力和膨脹率與初始含水率、初始干密度等參數(shù)之間的規(guī)律，而對于土體膨脹率與土體含水率之間的變化規(guī)律研究較少。筆者認(rèn)為膨脹土含水率從零增長至飽和含水率的過程中，其膨脹率會隨著土體含水率的變化而變化，但是膨脹率的變化過程不會是線性的，而是會分為幾個(gè)階段，并且膨脹率隨含水率變化過程中的變化節(jié)點(diǎn)含水率與膨脹土自身膨脹特性指標(biāo)有一定關(guān)系。在現(xiàn)有的鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)范[10]中，判定膨脹土膨脹潛勢時(shí)，使用陽離子交換量、自由膨脹率、蒙脫石含量作為判別指標(biāo)。另外通過前期各指標(biāo)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液限對膨脹土判定的敏感程度很高，陳善雄[11-13]也認(rèn)為液限這一指標(biāo)可以有效幫助判定膨脹土膨脹潛勢。所以可以綜合陽離子交換量、自由膨脹率、蒙脫石含量、液限這4個(gè)指標(biāo)，利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法主成分分析法將這4個(gè)指標(biāo)綜合成一個(gè)判別指標(biāo)，這個(gè)綜合判別指標(biāo)可以表征膨脹土膨脹能力的強(qiáng)弱，即膨脹土自身膨脹特性指標(biāo)。

本文選取某高速鐵路地基泥巖為研究對象，進(jìn)行室內(nèi)無荷膨脹率試驗(yàn)，研究其無荷膨脹率隨含水率增加過程中的變化規(guī)律，分析得到泥巖膨脹過程變化節(jié)點(diǎn)含水率；并在該高速鐵路不同里程處選取50處泥巖試樣，在室內(nèi)進(jìn)行陽離子交換量、自由膨脹率、蒙脫石含量、液限這4個(gè)指標(biāo)的測定，然后利用主成分分析法分析得到能表征該膨脹泥巖膨脹能力強(qiáng)弱的綜合判定指標(biāo)，即膨脹土自身膨脹特性指標(biāo)。最后分析膨脹土增濕過程中無荷膨脹率的變化節(jié)點(diǎn)含水率與膨脹土自身膨脹特性指標(biāo)之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)思路

要研究膨脹土增濕過程中無荷膨脹率隨含水率變化的規(guī)律，就要在進(jìn)行無荷膨脹率試驗(yàn)過程中能準(zhǔn)確地測量某一時(shí)刻試驗(yàn)土體的含水率，但是按照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123—1999)中無荷膨脹率的試驗(yàn)方法，試樣是完全浸入水中吸水膨脹，無法測定某一時(shí)刻試樣的含水率，所以試樣應(yīng)該取“等同”的巖土樣?！暗韧钡膸r土樣對于原狀土是指土源相同、有相同的初始含水率和初始干密度；對于重塑土是指土源相同，以相同的擊實(shí)方法制備，初始含水率和初始干密度也相同[7]。由于原狀土試驗(yàn)結(jié)果離散性較大，所以本試驗(yàn)采用重塑土樣進(jìn)行。本文利用“等同”試樣進(jìn)行無荷膨脹率試驗(yàn)，以不同初始含水率的試樣進(jìn)行無荷膨脹率試驗(yàn)，測得一系列不同初始含水率下的無荷膨脹率值，這一系列無荷膨脹率值，初始含水率為零時(shí)的無荷膨脹率值為該土樣最大的無荷膨脹率值，初始含水率為零的無荷膨脹率值減去初始含水率為某一含水率的無荷膨脹率值為膨脹土在此含水率時(shí)的無荷膨脹率值，依次類推，可以得到膨脹土在其他含水率時(shí)的無荷膨脹率值。

1.2 試驗(yàn)過程

(1)制備土樣。本試驗(yàn)選取某高速鐵路6個(gè)不同里程處的地基膨脹泥巖，將其碾碎后過2 mm的篩子，然后將各里程處土樣在恒溫干燥箱中干燥8 h以上。

(2)配制不同初始含水率的試樣。將已干燥的各里程土樣分別配制成不同初始含水率的試樣，各土試樣初始含水率選用0，3%，6%，9%，12%，15%和18%，試樣干密度均選用1.6 g/cm3。然后將試樣擊實(shí)進(jìn)環(huán)刀之中，保證試樣除初始含水率不同之外，其他條件相同；對于含水率為0的試樣，由于干密度選用比較低，所以應(yīng)小心擊實(shí)進(jìn)環(huán)刀之中。

(3)燜土。各土樣制備完成之后燜土48 h以上，將所制的土樣用塑料袋包裹，防止水分蒸發(fā)，同時(shí)使土體充分吸水，含水均勻。

(4)試驗(yàn)。將制備好的試樣按照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)要求放入固結(jié)儀中進(jìn)行試驗(yàn)。

(5)加水至土樣吸水飽和。記錄數(shù)據(jù)。

(6) 待各試樣膨脹完成之后，取出試樣稱重，然后放入恒溫干燥箱中烘干，烘干之后再次稱量，計(jì)算各試樣的脹限含水率，對于同一處土樣的脹限含水率取各試樣平均值。

(7)測得各土樣脹限含水率之后，將脹限含水率與18%相差較大的土樣，補(bǔ)充中間含水率試樣試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照試驗(yàn)方法進(jìn)行所有試樣的無荷膨脹率試驗(yàn)，得到6組土樣的無荷膨脹率隨含水率變化曲線如圖1所示。從圖1可以看出：

(1)6組土樣的無荷膨脹率均隨含水率的增加而增大，當(dāng)含水率增加至脹限含水率時(shí)，無荷膨脹率不再增加。

(2)6組土樣的無荷膨脹率隨含水率變化關(guān)系曲線可以分為3個(gè)階段：第1階段為快速增長階段，此階段無荷膨脹率隨著含水率增加快速增長，這是因?yàn)榇藭r(shí)土樣中不含水。當(dāng)水開始進(jìn)入土中時(shí)，水分子迅速進(jìn)入黏土礦物晶層，形成水膜并增厚，引起晶格擴(kuò)張導(dǎo)致土體迅速發(fā)生膨脹；第2階段為緩慢膨脹階段，這一階段無荷膨脹率的增長速度相比前一階段較為緩慢，因?yàn)榍耙浑A段土體已經(jīng)進(jìn)水了，土體發(fā)生了部分膨脹，水分子進(jìn)入晶層的速度沒有前一階段快，所以此階段無荷膨脹率增長速度較前一階段慢；第3階段為趨于穩(wěn)定階段，此階段無荷膨脹率增長速度相比上一階段更為緩慢，此階段無荷膨脹率已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定，沒有發(fā)生較大增長，這是因?yàn)榇穗A段土體進(jìn)水已經(jīng)趨于飽和，水分子進(jìn)入晶層的速度十分緩慢，因此無荷膨脹率增長速度十分緩慢，并且前兩個(gè)階段已經(jīng)完成了大部分膨脹，所以此階段無荷膨脹率增長程度不大。

圖1 無荷膨脹率隨含水率變化曲線Fig.1 Changing curve of non-loading expansion rate with moisture content

(3)由圖1(a)可以看出，里程K1345+850南處土樣在含水率為9%之前無荷膨脹率增長速度較快，且當(dāng)含水率為9%時(shí)，膨脹率占總膨脹率的59.67%；含水率為9%～22%時(shí)，土體吸水膨脹速度較前一階段緩慢，當(dāng)含水率為22%時(shí)，膨脹率占總膨脹率的94.63%；含水率為22%～29%時(shí)，土體吸水膨脹是3個(gè)階段中最緩慢的一個(gè)階段，土體膨脹已經(jīng)趨于穩(wěn)定，當(dāng)含水率為脹限含水率(29.25%)時(shí)，土樣完成了整個(gè)膨脹過程。由圖1(b)可以看出，里程K1346+600南處土樣在含水率為12%之前無荷膨脹率增長速度較快，當(dāng)含水率為12%時(shí)，膨脹率占總膨脹率的50.8%；含水率為12%～30%時(shí)，土體吸水膨脹速度較前一階段緩慢，當(dāng)含水率為30%時(shí)，膨脹率占總膨脹率的88.55%；含水率為30%～51%時(shí)，土體吸水膨脹速度是3個(gè)階段中最緩慢的一個(gè)階段，土體膨脹已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定，當(dāng)含水率為脹限含水率(51.12%)時(shí)，土樣完成了整個(gè)膨脹過程。由圖1(c)可以看出，里程K1345+350處土樣在含水率為6%之前無荷膨脹率增長速度較快，當(dāng)含水率為6%時(shí)，膨脹率占總膨脹率的55.5%；含水率為6%～18%時(shí)，土體吸水膨脹速度較前一階段緩慢，當(dāng)含水率為18%時(shí)，膨脹率占總膨脹率的91.88%；含水率為18%～24%時(shí)，土體吸水膨脹速度是3個(gè)階段中最緩慢的一個(gè)階段，土體膨脹已經(jīng)趨于穩(wěn)定，當(dāng)含水率為脹限含水率(24%)時(shí)，完成了整個(gè)膨脹過程。由圖1(d)可以看出，里程K1346+050處土樣在含水率為6%之前無荷膨脹率增長速度較快，當(dāng)含水率為6%時(shí)，膨脹率占總膨脹率的47.5%；含水率在6%～21%時(shí)，土體吸水膨脹速度較前一階段緩慢，當(dāng)含水率為21%時(shí)，膨脹率占總膨脹率的94.92%；含水率在21%～26%時(shí)，土體吸水膨脹速度是3階段中最緩慢的，土體膨脹已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定，當(dāng)含水率為脹限含水率(26.9%)時(shí)，完成了整個(gè)膨脹過程。由圖1(e)可以看出，里程K1345+200處土樣在含水率為9%之前無荷膨脹率增長速度較快，當(dāng)含水率為9%時(shí)，膨脹率占總膨脹率的56.44%；含水率為9%～21%時(shí)，土體吸水膨脹速度較前一階段緩慢，在含水率為21%時(shí)，膨脹率占總膨脹率的94.63%；在含水率為21%～29%時(shí)，土體吸水膨脹是3階段中最緩慢的一個(gè)階段，土體膨脹已經(jīng)趨于穩(wěn)定，且在脹限含水率(29%)時(shí)，完成了整個(gè)膨脹過程。由圖1(f)可以看出，里程K1346+848處土樣在含水率為9%之前無荷膨脹率增長速度較快，當(dāng)含水率為9%時(shí)，膨脹率占總膨脹率的48.52%；含水率為9%～25%時(shí)，土體吸水膨脹較前一階段緩慢，當(dāng)含水率為25%時(shí)，膨脹率占總膨脹率的89.34%；含水率為25%～45%時(shí)，土體吸水膨脹速度是3個(gè)階段中最緩慢的一個(gè)階段，土體膨脹已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定，當(dāng)含水率為脹限含水率(45.24%)時(shí)，土樣完成了整個(gè)膨脹過程。

快速膨脹階段泥巖發(fā)揮了大部分的膨脹能力，這一階段泥巖的膨脹率為總膨脹率的0～60%。

緩慢膨脹階段泥巖的膨脹能力相比快速膨脹階段較弱，即盡管吸收了相同量的水，但泥巖的膨脹能力比快速膨脹階段表現(xiàn)出來的膨脹能力要弱，這一階段泥巖的膨脹率為總膨脹率的40%～90%。

趨于穩(wěn)定階段膨脹土的膨脹能力最弱，盡管水進(jìn)入了土體的內(nèi)部，但是前期土體已經(jīng)發(fā)揮了大部分膨脹能力，所以該階段泥巖膨脹能力很弱，這一階段泥巖的膨脹率為總膨脹率的80%～100%。

為統(tǒng)一，規(guī)定ω1為膨脹率是總膨脹率的50%時(shí)對應(yīng)的含水率；ω2為膨脹率是總膨脹率的85%時(shí)對應(yīng)的含水率；ω3為脹限含水率。

3 膨脹土膨脹特性指標(biāo)

在現(xiàn)有的鐵路規(guī)范[10]中對于膨脹土膨脹潛勢的判別指標(biāo)為陽離子交換量、自由膨脹率、蒙脫石含量。還有根據(jù)前期的指標(biāo)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液限對泥巖膨脹性判定的敏感程度很高，能夠準(zhǔn)確地判定膨脹土膨脹潛勢，所以選取陽離子交換量、自由膨脹率、蒙脫石含量、液限這4個(gè)指標(biāo)在SPSS軟件中利用主成分分析法研究分析得到能表征膨脹土膨脹能力強(qiáng)弱的膨脹特性指標(biāo)。

3.1 主成分分析法及SPSS軟件簡介

主成分分析法[14]是考慮各個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系，利用降維的方法將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成少數(shù)幾個(gè)不相干的指標(biāo)，使研究變得簡單的一種統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法。主成分分析法利用降維的思想在損失很少信息的前提下將多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個(gè)綜合指標(biāo)，稱為主成分。每個(gè)主成分均是原始變量的線性組合，且各主成分之間互不相關(guān)，這就使得主成分比原始變量具有某些更優(yōu)越的性能。

SPSS軟件是世界上最早的統(tǒng)計(jì)分析軟件[15], 目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域和行業(yè)，SPSS軟件可以進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計(jì)分析、圖表分析、輸出管理等。SPSS統(tǒng)計(jì)分析過程包括描述性統(tǒng)計(jì)、相關(guān)分析、回歸分析、對數(shù)線性模型、聚類分析、判別分析、生存分析、時(shí)間序列分析等幾大類，每類中又分好幾個(gè)統(tǒng)計(jì)過程，比如回歸分析中又分線性回歸分析、曲線估計(jì)、Logistic回歸、加權(quán)估計(jì)、非線性回歸等多個(gè)統(tǒng)計(jì)過程。

3.2 利用膨脹土試樣指標(biāo)建立模型

選取該高速鐵路地基的不同里程處，不同膨脹程度的泥巖50處，在室內(nèi)進(jìn)行4個(gè)指標(biāo)的試驗(yàn)，由于篇幅限制，本文只列出部分泥巖試樣的指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表1)。由鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)范[10]評判標(biāo)準(zhǔn)可以判定表1中的大部分泥巖為無膨脹土，少部分為弱膨脹土和中膨脹土，但這是基于普通鐵路的判別標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)不適用于無砟軌道高速鐵路[16],所以利用該高速鐵路地基泥巖試樣可以建立適用于表征該高速鐵路地基泥巖膨脹潛勢的膨脹特性指標(biāo)Z值間的關(guān)系式。

表1 泥巖指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results of mud rock indexes

3.2.1泥巖土樣主成分分析法適用性檢驗(yàn) 由于泥巖試樣4個(gè)指標(biāo)的量綱不一致，需要對4個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，然后在SPSS軟件中對50處泥巖試樣的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。在進(jìn)行分析之前，需要進(jìn)行KMO抽樣參數(shù)檢驗(yàn)和Bareltee球形檢驗(yàn)[17]，以確定該數(shù)據(jù)是否適合做主成分分析。KMO 抽樣參數(shù)檢驗(yàn)用于比較變量之間偏相關(guān)與簡單相關(guān)系數(shù)，當(dāng)所有變量間的偏相關(guān)系數(shù)平方和遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于簡單相關(guān)系數(shù)平方和時(shí)，意味著指標(biāo)間的相關(guān)性越強(qiáng)，則越適合做主成分分析。Bartlett 球形檢驗(yàn)是根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣的行列式得到的，如果該值較大，那么應(yīng)該拒絕零假設(shè)，認(rèn)為相關(guān)系數(shù)矩陣不可能是單位陣，即原始變量之間存在相關(guān)性，適合于做主成分分析。檢驗(yàn)結(jié)果可知，KMO值為0.792(>0.7)，Bartlett球形度檢驗(yàn)Sig值是0(<0.05)，均滿足要求，因此適合對泥巖進(jìn)行主成分分析。

表2 方差解釋Tab.2 Variance explanation

3.2.2主成分分析 利用50處膨脹泥巖試樣的4個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)在SPSS軟件中進(jìn)行主成分分析，得到成分、特征值與貢獻(xiàn)率如表2所示。

由表2可以看出，前2個(gè)成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率是90.037%，由圖2所示碎石圖中可以看出各因子的重要程度，圖2把因子按照特征值的大小排列，從中可以確定最重要的因子。陡坡對應(yīng)較大的特征值，作用明顯。前兩個(gè)因子的散點(diǎn)處于陡坡上，后面的因子較為平緩。因此可以從4個(gè)指標(biāo)中提取出2個(gè)重要的主成分。

圖3為兩個(gè)主成分因子的因子空間載荷圖,由圖可知，主成分1中包括陽離子交換量、自由膨脹率和液限這3個(gè)指標(biāo)，主成分2包含蒙脫石含量。蒙脫石是親水黏土礦物，水分子容易進(jìn)入晶層之間使晶格擴(kuò)充，蒙脫石含量越多，膨脹土就表現(xiàn)出更大的膨脹能力。所以主成分2體現(xiàn)的是泥巖膨脹的本質(zhì)原因。陽離子交換量與黏土礦物含量有著密切關(guān)系，土的膨脹性越強(qiáng)，其陽離子交換量越大；自由膨脹率是反映膨脹性直接的指標(biāo)之一，膨脹土中親水物質(zhì)含量越多，其表現(xiàn)出的自由膨脹率也就越大；一般土的膨脹能力越強(qiáng)，其液限也越大；綜合分析可以看出成分1的這些指標(biāo)均與親水物質(zhì)有關(guān)，也就是說主成分1是膨脹土膨脹強(qiáng)弱的外在表征指標(biāo)。

圖2 碎石圖Fig.2 Macadam chart

圖3 因子空間載荷Fig.3 Factor space loading chart

3.2.3建立泥巖膨脹特性的表達(dá)式 在SPSS 軟件中采用回歸分析的方法得到如表3所示的成分得分系數(shù)，可以將因子系數(shù)作為各指標(biāo)在成分中的權(quán)重，將2個(gè)主成分表達(dá)為指標(biāo)的線性形式?？梢缘玫?個(gè)主成分的函數(shù)表達(dá)式：

表3 成分得分系數(shù)Tab.3 Ingredient scoring coefficient chart

Z1=-0.383M+0.411Fs+0.395SCEC+0.456Wl

(1)

Z2=1.173M-0.136Fs-0.086SCEC-0.185Wl

(2)

式中：Z1為膨脹土膨脹的外在表征成分；Z2為膨脹土膨脹的內(nèi)在本質(zhì)指標(biāo)；M為蒙脫石含量(%)；Fs為自由膨脹率(%)；SCEC為陽離子交換量(mmol/kg)；Wl為液限(%)。

主成分1和2對應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率分別為0.611 04 和0.289 32，將各主成分對應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率比例做為權(quán)重，通過計(jì)算得到膨脹特性表達(dá)式如下：

Z=4.789M+0.236Fs+0.02SCEC+0.072Wl

(3)

式中：Z為膨脹土自身膨脹特性指標(biāo)。

圖4 重塑泥巖膨脹力與Z值關(guān)系Fig.4 Relation chart of expansive force and Z value of remodeled mud rock

3.3 Z值計(jì)算式驗(yàn)證

由于Z值是表征膨脹土膨脹潛勢的指標(biāo)，而膨脹力是反映膨脹土膨脹能力與膨脹潛力的重要指標(biāo)[18],所以取50處泥巖試樣其中的30處，采用初始含水率為10%，干密度為1.6 g/cm3的重塑土試樣，測定其膨脹力來驗(yàn)證膨脹特性指標(biāo)Z值計(jì)算式對于膨脹土膨脹性強(qiáng)弱判斷的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。

由圖4可以看出，盡管試驗(yàn)結(jié)果有一定的離散性，但仍可以看出膨脹特性指標(biāo)Z值與膨脹力具有正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.81，擬合程度較好，據(jù)此可以說明膨脹特性指標(biāo)Z值可以表征膨脹土的膨脹潛勢，驗(yàn)證了計(jì)算式的合理性。

表4 膨脹土膨脹特性值和變化節(jié)點(diǎn)含水率Tab.4 Expansion characteristic value of expansive soil and moisture content of expansive soil change nodes

4 膨脹土節(jié)點(diǎn)含水率與膨脹特性關(guān)系分析

根據(jù)分析所得的式(3)，可以計(jì)算得到能夠表征膨脹土膨脹能力的膨脹特性值，將表1中6個(gè)土樣的4個(gè)指標(biāo)值代入式(3)中，可得到6個(gè)土樣的膨脹特性值和變化節(jié)點(diǎn)含水率如表4所示。由表4數(shù)據(jù)進(jìn)行6個(gè)土樣的含水率與Z值的相關(guān)分析，得到的關(guān)系見圖5。

對于不同里程的土樣的ω1,ω2,ω3，在增濕膨脹曲線中的位置不盡相同，而造成這種的差異的原因歸根結(jié)底是土體本身膨脹性的差異，作為衡量土體自身膨脹能力強(qiáng)弱的膨脹土自身膨脹特性指標(biāo)Z值與ω1,ω2,ω3有一定內(nèi)在聯(lián)系。通過Z值與ω1,ω2,ω3做相關(guān)性分析可以得到：

ω1=3.832 55+0.176 98Z

(4)

ω2=11.299 2+0.336 47Z

(5)

ω3=13.329 6+0.776 77Z

(6)

圖5 ω1，ω2，ω3與Z值關(guān)系Fig.5 Relationship between ω1，ω2，ω3 and Z value

膨脹土膨脹根本原因是土體中進(jìn)入水，而膨脹土在吸水膨脹過程中的每個(gè)階段，其膨脹強(qiáng)弱是不同的，詳細(xì)表現(xiàn)為：當(dāng)0≤w

5 結(jié) 語

(1)膨脹土增濕過程中，無荷膨脹率隨著含水率的增大而增大，其變化過程可以分為3個(gè)階段：快速增長階段，此階段膨脹土無荷膨脹率為總膨脹率的0～60%；緩慢增長階段，此階段無荷膨脹率為總膨脹率的40%～90%；趨于穩(wěn)定階段，此階段無荷膨脹率為總膨脹率的80%～100%。并規(guī)定ω1為膨脹率是50%時(shí)對應(yīng)的含水率；ω2為膨脹率是85%時(shí)對應(yīng)的含水率；ω3為膨脹結(jié)束對應(yīng)的含水率。

(2)選取陽離子交換量、自由膨脹率、蒙脫石含量、液限這4個(gè)指標(biāo)利用主成分分析法分析得到了能表征膨脹土膨脹能力強(qiáng)弱的膨脹特性指標(biāo)Z值。

(3)對膨脹土的變化節(jié)點(diǎn)含水率與自身膨脹特性指標(biāo)值進(jìn)行相關(guān)性分析，得到3個(gè)變化節(jié)點(diǎn)含水率與膨脹特性Z值之間的函數(shù)關(guān)系。

(4)在實(shí)際工程中，可以測定土樣的當(dāng)前含水率和4個(gè)指標(biāo)值，由4個(gè)指標(biāo)值計(jì)算得到膨脹特性Z值，由變化節(jié)點(diǎn)含水率與Z值的函數(shù)關(guān)系式計(jì)算3個(gè)變化節(jié)點(diǎn)含水率，然后判斷土體當(dāng)前含水率與3個(gè)變化含水率的關(guān)系，就能判斷土體在當(dāng)前含水率下膨脹性強(qiáng)弱，可對實(shí)際工程提供一定參考。