初始含水率對膨脹性古土壤力學性能的影響

葉萬軍，魏 偉，鄭 超，陳 明

(1.西安科技大學 建筑與土木工程學院，陜西 西安 710054;2.中鐵十二局集團工程有限公司，陜西 西安 710054)

古土壤地層廣泛分布于黃土塬區(qū)，受氣候、地形、新構(gòu)造運動等作用形成，是黃土地層的重要組成部分[1～3]。作為銀西高鐵控制性工程，早勝隧道位于甘肅省境內(nèi)，設(shè)計為雙線單洞。隧道埋深較大，開挖面積為158.3 m2，在穿越多層狀或全斷面古土壤層時，原有的土層平衡狀態(tài)被破壞，支護結(jié)構(gòu)施作后，其透水性及滲透性與周圍土體存在差異，導致土層含水率狀態(tài)發(fā)生改變。土層含水率改變導致膨脹力釋放可能進一步引起穿越古土壤地層的在建及運營期隧道病害產(chǎn)生(襯砌開裂、滲水、變形等)，危害極大。

不少學者對膨脹土遇水產(chǎn)生的膨脹規(guī)律進行了較為深入的研究。姚傳芹等[4]對含不同濃度NaCl、CaCl2溶液的膨脹土進行自由膨脹率試驗和直剪試驗，結(jié)果表明，隨著溶液濃度的增大，自由膨脹率先快速降低，再平緩下降，土樣的剪切強度和黏聚力降低，溶液對內(nèi)摩擦角的影響較小。韋猛等[5]通過室內(nèi)試驗分析了含水率對膨脹土強度的影響，并結(jié)合MIDAS /GTS討論了不同c，φ對非等長雙排樁支護結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律；曹春山等[6]通過開展飽和原狀古土壤偏壓固結(jié)不排水剪(ACU)和常剪應力排水剪(CQD)試驗，得到了q-p'平面內(nèi)古土壤臨界狀態(tài)線，同時結(jié)合已有研究成果對黃土和古土壤交界面在涉水過程出現(xiàn)局部破壞進行了機理探討；譚羅榮等[7]研究了擊實膨脹土的膨脹壓力p為50 kPa下的膨脹率δ50隨干密度、飽和度及含水量的變化規(guī)律，結(jié)果表明膨脹壓力p和δ50與干密度、含水率、飽和度之間的關(guān)系皆可用冪指數(shù)函數(shù)描述；張旭光[8]對不同含水率、不同圍壓下膨脹土進行不固結(jié)不排水三軸直剪試驗。結(jié)果表明：黏聚力、內(nèi)摩擦角和含水率呈良好的線性關(guān)系，并得出含水率、圍壓和重塑膨脹土抗剪強度計算公式?？梢钥闯?，現(xiàn)有關(guān)于膨脹土膨脹特性的研究取樣深度較淺，而早勝三號隧道整體埋深較大(平均埋深大于100 m，取樣深度170 m)，施工所揭露的古土壤層在較高地應力作用下經(jīng)長期固結(jié)形成，強度、密度均較高且有成巖趨勢，其膨脹特性可能與一般膨脹土存在較大差異。且隧道建設(shè)勢必會改變地層原有水分場分布情況，造成膨脹力釋放，危害施工安全，因此明確深埋古土壤層在含水率改變時抗剪強度及膨脹特性的變化規(guī)律對隧道施工、支護結(jié)構(gòu)安全均有著極為重要的意義。

本文主要研究以下幾個部分：(1)通過直剪試驗探討初始含水率與古土壤黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ之間的關(guān)系，明確古土壤遇水弱化程度；(2)繪制初始含水率與膨脹率、膨脹力關(guān)系曲線，明確膨脹力釋放規(guī)律及變形規(guī)律；(3)設(shè)置重塑樣作為對照組，探討古土壤受到擾動后膨脹力的釋放規(guī)律。

1 試驗方案

1.1 土樣力學指標

試驗土樣取自甘肅省慶陽市早勝三號隧道，呈紅褐色，富含鈣質(zhì)結(jié)核和鐵錳菌絲體，結(jié)構(gòu)致密，土質(zhì)均勻，無層理。其力學參數(shù)平均值如表1，顆粒分布曲線如圖1所示。根據(jù)規(guī)范[9,10]，試驗所用土樣定名為粉質(zhì)黏土，具有弱膨脹性。

表1 古土壤基本物理力學指標平均值

圖1 土體顆粒分布曲線

1.2 制樣方法

重塑樣制備：原狀土經(jīng)碾壓風干后過2 mm篩，測定含水率，根據(jù)目標含水率要求計算加水量，噴灑水后攪拌，密封靜置24 h，使水分擴散均勻。利用靜壓法制備環(huán)刀試樣，密度與原狀土保持一致，即ρ=2.21 g/cm3。每組設(shè)置3個，共15個環(huán)刀樣，試樣制備完成后測定含水率，實測初始含水率梯度為11.8%，13.5%，16.0%，18.2%，19.6%；

原狀樣制備：把從隧道同一位置取回的原狀土削為環(huán)刀樣并分為5組，每組設(shè)置9個試樣。其中一組密封保存，確保含水率不變，其余四組土樣放置20 d使其自然風干并測定含水率。設(shè)置含水率增量為2%，以天然含水率為中心配置含水率梯度，按設(shè)計含水率計算加水量，滴水后用保鮮膜密封靜置24 h，使水分均勻擴散。所使用環(huán)刀截面積30 cm2，高度2 cm。

1.3 試驗方法

試驗過程嚴格按照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》[11]操作。含水率測定采用灼燒法進行，每次測定取大小相近的4個土樣平行測定，分別灼燒3次求出含水率并取平均值；直剪試驗采用BZJ-2應變控制式直剪儀進行，使 5組土樣分別在100，200，300，400 kPa垂直壓力下發(fā)生剪切破壞，控制剪切速率為0.8 mm/min，當測力計讀數(shù)不再繼續(xù)增大或出現(xiàn)“回表現(xiàn)象”時，說明試樣已經(jīng)出現(xiàn)剪切破壞，此時取出破壞后試樣測定實際含水率；膨脹率使用膨脹儀測定，按規(guī)定放置好試樣后加水，至變形穩(wěn)定后記錄百分表讀數(shù)并測量含水率；膨脹力采用荷載平衡法利用WG-1B型固結(jié)儀測定，為使試驗結(jié)果精確，荷載由裝入袋中的砂施加，某級荷載下間隔2 h百分表讀數(shù)不再發(fā)生變化，視為試樣變形已穩(wěn)定，此時記錄百分表讀數(shù)并測定試樣含水率。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 初始含水率對強度的影響

原狀土樣剪切破壞后立即測定其實際含水率，分別為11.6%，13.3%，16.2%，17.8%，18.8%，利用軟件進行擬合，分別繪制了正應力與抗剪強度曲線以及初始含水率與c，φ關(guān)系曲線(圖2～5)。

圖2 原狀土正應力與抗剪強度曲線

由圖2可以看出，隨著土樣含水率增加，曲線起點下降，相同正應力增量對應的抗剪強度增量明顯降低。含水率小于天然含水率時，正應力增加，土樣抗剪強度明顯變大，最大達到505.8 kPa。較高含水率時，曲線斜率明顯放緩，最大抗剪強度僅為117.8 kPa，可見含水率增加會明顯削弱土樣強度。

圖3 含水率與試樣抗剪強度指標曲線

圖4 不同含水率下黏聚力曲線

圖3中，令各階段土體強度指標c，φ曲線變化斜率分別為bi，ai(i=1，2，3，4)。由圖可知，黏聚力b1>b3>b2>b4，分析認為隨著含水率的增大，土顆粒間逐漸產(chǎn)生水膜，隨后水膜逐漸閉合，水的潤滑作用導致土顆粒間黏聚力迅速降低。含水率超過天然含水率(16.2%)時，黏聚力曲線迅速下降，表明此時水膜完全閉合，水的潤滑作用發(fā)揮至最大。之后含水率接近塑限，曲線變化速率放緩，含水率增加對黏聚力的影響程度減弱。

結(jié)合圖4，5可以看出，隨著含水率增加，c，φ值均有不同程度減小，水對土樣強度的弱化作用明顯，趨勢符合指數(shù)函數(shù)曲線。而當土樣含水率上升至18.8%時，粘聚力和內(nèi)摩擦角均已極低，此時對于隧道工程可采取以下措施確保施工正常進行：(1)為確保掌子面開挖土體穩(wěn)定，可采取超前導管注漿、超前錨桿等支護手段，同時開挖后應及時施作初期支護，減小開挖面土體暴露時間；(2)加強支護結(jié)構(gòu)防排水措施，防止襯砌結(jié)構(gòu)滲漏水；(3)增大監(jiān)控量測頻率，依據(jù)新奧法原理及時反饋支護措施效果，指導施工。

c，φ與含水率曲線回歸方程如下：

(1)

(2)

式中：w0為初始含水率。

結(jié)合擬合曲線，含水率從11.6%增加到18.8%時，土樣c，φ值分別降低了97.9 kPa，31.2°，下降幅度為89.2%，70.1%，可見初始含水率變化對黏聚力的影響大于內(nèi)摩擦角。

2.2 初始含水率對膨脹性的影響

2.2.1 初始含水率與無荷膨脹率關(guān)系

為了研究含水率與古土壤膨脹率之間的關(guān)系，利用膨脹儀測定不同含水率土樣的膨脹率，無荷膨脹率計算公式如下：

(3)

式中：VH為無荷膨脹率；ΔH為百分表讀數(shù)之差；H0為初始高度。

試驗結(jié)果如圖6：

圖6 不同初始含水率下無荷膨脹率隨時間變化曲線

由圖6，初始含水率變化造成的膨脹率差異較大，不同初始含水率下膨脹率隨時間變化規(guī)律基本一致，可分為快速上升，緩慢上升，平穩(wěn)三個階段。膨脹儀注水后0～1 h試樣膨脹率幾乎直線上升，此時土樣內(nèi)干燥孔隙較多，浸水后水分快速進入孔隙，親水性礦物成分與水快速反應使試樣在側(cè)限條件下產(chǎn)生豎向變形。在快速膨脹階段，w=11.6%時土樣膨脹率為7.15%，占其膨脹率總量的90.6%；w=18.8%時土樣膨脹率為0.9%，占其膨脹率總量的59.2%，說明隨著初始含水率增加，膨脹率變化速率下降，土樣對水分變化的敏感性降低；1～7 h曲線斜率減小，增長趨勢放緩，說明膨脹率上升速率下降，此階段土樣孔隙周邊親水性礦物成分基本反應完全，水分向土樣深部持續(xù)擴散，膨脹速率放緩；8～40 h此階段試樣膨脹勢能基本完全釋放，試樣豎向變形基本穩(wěn)定，曲線趨于水平，保持穩(wěn)定。

圖7表明試樣初始含水率與膨脹率線性相關(guān)，關(guān)系式為：

VH=17.54-0.82w0

(4)

式中：VH為無荷膨脹率。

圖7 無荷膨脹率與初始含水率關(guān)系曲線

由圖7看出，密度不變時，膨脹率隨初始含水率增加而減小，試樣膨脹率差異達到5倍以上，說明初始含水率對膨脹性能影響較大。

2.2.2 初始含水率與膨脹力關(guān)系

圖8表明膨脹力與初始含水率呈指數(shù)關(guān)系。土樣含水率低于14%時，膨脹力較大，曲線斜率較大，初始含水率變化對膨脹力的影響顯著。隨著含水率增加，曲線斜率逐漸減小，含水率大于18%后，曲線趨于水平，不再發(fā)生變化。分析原因認為，形成環(huán)境相同的土樣所含有的膨脹性礦物含量基本相同，因此膨脹性完全釋放達到的膨脹力水平相近。在制備特定含水率試樣時，加水導致部分膨脹力提前釋放，試驗時再次浸泡試樣至變形穩(wěn)定測得的膨脹力為該含水率下的剩余膨脹力。在土樣制備過程中釋放的膨脹力隨著初始含水率的增加而增加，因此較高含水率狀態(tài)下曲線趨于穩(wěn)定說明此時古土壤膨脹力基本完全釋放，不再具備遇水膨脹特性。

實際工程中隧道開挖之前，土層在初始含水率狀態(tài)已有部分膨脹力釋放，受外力擾動后其含水率發(fā)生變化，此時剩余膨脹力釋放作用于支護結(jié)構(gòu)，該狀況與試驗土樣狀態(tài)類似，因此該曲線能在一定程度反映膨脹力與初始含水率關(guān)系，為設(shè)計提供依據(jù)。

圖8 原狀土膨脹力與初始含水率曲線

回歸方程如下：

(5)

式中：P為原狀土膨脹力。

2.3 擾動對古土壤膨脹力的影響

為了研究古土壤受到擾動后膨脹力的變化規(guī)律，制備重塑土進行膨脹力試驗，結(jié)果如圖9所示：隨著含水率增加，土樣膨脹力依然減小。但該曲線相比于原狀土膨脹力曲線更為緩和，說明重塑土膨脹力對初始含水率變化的敏感程度較小。配置特定含水率重塑土時，先噴灑水密封靜置24 h后再制作環(huán)刀樣，水與土顆粒之間充分接觸且分布較為均勻，有利于膨脹力釋放，同時重塑過程又改變了原狀土的結(jié)構(gòu)性以及孔隙分布特性，在相同含水率時重塑土表現(xiàn)出遠高于原狀土的膨脹力，試樣最大膨脹力為253 kPa，達到原狀土的4倍。

圖9 重塑土膨脹力與初始含水率曲線

回歸式如下：

(6)

式中：P為重塑土膨脹力。

由于膨脹土含有較多的膨脹性礦物成分(伊利石、蒙脫石等)，極易與水分子結(jié)合從而在土顆粒周圍形成結(jié)合水膜，受外界條件改變影響，水膜厚度發(fā)生改變引起土粒間距的變化，因此土體在宏觀上表現(xiàn)出遇水膨脹，失水收縮特性。而土樣受到外力擾動之后易產(chǎn)生微裂縫，可能會使原先的閉口孔隙變化為開口孔隙，此時水分與土顆粒間的接觸更為充分，宏觀表現(xiàn)為擾動土樣膨脹力的大幅度增長。另外通過確定膨脹力預測表達式，在隧道開挖時可僅僅通過對掌子面土體含水率的監(jiān)測實現(xiàn)對其膨脹力的預測，為隧道的設(shè)計施工提供一定的指導。

3 結(jié) 論

通過相應的室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)甘肅慶陽地區(qū)深埋膨脹性古土壤力學、膨脹特性與其含水率之間存在如下關(guān)系：

(1)初始含水率與c，φ曲線趨勢符合指數(shù)函數(shù)規(guī)律且呈負相關(guān)，結(jié)合擬合曲線分析得出黏聚力對水分變化更敏感。

(2)初始含水率變化造成的膨脹率差異較大，不同初始含水率下膨脹率隨時間變化規(guī)律基本一致，可分為快速上升、緩慢上升、基本不變?nèi)齻€階段。在快速上升、緩慢上升階段，試樣膨脹率達到其膨脹總量的90%以上；膨脹力與初始含水率呈指數(shù)關(guān)系。土樣含水率低于14%時，初始含水率變化對膨脹力的影響顯著。含水率大于18%后，曲線趨于水平，不再具備遇水膨脹特性，其實質(zhì)為剩余膨脹力釋放。

(3)重塑土膨脹力與初始含水率依然呈指數(shù)關(guān)系，該曲線相比于原狀土膨脹力曲線更為緩和，說明重塑土膨脹力對初始含水率變化的敏感程度較小。受到擾動之后，在相同含水率時重塑土表現(xiàn)出遠高于原狀土的膨脹力，最大達到原狀土的4倍。

(4)通過分析分別給出了初始含水率與土樣強度指標c，φ、膨脹率、膨脹力的回歸表達式，可以計算特定含水量時土樣的強度以及膨脹性能指標，能為設(shè)計施工提供依據(jù)，具有一定的參考意義。