膨脹土膨脹變形試驗(yàn)研究

李進(jìn)前，王起才, 2，張戎令, 2, 3，梁柯鑫，李航輝，劉愛倉

(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)

我國的膨脹土分布廣泛，膨脹土變形與破壞具有反復(fù)性、多發(fā)性和長期潛在性等特點(diǎn)，常常導(dǎo)致膨脹土地區(qū)建筑物基礎(chǔ)升降、建筑物及地坪開裂變形甚至破壞等[1- 3]。所以對膨脹土進(jìn)行研究十分必要，膨脹土膨脹的根本原因就是膨脹土中存在黏土礦物，黏土礦物含量越多，膨脹性也就越強(qiáng)，對工程的破壞和影響作用也就越大。對膨脹土已進(jìn)行了許多方面的研究，徐永福等[4]研究了膨脹土含水率、干密度、上覆壓力對膨脹量的影響；劉靜德等[5]對南水北調(diào)中線強(qiáng)膨脹巖重塑樣進(jìn)行了膨脹率試驗(yàn)，得到了膨脹率與干密度以及含水率的關(guān)系；譚羅榮等[6]研究了擊實(shí)膨脹土的膨脹力與膨脹率隨干密度、飽和度、含水量的變化規(guī)律；韋秉旭[7]進(jìn)行了側(cè)限條件下膨脹土膨脹變形試驗(yàn)研究，研究了軸向加壓條件下, 膨脹率與任一初始含水量、某一過程含水量和上部荷載之間的定量關(guān)系；丁振洲等[8]進(jìn)行了膨脹力變化規(guī)律的試驗(yàn)研究，對膨脹力隨增濕程度、干密度大小、起始含水率等因素的變化規(guī)律以及等同土樣進(jìn)行不同程度脫濕后的膨脹力變化規(guī)律開展了試驗(yàn)研究；陳偉志等[9]進(jìn)行了低矮路堤下膨脹土現(xiàn)場浸水試驗(yàn)研究，研究了路基填土期、穩(wěn)載期及人工浸水期膨脹土地基表面與路基表面的變形；楊果林等[10]進(jìn)行了膨脹土側(cè)向膨脹力原位試驗(yàn)，得到了膨脹力與含水率關(guān)系經(jīng)驗(yàn)公式；馬麗娜等[11]進(jìn)行了客運(yùn)專線無碴軌道地基泥巖原位浸水膨脹變形試驗(yàn)，研究了在不同上覆荷載、不同浸水深度下的地基泥巖的膨脹變形特性；王亮亮等[12]進(jìn)行了中強(qiáng)膨脹土的豎向膨脹力原位試驗(yàn)，研究豎向膨脹力隨時(shí)間、含水率增量、卸荷回彈量的變化規(guī)律。國內(nèi)學(xué)者對于膨脹土的研究，主要集中在室內(nèi)小型試樣的試驗(yàn)研究和室外原狀土的原位試驗(yàn)研究，室內(nèi)小型試樣由于尺寸效應(yīng)的緣故，試驗(yàn)結(jié)果具有一定的離散性，不能較好地反映膨脹土浸水之后的膨脹規(guī)律；而原狀土的原位試驗(yàn)，雖然可以比較準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場實(shí)際的膨脹土膨脹規(guī)律，但是由于現(xiàn)場原狀土樣土質(zhì)不均，并且對現(xiàn)場土樣注水膨脹時(shí)，不能保證準(zhǔn)確的浸水范圍，所以現(xiàn)場原狀土體膨脹范圍與試驗(yàn)設(shè)計(jì)有一定誤差；此外現(xiàn)場原位試驗(yàn)花費(fèi)代價(jià)較大，不便進(jìn)行持續(xù)性研究。為了克服此類問題，可進(jìn)行室內(nèi)大尺寸重塑膨脹土試樣的浸水膨脹試驗(yàn)研究，以克服小尺寸試樣由于尺寸效應(yīng)造成的試驗(yàn)誤差，且試驗(yàn)花費(fèi)較小，試驗(yàn)結(jié)果也比較準(zhǔn)確。

本文選取某高速鐵路地基泥巖為研究對象，進(jìn)行室內(nèi)大尺寸膨脹土增濕膨脹規(guī)律的試驗(yàn)研究，研究不同厚度的膨脹土在逐漸增濕過程中的膨脹規(guī)律。試驗(yàn)過程中為了滲水均勻以及加快滲水速率，需要在土體中開孔去除土體，填入細(xì)砂形成滲水通道。開孔越多，滲水通道和滲水面積越大，滲水膨脹變形越快；但是開孔會減少土體量，進(jìn)而影響膨脹量，會使試驗(yàn)者低估土體的膨脹特性，所以在進(jìn)行試驗(yàn)之前，需要對由于開孔造成的膨脹量損失進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到開孔損失的土樣體積率與土體損失的膨脹量之間的關(guān)系，對大尺寸膨脹土膨脹變形試驗(yàn)所得的膨脹量進(jìn)行修正，得到較為準(zhǔn)確的膨脹量。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)思路

為探究開孔造成的土樣損失體積率與膨脹量損失之間的關(guān)系，進(jìn)行兩種注水方式的膨脹變形試驗(yàn)。一種為不開孔的注水方式，即在試驗(yàn)儀器底部開一小孔，然后接塑料軟管從下往上進(jìn)行注水；另一種為開孔的注水方式，即在試驗(yàn)土體中開不同數(shù)量的注水孔進(jìn)行注水。進(jìn)行膨脹變形試驗(yàn)，得到兩種注水方式下的土體最終膨脹量；其中不開孔試樣沒有土體損失，開孔試樣根據(jù)所開孔的數(shù)量及開孔的直徑可以計(jì)算其土體損失體積率，然后分析得到土體損失體積率與膨脹量損失之間的關(guān)系。

在有側(cè)向約束的試驗(yàn)箱中，進(jìn)行3種不同厚度的大尺寸膨脹土試樣的浸水膨脹變形試驗(yàn)，在土體中開一定數(shù)量的孔進(jìn)行注水，注水按照一定梯度進(jìn)行，在土體上部架設(shè)若干百分表以觀測土體膨脹變形量。

1.2 試驗(yàn)過程

1.2.1注水方式對膨脹變形的影響試驗(yàn) 為研究2種注水方式對膨脹土膨脹變形的影響，按如下步驟進(jìn)行試驗(yàn)：

(1) 制備土樣。本試驗(yàn)選取某高速鐵路地基膨脹泥巖，碾碎后過5 mm的篩子，然后將碾碎后的土樣分批放入恒溫干燥箱中以50 ℃的低溫烘干48 h以上，保證土樣含水率為零。

(2) 加工試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置使用直徑為32 cm，高度45 cm的鋼桶。

(3) 加工注水管。注水管使用直徑為2.5 cm的PVC管，在注水管四周均勻鉆4列直徑為2 mm滲水孔，滲水孔沿PVC管長度方向距離為2 cm；注水管底部用橡膠扎住，防止水全部流入土體底部，使水分均勻向周邊滲透。

(4) 試驗(yàn)。將烘干的土樣配制成初始含水率為5%的試樣，然后按照1.6 g/cm3的干密度將試樣分層擊實(shí)進(jìn)試驗(yàn)鋼桶之中，本次試樣開孔數(shù)量分別為4，7，10。在擊實(shí)第1層土之前，將注水管預(yù)埋在相應(yīng)位置。不開孔試樣直接分層擊實(shí)，各試樣高度均為40 cm。

(5) 安裝百分表。將擊實(shí)后的各土體上部中央架設(shè)1個(gè)百分表，然后進(jìn)行1次初讀數(shù)。

(6) 注水。按照5%的梯度進(jìn)行注水，5%的梯度注水是指按照所擊實(shí)土體干土質(zhì)量計(jì)算5%含水率所需水的質(zhì)量，在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)注完5%的水，然后隔2 h進(jìn)行一次讀數(shù)，直至百分表兩次讀數(shù)之差小于0.01 mm時(shí)，表示膨脹穩(wěn)定，進(jìn)行下一級注水，直至土樣完全膨脹穩(wěn)定。

(7) 處理數(shù)據(jù)并分析。

1.2.2大尺寸膨脹土試樣膨脹變形試驗(yàn) 本次大尺寸膨脹土試樣的膨脹變形試驗(yàn)在尺寸為100 cm×62.5 cm×70 cm (長×寬×高)的試驗(yàn)鐵箱中，分20，40和60 cm共3種不同厚度進(jìn)行，具體試驗(yàn)過程如下：

(1) 取原狀土樣碾碎并過5 mm篩子，篩取足夠試驗(yàn)用的土樣，將土樣分批放入恒溫干燥箱中以50 ℃的低溫烘干48 h以上，保證土樣含水率為零。

圖1 百分表安裝位置(單位：cm)Fig.1Locations of dial indicators (unit: cm)

(2) 分批配制初始含水率為5%的土。將配制好的土樣用塑料保鮮膜密封24 h以上，使土樣中含水率均勻。

(3) 將土樣分層擊實(shí)進(jìn)試驗(yàn)箱中，擊實(shí)之前均勻預(yù)埋8個(gè)注水管。

(4) 將配制好的所需土樣擊實(shí)進(jìn)試驗(yàn)箱之后，為了準(zhǔn)確測定土體的膨脹量，使用7個(gè)百分表均勻架設(shè)在土體表面各處，百分表架設(shè)位置見圖1所示。

(5) 架設(shè)百分表后進(jìn)行初始讀數(shù)，之后開始注水，所有試樣均以2%的梯度注水，并且每2 h進(jìn)行1次讀數(shù)，直至所有百分表兩次讀數(shù)之差不超過0.01 mm，進(jìn)行下一級注水，直至百分表讀數(shù)不再發(fā)生變化，表示整個(gè)土體膨脹完成。

(6) 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 注水方式對膨脹變形的影響

從圖2可以看出：(1) 不開孔與開孔注水試樣的膨脹時(shí)程曲線有較大的差異。(2) 開孔注水的土樣膨脹時(shí)程曲線可以分為3個(gè)階段(圖3)：Ⅰ為初始快速膨脹階段、Ⅱ?yàn)闇p速膨脹階段、Ⅲ為趨于穩(wěn)定階段；這是由于開孔注水時(shí)，水分可以比較均勻地滲透到土體上中下部各處，使土樣各部均進(jìn)水膨脹，因此膨脹量剛開始增長比較迅速，隨著水分持續(xù)滲入土體中，土體含水率隨之增大，水分滲入土體速率逐漸減小，且土體膨脹潛勢也釋放了大部分，所以膨脹量增長速度逐漸減小并趨于穩(wěn)定。(3) 不開孔注水的土樣膨脹時(shí)程曲線可以分為4個(gè)階段(圖3)：Ⅰ為初始緩慢膨脹階段、Ⅱ?yàn)榭焖倥蛎涬A段、Ⅲ為減速膨脹階段、Ⅳ為趨于穩(wěn)定階段；這是由于不開孔注水土樣采用從下往上注水的方式，水最先滲入下層土體，使之發(fā)生膨脹，但上層土體自重作用的影響使下層土體的膨脹受到約束，導(dǎo)致土體初期膨脹量增長比較緩慢，隨著水分的持續(xù)滲入，下層土體基本飽和，完全釋放了其膨脹潛勢，水分開始大量滲入上層土體，此時(shí)土體膨脹量開始迅速增長；隨著水分繼續(xù)滲入土體，土體含水率繼續(xù)增大，導(dǎo)致水分向周圍入滲速度變得十分緩慢，并且土體也基本釋放完其膨脹潛勢，所以土體整體膨脹量增長速度逐漸減小并趨于穩(wěn)定。(4) 不論是開孔注水還是不開孔注水的試樣，土體膨脹量在經(jīng)過一段較長緩慢增長期后，膨脹量又出現(xiàn)迅速增長的現(xiàn)象，這是由于在后期土體已經(jīng)基本飽和，再繼續(xù)向土體中注水時(shí)，水分會逐漸滲透出土體表面，使百分表下部的支板浮起，所以后期突然增長的那部分并不是土體的真實(shí)膨脹量，在突然增長之前趨于穩(wěn)定時(shí)膨脹量才是土體真實(shí)的膨脹量。(5) 開孔注水的土樣，開孔數(shù)量越多，前期土體膨脹量增長速度越快，且最終到達(dá)膨脹穩(wěn)定所需要的時(shí)間越短。由圖3可以看出開4，7，10孔注水孔的土體達(dá)到膨脹穩(wěn)定時(shí)所需時(shí)間逐漸增大。說明增加開孔數(shù)目可以提高滲水速率，縮短試驗(yàn)時(shí)間。這是由于增加注水孔道，增加了水分向土體滲透的滲水面積；使水分可以同時(shí)在土體更多位置處開始滲透。所以每級注水后，試樣注水孔越多，滲水越快，并且前期膨脹量增長速度更快，試樣整體達(dá)到膨脹結(jié)束所需時(shí)間更短。

圖2 膨脹量時(shí)程曲線Fig.2Time interval curve of expansion increment

圖3 膨脹量時(shí)程曲線劃分階段Fig.3 Division stage of time interval curve of expansion increment

2.1.2土體損失體積率與膨脹量損失關(guān)系 因?yàn)樵谕蝗辉鲩L之前趨于穩(wěn)定時(shí)的膨脹量才是土體真實(shí)的膨脹量，所以不開孔注水土體的真實(shí)膨脹量為5.60 mm，開4孔的土體真實(shí)膨脹量為4.10 mm，開7孔的土體真實(shí)膨脹量為2.79 mm，開10孔的土體真實(shí)膨脹量為1.81 mm。

圖4 膨脹量損失與土樣損失體積率關(guān)系Fig.4 Relationship between expansion incrementlosses and soil sample loss volume fraction

對于同一種土樣，當(dāng)其初始含水率和干密度相同時(shí)，其最終膨脹量也應(yīng)該相同，但是由于開孔造成了土體削減，會使土體的最終膨脹量有所減小，且開孔越多，膨脹量損失越大；開4孔相對于不開孔膨脹量損失為5.60-4.10=1.50 mm，開7孔造成膨脹量損失為5.60-2.79=2.81 mm，開10孔造成的膨脹量損失為5.60-1.81=3.29 mm，由于注水管直徑為2.5 cm，試驗(yàn) 鋼桶直徑為32 cm，則開4孔、7孔、10孔的土樣損失體積率分別約為2.44%，4.26%和5.48%?？梢缘玫酵翗訐p失體積率與膨脹量損失關(guān)系如圖4所示。

由圖4可以看出，土體的膨脹量損失與土體損失體積率之間呈正相關(guān)，對其進(jìn)行線性擬合，相關(guān)系數(shù)為0.99，說明擬合程度比較高，其關(guān)系式為：

Δδ=0.617ΔV+0.02(0<ΔV≤5.48)

(1)

式中：Δδ為膨脹量損失(mm)；ΔV為土體損失體積率(%)。

2.2 大尺寸膨脹土試樣膨脹變形試驗(yàn)

2.2.1不同厚度土體膨脹時(shí)程曲線 按照試驗(yàn)方式完成不同厚度的大尺寸膨脹土浸水膨脹變形試驗(yàn)，得到不同厚度的大尺寸膨脹土膨脹時(shí)程曲線，20,40和60 cm厚的土體膨脹時(shí)程曲線見圖5。

由圖5可以看出：(1) 由于土體浸水膨脹過程是分級注水，所以3個(gè)試樣各百分表下土體的膨脹時(shí)程曲線均呈現(xiàn)出階梯狀的增長趨勢。(2) 每級注水后，土體膨脹量均呈現(xiàn)出外凸形的增長趨勢，即每級注水之后，土體膨脹量先是快速增長，然后膨脹量增長速度逐漸減小，最終膨脹量趨于穩(wěn)定。(3) 3個(gè)厚度的試樣土體每次分級注水后產(chǎn)生的過程膨脹量呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，即在前期每級注水后，膨脹量增長較多，隨著注水次數(shù)增加，每級注水之后的過程膨脹量越來越小。(4) 3個(gè)厚度的試樣土體膨脹量在整個(gè)膨脹過程也呈現(xiàn)出外凸形的增長趨勢，即整個(gè)膨脹過程也是前期增長速率較快，隨著注水次數(shù)增加，土體的含水率逐漸增加，土體的膨脹量增長速率逐漸減小，直至整個(gè)土體的膨脹量不再發(fā)生變化，土體膨脹完成。(5) 不 同厚度的試樣各百分表下土體的膨脹時(shí)程曲線有所差異，膨脹過程中各階段注水之后，各百分表下土體的膨脹量也有較大的差異，這是由于試樣土體表面較大，往試驗(yàn)箱擊實(shí)試樣的過程中，土體各部分的密實(shí)度不能保證完全一致，因此試樣注水膨脹過程中，各級注水之后的膨脹量變化趨勢也有較大的差異，并且3個(gè)厚度的試樣各百分表下土體的最終膨脹量也有一定的差異。(6) 3個(gè)不同厚度的土樣，由于土樣總量不相同，所以各厚度的土樣最終完成整個(gè)膨脹過程所需要的時(shí)間也不相同?？梢钥闯?，20，40和60 cm厚的試樣完成整個(gè)膨脹過程分別需要358，398和442 h，即隨著試樣土體厚度的增加，完成整個(gè)膨脹過程所需要的時(shí)間越長。

圖5 膨脹土膨脹時(shí)程曲線

2.2.2不同高度模型土體的真實(shí)膨脹量 由圖5可見，不同厚度的試驗(yàn)土體完全膨脹時(shí)，各百分表所測得的土體膨脹量有所差異。20 cm厚的試樣土體1#～7#百分表的膨脹量分別為11.275，10.536，10.523，9.887，10.543，10.932和11.882 mm，平均膨脹量為10.797 mm；40 cm厚試樣的平均膨脹量為16.890 mm；60 cm厚試樣為21.200 mm。

近年來，各地紛紛啟動中小學(xué)名師培養(yǎng)工程、名師工作室或名師工作坊項(xiàng)目，旨在促進(jìn)有經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)秀教師突破原有零散、直覺的個(gè)性化經(jīng)驗(yàn)，走向經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)化、概念化與理論化，從而形成自己的教育教學(xué)主張或思想。從這個(gè)角度講，成為“名師”不僅僅是擁有外在的稱號、頭銜或地位，而是從感性的實(shí)踐者轉(zhuǎn)變?yōu)槔硇缘难芯空?、從?jīng)驗(yàn)豐富的“名師”轉(zhuǎn)變?yōu)橛薪虒W(xué)思想的“明師”。

圖6 土體厚度與膨脹量關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curve of soil thickness and expansion increment

由于3個(gè)厚度的試樣土體中埋置了注水管，會對土體的真實(shí)膨脹量造成一定的影響，所以要對埋置注水管造成的膨脹量損失進(jìn)行計(jì)算，確定不同厚度的試樣土體其真實(shí)膨脹量。

不同厚度的試樣土體由于均埋置了8根注水管，所以不同厚度的試樣土體體積損失率應(yīng)都一樣，經(jīng)計(jì)算不同厚度的試樣土體體積損失率為0.63%，由式(1)計(jì)算得到膨脹量損失為0.41 mm?？梢?，由于注水管埋置數(shù)量較少，注水管直徑也較小，和整個(gè)試驗(yàn)土體相比，埋置注水管開孔造成的土體損失較小，所造成的膨脹量損失也很小。

考慮注水管造成的膨脹量損失之后的各厚度試樣土樣的真實(shí)膨脹量為11.207，17.300和21.600 mm，則不同厚度的大尺寸膨脹土試樣的膨脹量變化曲線如圖6所示。

由圖6可以看出，試樣土體在厚度60 cm的范圍內(nèi)，其最終真實(shí)膨脹量隨著厚度的增加而增長，但是膨脹量增加的幅度在降低。這是因?yàn)楹穸仍酱蟮耐馏w，下部同樣厚度土體受到上部土體的自重作用越大，導(dǎo)致下部土體在浸水膨脹過程中會受到更大的上覆荷載，使下部土體相比無上覆荷載情況下的膨脹量會大大減小，所以雖然土體膨脹量隨著厚度增加而增大，但是增大的幅度卻在降低。

2.2.3不同上覆荷載下膨脹量變化 3個(gè)不同厚度的大尺寸膨脹土試樣，可以看作是20 cm厚的試樣經(jīng)受不同的上覆荷載，40 cm厚的試樣相當(dāng)于20 cm厚的試樣經(jīng)受20 cm厚土體自重的上覆荷載，所以40 cm厚試樣與20 cm厚試樣的膨脹量差值就是20 cm厚的試樣受20 cm厚土體自重的上覆荷載的膨脹量，其值為6.093 mm；同理得60 cm厚試樣與40 cm厚試樣的膨脹量差值就是20 cm厚試樣受40 cm厚土體自重的上覆荷載的膨脹量，其值為4.300 mm。由于土體密度為1.6 g/cm3，浸水膨脹完成后脹限含水率均為23%，則膨脹穩(wěn)定時(shí)產(chǎn)生0.736 kPa的水壓力，土體自重產(chǎn)生3.2 kPa的壓力，所以20 cm厚的土體膨脹飽和時(shí)自重相當(dāng)于3.736 kPa的上覆荷載，40 cm厚的土體膨脹飽和時(shí)自重相當(dāng)于7.472 kPa的上覆荷載。20 cm厚試樣土體在不同上覆荷載下的膨脹曲線如圖7。

圖7 上覆荷載與膨脹量關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curve of overlying load and expansion increment

由圖7可以看出，當(dāng)上覆荷載在7.472 kPa 的范圍內(nèi)，20 cm 厚試樣土體的膨脹量隨著上覆荷載的增大而減小，但是隨著荷載的增大，膨脹量的減幅降低。這是因?yàn)橥馏w在無上覆荷載時(shí)，其膨脹潛勢得到完全釋放，當(dāng)土體受到3.736 kPa的上覆荷載時(shí)，土體膨脹受到很大約束，膨脹量是無上覆荷載時(shí)膨脹量的54%，說明土體受到3.736 kPa的上覆荷載時(shí)，已經(jīng)限制了土體絕大部分膨脹潛勢。上覆荷載再增大3.736 kPa，雖然會進(jìn)一步限制土體的膨脹，但由于土體已經(jīng)受到3.736 kPa的上覆荷載，比無上覆荷載時(shí)更加密實(shí)，所以上覆荷載從3.736 kPa增大到7.472 kPa時(shí)，土體的膨脹量的減幅相比荷載從0 變化到3.736 kPa時(shí)膨脹量的減幅要小。

3 結(jié) 語

對某高速鐵路地基膨脹泥巖重塑樣進(jìn)行不同注水方式的膨脹土浸水變形試驗(yàn)和大尺寸膨脹土試樣浸水膨脹變形試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1) 不同注水方式下膨脹土的膨脹時(shí)程曲線有較大不同。開孔注水的土樣膨脹時(shí)程曲線可以分為初始快速膨脹、減速膨脹和趨于穩(wěn)定3個(gè)階段；不開孔注水的土樣膨脹時(shí)程曲線可以分為初始緩慢膨脹、快速膨脹、減速膨脹和趨于穩(wěn)定4個(gè)階段。

(2) 不同厚度的大尺寸膨脹土試樣的膨脹量隨時(shí)間的整體增長趨勢一致，均呈外凸形增長趨勢，并且每級注水之后，膨脹量增長趨勢也呈外凸形增長趨勢。

(3) 大尺寸膨脹土試樣厚度小于60 cm時(shí)，膨脹量隨厚度的增加而增大，膨脹量的增幅減小。

(4) 大尺寸膨脹土試樣上覆荷載小于7.472 kPa時(shí)，膨脹量隨著上覆荷載的增大而減小，但減幅降低。