弱膨脹土增濕變形量試驗(yàn)及路堤填筑分析

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 路橋與港航工程學(xué)院，南京 211188)

1 研究背景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量的道路路堤建設(shè)需要經(jīng)過(guò)膨脹土分布地區(qū)，膨脹土的性質(zhì)是造成路基破壞最重要的原因，膨脹土的增濕變形特征是研究膨脹土路基或邊坡破壞的基礎(chǔ)與核心，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

文松松等[1]、劉清秉等[2]、邊加敏[3]對(duì)膨脹土的增濕膨脹變形進(jìn)行了研究，但這些成果均著力于研究土體在極端狀態(tài)下的膨脹變形量，致力于建立極端狀態(tài)下膨脹變形量與初始狀態(tài)(初始含水率、初始干密度及上覆壓力)的耦合關(guān)系，取得了較多的研究成果。但對(duì)于實(shí)際工程來(lái)說(shuō)，極端含水率變化狀態(tài)下的膨脹變形僅發(fā)生在路基的表面，隨著工程包邊法廣泛應(yīng)用于膨脹土路堤填筑中，路基表面被工程性質(zhì)良好的土體包裹，對(duì)用于路堤內(nèi)部填筑的膨脹土來(lái)說(shuō)，不完全浸水是土體增濕的常態(tài)。因此，研究不完全增濕狀態(tài)下的膨脹變形量，找出對(duì)土體膨脹變形影響最大的含水率變化區(qū)間，對(duì)于合理控制膨脹土的施工含水率，減小填筑后路堤的變形量具有十分重要的意義。

本文通過(guò)對(duì)不同初始含水率的膨脹土進(jìn)行不同增濕量的膨脹量(線膨脹率及膨脹力)試驗(yàn)，研究含水率變化對(duì)膨脹量的影響。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)材料的基本性質(zhì)

試驗(yàn)用土取自南京蕪申線東壩鎮(zhèn)航道段某邊坡，取土深度為1 m左右，土樣的液限為54%，塑限為27%，塑限指數(shù)為27%，土體的自由膨脹率為51%。土體重型擊實(shí)的最大干密度為1.83 g/cm3，最優(yōu)含水率為16.5%，蒙脫石含量為9.86%，比表面積為111.3 m2/g，土體粒徑<0.002 mm顆粒的含量為31.5%，按照文獻(xiàn)[4]，判斷此土為高液限弱膨脹土。

2.2 試驗(yàn)參數(shù)的選擇

2.2.1 干密度

當(dāng)前對(duì)工程包邊法的包裹厚度還沒(méi)有統(tǒng)一的確定方法，規(guī)范[5]、楊和平等[6]、余飛等[7]均提出各自的包邊厚度確定方法?？傮w而言包邊厚度均>2 m,路堤設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定高等級(jí)公路1.50 m以下的壓實(shí)度要求為>93%，按此壓實(shí)度確定試驗(yàn)土體的干密度約為1.70 g/cm3。工程包邊法的路堤結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 工程包邊法的路堤結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of subgrade constructed with wrapping method

2.2.2 含水率

路堤填筑膨脹土的施工含水率，當(dāng)前有不同的確定方法，如干法重型擊實(shí)的最優(yōu)含水率、干法重型擊實(shí)的最優(yōu)含水率+3%、濕法擊實(shí)的含水率、最大CBR(加州承載比)值所對(duì)應(yīng)的含水率等。為反映膨脹土在不同初始含水率下的變形特征，選擇3種典型的初始含水率進(jìn)行試驗(yàn)，分別為干法重型擊實(shí)的最優(yōu)含水率、干法重型擊實(shí)的最優(yōu)含水率±3%作為試驗(yàn)初始含水率。

2.3 試驗(yàn)方法

考慮到采用同一土樣較難完成不同增濕量的增濕變形試驗(yàn)，本次試驗(yàn)采用“等同”狀態(tài)下的土樣進(jìn)行增濕變形試驗(yàn)，這里的“等同”是指在相同土質(zhì)土性的情況下，按照相同的初始含水率及干密度制作土樣。通過(guò)對(duì)“等同”土樣進(jìn)行增濕試驗(yàn)，測(cè)定土體在不同增濕量下的線膨脹率。

2.3.1 無(wú)荷線膨脹率試驗(yàn)

采用無(wú)荷膨脹儀進(jìn)行無(wú)荷線膨脹率測(cè)定，制作若干初始干密度為1.70 g/cm3，初始含水率分別為13.5%，16.5%，19.5%的3種小環(huán)刀樣。取初始含水率為13.5%的小環(huán)刀樣若干組，每組2個(gè)試樣，分別裝入無(wú)荷膨脹儀中，用滴定管從第1組無(wú)荷膨脹儀的上部及下部滴入約為5%含水率的水量，在第2組儀器中加入約10%的水量，以此類(lèi)推，直至加水飽和為止。試驗(yàn)中每隔1 h測(cè)定土樣的膨脹變形量，膨脹穩(wěn)定的判定標(biāo)準(zhǔn)為連續(xù)2 h測(cè)定的變形量<0.01 mm。試驗(yàn)分組的數(shù)量根據(jù)土體的初始含水率確定，待土體膨脹穩(wěn)定后，取出環(huán)刀樣測(cè)定土體的含水率。試驗(yàn)完成后采用相同的方法繼續(xù)測(cè)定初始含水率為16.5%，19.5%土樣在不同增濕量情況下的無(wú)荷線膨脹率。

2.3.2 膨脹力試驗(yàn)

制作與無(wú)荷線膨脹率相同的小環(huán)刀樣，進(jìn)行不同增濕量的膨脹力測(cè)定。取初始含水率為13.5%的土樣若干組，分別裝入固結(jié)儀中，用滴定管從第1組無(wú)荷膨脹儀的上部及下部滴入約為5%含水率的水，測(cè)定土體的膨脹力；待膨脹穩(wěn)定后取出試樣測(cè)定小環(huán)刀樣的含水率，在第2組試樣中加入約10%含水率的水，以此類(lèi)推直至加水飽和為止。試驗(yàn)分組的數(shù)量根據(jù)試驗(yàn)用的初始含水率確定，待膨脹穩(wěn)定時(shí)，取出土樣測(cè)定含水率。試驗(yàn)完成后采用相同的方法進(jìn)行初始含水率為16.5%，19.5%的膨脹力試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同初始含水率下的線膨脹率分析

將“等同”試樣在13.5%，16.5%及19.5% 3種初始含水率下，進(jìn)行不同增濕量膨脹變形后的線膨脹率列于圖2。

圖2 線膨脹率隨增濕量的變化曲線Fig.2 Linear swelling ratio of test specimens against moistening degree

由圖2可見(jiàn)，含水率與線膨脹率關(guān)系曲線在不同初始含水率下具有相似的變化規(guī)律。在含水率增加前期，線膨脹率增加迅速；當(dāng)達(dá)到一定的含水率增量時(shí)，線膨脹率增濕變形曲線逐漸趨于平緩，曲線的轉(zhuǎn)點(diǎn)含水率均在25%左右。這表明：

(1)線膨脹率受含水率變化的影響較大，含水率增加越多，線膨脹率增加越大。

(2)前期初始含水率的增加會(huì)引起較大的膨脹變形，而后期含水率的增加對(duì)膨脹變形的影響較小。

(3)線膨脹率大小與初始含水率密切相關(guān)，初始含水率越大，線膨脹率的增加越??；反之，線膨脹率增加越大。

造成上述(1)和(2)的主要原因是：土體的膨脹變形主要由晶格內(nèi)部的膨脹變形及聚集體間的擴(kuò)張變形造成，晶格內(nèi)部的膨脹變形在膨脹土變形中占主要部分。當(dāng)土體初次浸水時(shí)，首先進(jìn)入晶格內(nèi)部，晶格內(nèi)的擴(kuò)張作用得到了較好的發(fā)揮，此時(shí)的膨脹變形較大，在曲線上表現(xiàn)為前期曲線的增加速度較快，膨脹變形量較大。當(dāng)晶格內(nèi)部膨脹充分后，水分進(jìn)入聚集體間，此階段的膨脹變形主要由于含水率的增大導(dǎo)致土體顆粒間水膜厚度的增加造成，這是膨脹土浸水后期線膨脹率隨含水率增加變化不大的主要原因。

造成上述(3)的主要原因?yàn)椋焊鶕?jù)圖2膨脹土在無(wú)荷作用下的最終含水率在36%左右，初始含水率對(duì)土樣的最終飽和含水率影響不大，而在較低的初始含水率下土樣達(dá)到飽和時(shí)的含水率增量較大；而初始含水率越大，土樣的含水率增量越小，含水率增量的減小導(dǎo)致了初始含水率較高情況下的線膨脹率較小。

膨脹土的膨脹變形是由晶格間的擴(kuò)張、聚集體間的雙電層作用及吸力勢(shì)解除綜合作用的結(jié)果，前期膨脹土膨脹的速度較快，主要是由于晶格間的擴(kuò)張起主要作用，膨脹性能得到了較好的發(fā)揮。將土樣在初始含水率狀態(tài)下增濕至飽和時(shí)的線膨脹率與增濕至任意含水率時(shí)的線膨脹率差值定義換算線膨脹率，并記為式(1)。

(1)

將換算線膨脹率與含水率的關(guān)系列于圖3。

圖3 換算線膨脹率與含水率關(guān)系Fig.3 Relationship between converted linear expansive ratio and moisture content

從圖3易得，對(duì)于不同初始含水率的土樣，隨著含水率的增加，土樣的換算含水率呈非線性減小，增濕前期減小較大，而后期減小較少。當(dāng)增濕至25%含水率時(shí)，土樣的換算線膨脹率接近于0，且基本保持不變，這表明25%的含水率是晶格內(nèi)擴(kuò)張的極限含水率，超過(guò)25%的含水率后對(duì)膨脹變形起主要作用的為聚集體間的膨脹，由初始含水率增加至25%的含水率時(shí)，土體的膨脹變形量較大。

圖3中的虛線為10.0%，13.5%，16.5%，19.5%及22.5% 5種初始含水率下加水至土樣飽和時(shí)的無(wú)荷線膨脹率的變化規(guī)律，初始含水率為10.0%，22.5%的線膨脹率按照規(guī)范試驗(yàn)方法獲得，可見(jiàn)：

(1)土體增濕至任意狀態(tài)下的換算線膨脹率均小于相同初始狀態(tài)的最大線膨脹率，這主要是由于膨脹土土體的最大線膨脹率受到多個(gè)因素的影響，而隨著含水率增量的增大，晶格間擴(kuò)張作用的影響逐漸減小，至25%含水率拐點(diǎn)后含水率的增加對(duì)晶格間的擴(kuò)張作用的影響極小。

(2)隨著初始含水率的增大，土體浸水飽和后的線膨脹率也呈線性減小。這一結(jié)論與其他學(xué)者的研究基本一致，這主要是由于膨脹試驗(yàn)所采用的初始含水率均<25%。

3.2 不同初始含水率下的膨脹力分析

將“等同”試樣在13.5%，16.5%及19.5% 3種初始含水率下，進(jìn)行不同增濕量的膨脹力試驗(yàn)后的膨脹力與含水率的關(guān)系列于圖4。

從圖4可見(jiàn)，對(duì)于相同初始含水率的土樣，土樣的膨脹力隨含水率的增加逐漸增加，曲線的增加呈2段，前段增長(zhǎng)較快，當(dāng)土體的含水率增加至25%左右時(shí)，繼續(xù)增加含水率對(duì)膨脹力變化的影響不明顯。造成這一現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋和馏w的膨脹是由晶格間的膨脹及聚集體之間膨脹引起，單位含水率變化造成的晶格膨脹較大，而對(duì)集聚體之間的膨脹影響較小。膨脹力是由于荷載對(duì)2種膨脹變形的約束造成，相應(yīng)于土體膨脹的2個(gè)階段，膨脹力變化也必然分為2個(gè)階段，前半階段主要約束土體晶格間的膨脹，因此，土體的膨脹力增長(zhǎng)較快。

對(duì)于不同初始含水率的膨脹土土樣來(lái)說(shuō)，初始含水率越大，膨脹力越小，這主要是由于在較高的初始含水率下，土體達(dá)飽和時(shí)的增濕量較小。文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]采用膨脹反壓法進(jìn)行試驗(yàn)得出土體的膨脹力與初始含水率無(wú)關(guān)，這可能是由于兩者的試驗(yàn)方法不同造成。

(2)

式中：Psmax為干密度ρ0的土樣在w0狀態(tài)下增濕至飽和時(shí)的膨脹力(kPa)；Psi為干密度ρ0的土樣在w0狀態(tài)下增濕至過(guò)程含水率wd時(shí)的膨脹力(kPa)。

圖5 換算膨脹力與含水率關(guān)系Fig.5 Relationship between converted swelling force and moisture content

圖5為換算膨脹力與土體含水率之間的關(guān)系，圖中虛線為在10.0%，13.5%，16.5%，19.5%及22.5% 5種初始含水率下加水至土樣飽和時(shí)的膨脹力的變化規(guī)律，初始含水率為10.0%，22.5%的膨脹力按照規(guī)范試驗(yàn)方法獲得。由圖5可知對(duì)于相同初始含水率的膨脹土而言，土體的膨脹力均大于換算膨脹力，主要是由于造成土體產(chǎn)生膨脹力的因素較多，最大膨脹力包括了影響膨脹力變化的所有因素。

對(duì)比圖5及圖3可知，除初始含水率為19.5%土樣的換算膨脹力外，其余各換算膨脹量均在25%的含水率附近產(chǎn)生轉(zhuǎn)點(diǎn)，這表明對(duì)于本文試驗(yàn)土樣來(lái)說(shuō)，晶格間膨脹的極限含水率為25%。從初始含水率增濕至含水率25%時(shí)，土體的線膨脹率及膨脹力均存在較大的增長(zhǎng)，此階段土體的膨脹性能主要由晶格間的擴(kuò)張決定。含水率>25%時(shí)，含水率的增加對(duì)土體膨脹性能的影響不明顯。而對(duì)于初始含水率為19.5%土樣的換算線膨脹率產(chǎn)生差異最可能的原因?yàn)樵诖顺跏己氏略囼?yàn)過(guò)程沒(méi)有增濕至25%左右含水率的試驗(yàn)土樣。

4 膨脹土路堤的含水率變化分析

根據(jù)文獻(xiàn)[4]的監(jiān)測(cè)結(jié)果，土體表面30 cm深度為受大氣影響較大的區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)土體與環(huán)境的濕熱交換明顯。根據(jù)這一監(jiān)測(cè)結(jié)論，結(jié)合工程包邊的厚度一般在2 m以上,因此，用于路堤填芯素膨脹土含水率變化較小，最大含水率穩(wěn)定于平衡含水率附近。

可見(jiàn)，用于路堤填芯膨脹土的含水率變化處于填筑含水率與土體的塑限附近。因此,對(duì)用于路堤填筑膨脹土的施工含水率及平衡含水率進(jìn)行分析，研究路堤填筑中膨脹土的含水率變化區(qū)間，對(duì)于分析土體路堤填筑中的變形具有十分重要的意義。

4.1 膨脹土的平衡含水率

路堤破壞主要由于在溫度及降雨作用下，內(nèi)部的含水率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致膨脹土路堤的破壞，路堤內(nèi)部與大氣進(jìn)行的濕熱交換使得路堤土體的工程性質(zhì)不斷變化，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間(6～8 a) 后，土體的含水率逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。文獻(xiàn)[10]對(duì)廣西等省10種不同膨脹土的平衡含水率進(jìn)行研究，研究結(jié)論顯示達(dá)到穩(wěn)定后的平衡含水率與土體的塑限基本一致(不計(jì)地下水作用)。為驗(yàn)證這一結(jié)論，筆者截取了相關(guān)文獻(xiàn)[4，11-12]中位于路堤不同位置、不同路段的47種土樣進(jìn)行平衡含水率分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同土樣的平衡含水率與塑限關(guān)系Fig.6 Relationship between equilibrium moisture content and plastic limit of specimens

由圖6可以看出，47種膨脹土土樣的平衡含水率與塑限的比值基本圍繞1上下波動(dòng)，表明膨脹土土樣的平衡含水率與土樣的塑限近似一致，與膨脹土土樣的膨脹性能及取土位置關(guān)系不大(可見(jiàn)上覆壓力對(duì)土體的平衡含水率影響不大)，驗(yàn)證了文獻(xiàn)[9]的研究結(jié)論。

4.2 膨脹土路堤的施工含水率

路堤施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定采用干法重型擊實(shí)所測(cè)得的最大含水率作為路堤的壓實(shí)含水率，但采用干法重型擊實(shí)的最優(yōu)含水率時(shí)存在以下幾方面問(wèn)題：

(1)膨脹土的最優(yōu)含水率常處于15%～20%之間，但開(kāi)挖土體的含水率常處于25%～30%,甚至更高，將弱膨脹土用于路堤填筑時(shí)含水率降低的幅度較大，需要的時(shí)間較長(zhǎng)。

(2)采用干法重型擊實(shí)的最優(yōu)含水率進(jìn)行路堤施工時(shí)的含水率偏小，土體增濕至平衡含水率時(shí)的變形量較大，強(qiáng)度衰減較大。鑒于此，近些年來(lái)，學(xué)者們提出了不同的膨脹土施工含水率確定方法，實(shí)際施工含水率處于干法擊實(shí)的含水率與土體的塑限之間，一般比干法重型擊實(shí)的最優(yōu)含水率大3%～6%。

結(jié)合對(duì)膨脹土平衡含水率及施工含水率的分析可見(jiàn)，施工含水率及平衡含水率均為一確定值,可見(jiàn)上覆壓力對(duì)路堤填筑的含水率變化區(qū)間影響不大,采用無(wú)荷膨脹量試驗(yàn)方法確定的含水率變化區(qū)間可以模擬路堤內(nèi)部土體的含水率變化。

4.3 施工含水率變化對(duì)膨脹量影響

為進(jìn)一步研究填筑含水率對(duì)膨脹土膨脹量的影響，考慮到用于路堤填芯膨脹土的最終平衡含水率在25%左右，將25%含水率以下土樣的增濕變形特性進(jìn)行研究，并將擬合結(jié)果列于圖7。

圖7 含水率增量對(duì)線膨脹率增量和膨脹力增量的影響Fig.7 Influences of moisture content increment on theincrements of linear expansive ratio and swelling force

由圖7可見(jiàn)，土體的含水率在25%以下時(shí)，膨脹變形量(線膨脹率及膨脹力)增量與含水率增量表現(xiàn)出明顯的線性相關(guān)性，再次表明當(dāng)土體的含水率<25%時(shí)，含水率的變化對(duì)土體膨脹變形量的影響非常大。

因此，對(duì)于將膨脹土用于路堤填筑來(lái)說(shuō)，在滿足強(qiáng)度的前提下，適當(dāng)增加施工含水率對(duì)于土體膨脹變形量減小的影響十分明顯。結(jié)合現(xiàn)行研究中常采用的幾種施工含水率，將土體的含水率增大3%～6%時(shí)，與采用干法重型擊實(shí)的最優(yōu)含水率進(jìn)行施工時(shí)的膨脹變形量相比，土體的線膨脹率及膨脹力分別減小50%～60%及30%～55%。

結(jié)合上文的研究結(jié)論，用于路堤填芯素膨脹土的含水率變化范圍較小，但對(duì)路堤的變形影響極大，在滿足路堤強(qiáng)度要求的前提下，適當(dāng)增加土體的施工含水率對(duì)于減小土體的膨脹變形作用非常明顯。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)胥河某邊坡弱膨脹土進(jìn)行“等同”試樣不同增濕量的增濕變形試驗(yàn)，結(jié)合工程包邊法路堤的填筑內(nèi)部的含水率分布，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)弱膨脹土的膨脹變形量與初始含水率密切相關(guān)，初始含水率越小，土體的膨脹變形量越大。

(2)含水率的變化對(duì)弱膨脹土膨脹變形量的影響存在極限值，通過(guò)對(duì)3種初始含水率不同增濕量的線膨脹率及膨脹力研究得出含水率對(duì)試驗(yàn)用土膨脹變形量的影響的極限值為25%。

(3)對(duì)工程包邊法路堤內(nèi)部的含水率變化進(jìn)行分析，得出用于工程包邊法路堤填芯弱膨脹土的含水率變化處于對(duì)膨脹土膨脹變形量影響極大的含水率變化區(qū)間，在滿足路堤強(qiáng)度要求的前提下，適當(dāng)增加土體的施工含水率對(duì)于減小土體的膨脹變形量作用非常明顯。