南寧灰白重塑膨脹土三向膨脹室內(nèi)試驗(yàn)研究

譚 波,徐 良,李亞奇

(1.桂林理工大學(xué)廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院,桂林 541004)

膨脹土邊坡失穩(wěn)分析有別于一般黏土[1-2],其特點(diǎn)是不能僅從滑體強(qiáng)度不足來(lái)考慮。包承綱[3]、程展林等[4]通過室內(nèi)試驗(yàn)和模型試驗(yàn),認(rèn)為膨脹土吸水膨脹造成坡體內(nèi)水平應(yīng)力增加從而使得坡體有更大的下滑趨勢(shì)。目前對(duì)于膨脹土脹縮特性的研究大多開展一維固結(jié)條件下的試驗(yàn),獲得的是一維有側(cè)限的豎向脹縮規(guī)律[5-8],適用于地基工程分析,而對(duì)于具有臨空面的坡體變形分析則無(wú)法提供側(cè)向膨脹規(guī)律,且研究表明,膨脹土橫、豎向膨脹規(guī)律差異明顯。

通過改進(jìn)原有的儀器或研制新儀器,中外專家學(xué)者開展了膨脹土三向脹縮試驗(yàn)[9-12]。劉祖德等[13]最早采用改裝后的應(yīng)力控制式三軸儀進(jìn)行了不同壓力條件下三向膨脹試驗(yàn)。Avsar等[14]研制了一種針對(duì)圓柱形試樣的三向膨脹儀,探討了安哥拉膨脹土的膨脹各向異性。張銳等[15]以常規(guī)單軸固結(jié)儀為基礎(chǔ),研制了用來(lái)測(cè)側(cè)向膨脹力的試驗(yàn)裝置。研究了廣西隆百高速公路附近膨脹土側(cè)向膨脹力及其對(duì)重力式擋墻的作用。以上試驗(yàn)所采用的是非立方體試樣,實(shí)際上是開展了兩向膨脹試驗(yàn)。張穎均[16]最早研制出了針對(duì)立方體膨脹土試樣的三向脹縮儀,發(fā)現(xiàn)原狀土的水平膨脹力與豎向膨脹力的平均比值是0.49,而擊實(shí)土的豎直膨脹力與水平向膨脹力平均比值約為0.65；之后,謝云等[17]、秦冰等[18]也改進(jìn)了該儀器,并擴(kuò)大了其膨脹力的量測(cè)范圍,進(jìn)行了一系列不同初始吸力和不同干密度的三向膨脹力試驗(yàn)。但該儀器測(cè)力等壓梁施加力的大小會(huì)隨著膨脹土的變形而變化,從而不能穩(wěn)定的測(cè)力,需要在過程中不斷地調(diào)整。王海龍等[11]采用自制的巖土三向膨脹力測(cè)量?jī)x進(jìn)行試驗(yàn),但該裝置施加三向荷載的大小無(wú)法控制,故也存在一定的局限性；池澤成等[19]采用中科院武漢巖土所研制的三向脹縮儀。研究了合肥重塑膨脹土,獲得了不同初始含水率與干密度的三向膨脹力。

在前人的基礎(chǔ)上,研制了針對(duì)立方體的三向脹縮儀。以廣西南寧灰白膨脹土為研究對(duì)象,開展了不同條件下的三向膨脹率和膨脹力試驗(yàn),揭示了干密度、初始含水率和外部荷載對(duì)于膨脹率和膨脹力的影響規(guī)律,以期為膨脹土邊坡分析提供理論參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 三向脹縮儀

在前人的基礎(chǔ)上,研制了膨脹土三向脹縮儀。該儀器是一種可以對(duì)正方體土樣(制樣尺寸為2.5 cm×2.5 cm×2.5 cm)施加三向荷載,并能夠測(cè)試三向脹縮變形和三向膨脹力的裝置(圖1)。儀器通過堆載盤、傳導(dǎo)裝置與施壓板施加三向荷載,3個(gè)百分表測(cè)試膨脹變形,3個(gè)測(cè)力環(huán)測(cè)試膨脹力,采用豎向滴水的方式進(jìn)行增濕。

1.2 土樣和制樣方法

所取南寧灰白膨脹土位于南寧在建的城市道路渠道邊坡處,處于地面以下3～5 m。南寧灰白膨脹土的主要物理指標(biāo)見表1。根據(jù)中國(guó)現(xiàn)有的判別方法,該膨脹土為中等膨脹勢(shì)。

表1 南寧灰白膨脹土主要物理指標(biāo)Table 1 Main physical indexes of Nanning gray white expansive soil

取一定量的土樣,錘碎后過0.5 mm的篩進(jìn)行篩分,放置于105 ℃的烘箱中烘至8 h以上,根據(jù)試驗(yàn)要求配置出不同含水率的土樣,并且裝入塑料袋悶置24 h,之后取塑料袋中3個(gè)不同位置處的土樣測(cè)其含水率,要求誤差不超過2%[20]。采用重塑土制備器制樣，如圖2(a)、圖2(b)所示,該儀器通過底座平臺(tái)和成土框成土；通過自由下落的4 kg重錘施力從而使土能夠分3層壓實(shí)；直接旋轉(zhuǎn)螺栓可使螺桿頂著推土板從而推出取得土樣。制成的土樣6個(gè)面表面均平整無(wú)破損,且長(zhǎng)度誤差不超過0.2 mm,則為滿足要求的試樣。制好土樣如圖2(c)所示。

1為水平擋板；2為集水底座；3為施壓板；4為傳壓框；5為水平導(dǎo)軌；6為滑輪；7為百分表；8為量力環(huán)；9為吊鉤；10為堆載盤；11為工作平臺(tái)；12為旋轉(zhuǎn)螺栓；13為儲(chǔ)水容器；14為支撐架；15為輸水管；16為閥門；17為滴水板；18為透水石；19為尼龍繩圖1 三向脹縮儀結(jié)構(gòu)Fig.1 Three-way expansion instrument

1為底座平臺(tái)；2為成土框等裝置；3為重錘；4為擊實(shí)小錘；5為導(dǎo)桿；6為導(dǎo)桿固定框；7為旋轉(zhuǎn)螺栓；8為螺桿；9為土樣尺寸控制器；10為推土板圖2 重塑土制備器及重塑土試樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of remolded soil preparation device and remolded soil sample

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 無(wú)荷三向膨脹率試驗(yàn)

試驗(yàn)三向荷載為0,測(cè)試膨脹土的三向自由膨脹數(shù)據(jù)。

(1)初始含水率不變,干密度改變的膨脹率試驗(yàn)。土樣初始含水率為13.55%,采用自制的膨脹土三向脹縮儀通過不同的擊實(shí)工配置出1.65、1.70、1.75、1.80 g/cm34個(gè)不同干密度的土樣。探究不同干密度與膨脹率的關(guān)系以及不同干密度與橫豎向膨脹率的關(guān)系。

(2)干密度不變,初始含水率改變的膨脹率試驗(yàn)。土樣干密度為1.70 g/cm3,配制出11.10%、13.55%、16.55%、18.70% 4個(gè)不同含水率的土樣。探究初始含水率與膨脹率的關(guān)系以及不同初始含水率與橫豎向膨脹率的關(guān)系。

1.3.2 一向加荷膨脹率試驗(yàn)

試驗(yàn)采用兩向荷載為0,一向變壓的施荷方式。施荷的方式為:在豎向施加荷載,其余方向荷載為0,荷載等級(jí)為5、30、55、80 kPa。測(cè)試得到三向膨脹率,分析單向荷載對(duì)于三向膨脹率的影響規(guī)律。

1.3.3 三向等壓膨脹力試驗(yàn)

采用平衡加壓法測(cè)試三向膨脹力,先通過量力環(huán)施加5 kPa的初始?jí)毫κ乖嚇优c壓力板完全接觸,然后對(duì)試樣滴水增濕使其膨脹,整個(gè)試驗(yàn)過程中不斷調(diào)整3個(gè)方向量力環(huán)后的旋鈕以施加反力壓縮試樣使其3個(gè)方向的膨脹量始終為0,當(dāng)試樣吸水不再發(fā)生膨脹時(shí),此時(shí)量力環(huán)的讀數(shù)即為膨脹力大小。

(1)初始含水率不變,干密度改變的膨脹力試驗(yàn)。土樣初始含水率為15.40%,采用自制的膨脹土三向脹縮儀通過不同的擊實(shí)次數(shù)制成1.65、1.70、1.75、1.80 g/cm34個(gè)不同干密度的土樣。探究不同干密度與三向膨脹力的關(guān)系以及不同干密度與橫豎向膨脹力之比的關(guān)系。

(2)干密度不變,初始含水率改變的膨脹力試驗(yàn)。土樣干密度為1.70g/cm3,制成11.10%、13.55%、16.55%、18.70% 4個(gè)不同含水率的土樣。探究初始含水率與膨脹率的關(guān)系以及不同初始含水率與橫豎向膨脹力的關(guān)系。

1.3.4 控制橫向變形的橫向膨脹力試驗(yàn)

本次試驗(yàn)制作一組試樣,初始含水率為10.6%,初始干密度為1.75 g/cm3,整個(gè)試驗(yàn)過程通過調(diào)整3個(gè)方向量力環(huán)后的旋鈕以施加反力,使得所有試樣豎向膨脹量始終為0,每個(gè)試樣水平兩方向控制其膨脹變形分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%…6.0%,測(cè)試各試樣在控制橫向變形下的橫向膨脹力。

2 三向膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

2.1 初始干密度對(duì)三向膨脹率的影響

由表2數(shù)據(jù)繪出在相同初始含水率條件下三向膨脹率與干密度的關(guān)系(圖3)?？梢钥闯?①干密度一定時(shí),兩個(gè)水平向膨脹率基本相同,且豎向膨脹率比水平向膨脹率大；②初始含水率相同時(shí),干密度越大,膨脹土三向膨脹率越大,且呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，回歸線性式見式(1)。同時(shí)由表2數(shù)據(jù)可以繪出橫豎向膨脹率之比與干密度的關(guān)系(圖4)。可以看出，干密度越大,橫、豎向膨脹率之比越趨近于1。可解釋為:由于試樣采用分層擊實(shí)法成型,擊樣過程中,對(duì)土顆粒水平向和豎直向的作用力不一樣,故顆粒在橫、豎向排列的緊密程度存在差異,這可能是造成膨脹土橫、豎向膨脹差異的原因。且干密度越大,顆粒排列緊密程度越趨同。該結(jié)論對(duì)于膨脹土填土路堤的膨脹變形差異分析有一定的參考價(jià)值。

圖3 干密度與三向膨脹率的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curve between dry density and three-dimensional expansion rate

圖4 干密度與橫、豎向膨脹率之比的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve between dry density and horizontal and vertical expansion ratio

表2 不同干密度與三向膨脹率的關(guān)系Table 2 Relationship between different dry density and three-way expansion rate

δOi=aρd+b

(1)

式(1)中:a、b為參數(shù);ρd為初始干密度;δOi為三向膨脹率。

2.2 初始含水率對(duì)三向膨脹率的影響

依據(jù)表3中數(shù)據(jù)可以繪出在相同初始干密度條件下的三向膨脹率與初始含水率的關(guān)系曲線(圖5)?？梢钥闯?干密度相同時(shí),三向膨脹率隨初始含水率的增大而減小,且三向膨脹率與初始含水率之間具有良好的線性關(guān)系?；貧w線性式見式(2)。這是因?yàn)樵嚇映跏己试酱?其達(dá)到極限膨脹后所吸收的水量越少,致使最終膨脹率越小。同時(shí)由表3中數(shù)據(jù)可以繪出橫、豎向膨脹率之比與含水率的關(guān)系(圖6)。可以看出，干密度相同時(shí),橫、豎向膨脹率之比隨著初始含水率的增大而增大。

圖6 橫、豎向膨脹率之比與初始含水率的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curve of the ratio of horizontal vertical expansion to rate water content

表3 不同干密度與三向膨脹率的關(guān)系Table 3 Relationship between different dry density and three-way expansion rate

圖5 含水率與三向膨脹率的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between water content and three-way expansion rate

δOi=mW+n

(2)

式(2)中:m、n為參數(shù);W為初始含水率。

2.3 外部荷載對(duì)三向膨脹率的影響

由表4中數(shù)據(jù)可以繪出三向膨脹率隨外加荷載變化的關(guān)系曲線(圖7),可以看出,三向膨脹率均與外部荷載呈現(xiàn)出良好的線性對(duì)數(shù)關(guān)系。該結(jié)論與固結(jié)儀的單向膨脹試驗(yàn)規(guī)律相類似[21-24]。線性對(duì)數(shù)式見式(3)。外部荷載對(duì)于膨脹土吸水膨脹的抑制作用表現(xiàn)為:一方面,土中有效應(yīng)力相應(yīng)增大,土顆粒表面的結(jié)合水膜變薄,從而阻礙了土中水分的增加；另一方面,土體吸水軟化后外部荷載將對(duì)試樣產(chǎn)生壓縮。因此,試樣在外荷抑制吸水膨脹和壓縮的綜合作用下隨荷載的增加,三向膨脹率減小。

表4 不同上覆荷載下三向膨脹率Table 4 Three-way expansion rate under different overlying loads

圖7 三向膨脹率與外加荷載的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curve between three-way expansion rate and external load

δOi=ulnP+v

(3)

式(3)中:u、v為參數(shù)；P為外部荷載。

3 三向膨脹力試驗(yàn)結(jié)果

3.1 初始干密度對(duì)三向膨脹力的影響

由表5中數(shù)據(jù)繪出在相同初始含水率條件下三向膨脹力與干密度的關(guān)系(圖8)?？梢钥闯?①干密度一定時(shí),兩個(gè)水平向膨脹力基本相同,且豎向膨脹力比水平向膨脹力大；②初始含水率相同時(shí),干密度越大,膨脹土三向膨脹力越大。同時(shí)由表5數(shù)據(jù)可以繪出橫、豎向膨脹力之比與干密度的關(guān)系(圖9)。試驗(yàn)規(guī)律與三向膨脹率規(guī)律相同,與池澤成[18]對(duì)于合肥膨脹土試驗(yàn)研究結(jié)果基本一致。

表5 不同干密度與三向膨脹力的關(guān)系Table 5 Relationship between different dry density and three-dimensional expansion force

圖8 三向膨脹力隨干密度的變化曲線Fig.8 Change curve of three-way expansion force with dry density

圖9 橫、豎向膨脹力之比與干密度的關(guān)系曲線Fig.9 Relationship curve between ratio of horizontal and vertical expansion forces and dry density

3.2 初始含水率對(duì)三向膨脹力的影響

由表6中數(shù)據(jù)繪出在相同初始干密度條件下三向膨脹力與初始含水率的關(guān)系曲線(圖10)?？梢钥闯?在相同初始干密度條件下三向膨脹力隨初始含水率的增大而減??；三向膨脹力與初始含水率之間具有良好的線性關(guān)系?；貧w線性式見式(4)。試驗(yàn)規(guī)律與三向膨脹率規(guī)律相同。

表6 不同初始含水率與三向膨脹力的關(guān)系Table 6 Relationship between different initial water content and three-dimensional expansion force

圖10 三向膨脹力隨初始含水率的變化曲線Fig.10 Change curve of three-way expansion force with initial moisture content

POi=gW+h

(4)

式(4)中:g、h為參數(shù)。

3.3 控制橫向變形的橫向膨脹力試驗(yàn)

由表7繪出橫向膨脹力隨控制橫向膨脹率變化的關(guān)系曲線(圖11)可以看出,橫向膨脹力與控制橫向膨脹率呈現(xiàn)出良好的指數(shù)關(guān)系,指數(shù)關(guān)系式見式(5)。膨脹土橫向膨脹力隨著控制橫向膨脹率增大而大幅減小,當(dāng)允許試樣橫向膨脹6%,其膨脹力將降為原來(lái)的1/5。這與張銳等[15]在廣西百色膨脹土側(cè)向膨脹力隨上覆荷載的變化規(guī)律一致。從而可以考慮,實(shí)際工程中,在修建膨脹土地區(qū)的隧道、涵洞、擋墻等結(jié)構(gòu)物時(shí),可以使用可壓縮的回填料作為膨脹土與支擋結(jié)構(gòu)之間的緩沖層,允許膨脹土吸水后發(fā)生一定的變形,從而可以有效降低橫向向膨脹力,以減少膨脹土對(duì)于結(jié)構(gòu)物的破壞作用。

圖11 橫向膨脹力與控制橫向膨脹率關(guān)系曲線Fig.11 Relationship curve between lateral expansion force and released lateral expansion rate

表7 控制橫向變形的橫向膨脹力Table 7 Lateral expansion force to control lateral deformation

P=cedδ

(5)

式(5)中:c、d為參數(shù)；δ為膨脹率；P為橫向變形力。

4 結(jié)論

利用三向脹縮儀對(duì)南寧灰白重塑膨脹土的脹縮特性進(jìn)行了研究,通過上述試驗(yàn)和分析,可以得出以下結(jié)論。

(1)在相同初始干密度條件下,三向膨脹率和膨脹力均表現(xiàn)為:兩個(gè)水平方向基本一致,豎向大于水平方向；均隨初始含水率的增大而減小,且具有良好的線性關(guān)系。因此,在使用膨脹土填筑路堤時(shí),要適當(dāng)增加含水率,以減小膨脹土膨脹潛勢(shì)。

(2)在相同初始含水率條件下,三向膨脹率和膨脹力均表現(xiàn)為:兩個(gè)水平方向基本一致,豎向大于水平方向；均隨初始干密度的增大而增大橫、豎向比值均隨干密度的增大越趨近于1。該規(guī)律可解釋為:由于試樣采用分層擊實(shí)法成型,擊樣過程中,對(duì)土顆粒水平向和豎直向的作用力不一樣,故顆粒在橫、豎向排列的緊密程度存在差異,豎向大于橫向,而干密度越大,顆粒橫、豎向排列緊密程度越趨同。

(3)外部荷載對(duì)三向膨脹率的影響試驗(yàn)表明，三向膨脹率均與三向荷載呈對(duì)數(shù)線性關(guān)系,荷載對(duì)膨脹具有抑制作用,主要原因是,荷載對(duì)土體吸水量的抑制作用和對(duì)土體吸水軟化后的壓縮作用,該試驗(yàn)規(guī)律與固結(jié)儀上的單向膨脹試驗(yàn)規(guī)律類似。

(4)控制橫向變形的橫向膨脹力試驗(yàn)表明，橫向膨脹力與控制橫向膨脹率呈良好的指數(shù)關(guān)系,橫向膨脹力隨著控制橫向膨脹率增大而大幅減小。在實(shí)際工程中,允許膨脹土有一定量的橫向膨脹變形,可以有效降低橫向膨脹力,以減少膨脹土對(duì)于結(jié)構(gòu)物的破壞作用。