路基工程膨脹土豎、徑向膨脹規(guī)律試驗分析

■李艷艷

（福建水利電力職業(yè)技術(shù)學院， 三明 366000）

在工程中， 膨脹土是一種典型的非飽和粘性土，它富含的蒙脫石以及其混層礦物，由于強親水性使膨脹土具有顯著的脹縮性， 容易吸水膨脹軟化、失水收縮開裂[1-3]。 膨脹土對路基工程結(jié)構(gòu)物的危害首先來自于它的膨脹特性[4-5]，現(xiàn)在室內(nèi)基本上都是運用單軸固結(jié)儀對膨脹土的膨脹特性進行實驗，但該儀器是在完全側(cè)限，即不允許試樣有任何側(cè)向變形的條件下，測試土樣豎向的膨脹壓力和變形，然而自然界中的膨脹土體處于非常復雜的環(huán)境當中，這種試驗條件和試驗方法與現(xiàn)場復雜的環(huán)境條件相差很多[6-7]。 為了能夠使試驗條件與現(xiàn)場的情況更加接近并且獲得更加有工程意義的試驗結(jié)果，本文采用土壤豎、徑向膨脹變形與膨脹力關(guān)系測試儀對膨脹土的膨脹特性進行試驗，以得到膨脹土膨脹力的變化規(guī)律；兩個方向膨脹力的關(guān)系以及膨脹變形對膨脹力的影響。

1 試驗過程

1.1 試驗方案設(shè)計

通過人為控制土樣的狀態(tài)，在幾種不同的起始含水率與不同的初始干密度下，對所采集的膨脹土土樣進行膨脹特性的測試，從而得到土樣的豎向與徑向的膨脹力，研究它們之間的關(guān)系。 與此同時，在允許有豎向膨脹變形或者側(cè)向膨脹的條件下，研究兩向的膨脹力的衰減規(guī)律。 試驗設(shè)計3 種不同的初始含水率：17%、20%、23%，以研究含水率對膨脹特性的影響；并在同一個含水率條件下在設(shè)計3 種不同的干密度：1.6 g/cm3、1.7 g/cm3、1.8 g/cm3， 進一步研究干密度對膨脹特性的影響。 試驗共設(shè)計9 組，每組需要4 個試樣，其中2 個試樣用剛性環(huán)刀進行制作，在單軸固結(jié)儀上完成豎向膨脹力的試驗；另外2 個試樣用4 片環(huán)刀進行制作（其中1 塊釋放豎向位移，1 塊釋放徑向位移，釋放位移間隔0.05 mm），在土壤豎、徑向膨脹變形與膨脹力關(guān)系測試儀上進行試驗。

1.2 試樣制備

（1）用木槌將土樣錘碎并過2 mm 的圓孔篩，充分攪拌后測定其風干含水率，然后按照公式（1）計算配制一定含水率的土樣所需要的加水量。

式（1）中：mw為制備土樣所需要的加水量（g）；m0為風干土的質(zhì)量 （g）；w0為土樣的風干含水率（%）；w1為所要求的土樣的含水率（%）。

根據(jù)試驗需要取一定量的土樣并將其平鋪在橡皮板上； 按計算好的加水量均勻地噴灑在土樣上。 對土樣進行充分攪拌后將其裝入黑色塑料袋內(nèi)進行悶料使其更加均勻；潤濕24 h 后測定它的含水率，即得到研究所需要的含水率試驗土樣。

（2）運用特制的制樣模具與CBR 試驗儀相配套采用靜壓方法進行試樣的制備。 在土樣制備的過程中需要控制其干密度，即在一定的含水率的條件下需要計算裝入制樣模具的土料的質(zhì)量，其計算公式如下：

式（2）中：mρ為土料的質(zhì)量（g）；ρd為所要求的試樣的干密度（g/cm3）；R 為試樣的半徑（cm）；H 為試樣的高度（cm）。

首先將環(huán)刀和制樣模具組裝在一起，然后把已經(jīng)計算好的一定質(zhì)量土料裝入模具中，分三層進行靜壓壓實，平撫該制樣模具，至CBR 試驗儀的底座旁邊，調(diào)節(jié)CBR 指針使其歸0，手動調(diào)節(jié)CBR 旋鈕（先下降，后上升），使CBR 重錘落入特制的擊實筒銅錘里， 當CBR 試驗儀重錘底部完全和特制的擊實筒接觸后，CBR 試驗儀讀數(shù)開始變化， 當其達到預定高度后維持該高度不變直至CBR 讀數(shù)穩(wěn)定（約20 min），之后調(diào)節(jié)CBR 旋鈕，使其下降取出裝有特殊環(huán)刀的特制擊實筒，取出環(huán)刀并將土樣削平稱重。 這樣便得到試驗所需要的環(huán)刀試樣以備膨脹特性試驗之用。

1.3 試驗注意事項

在使用土壤豎、徑向膨脹變形與膨脹力關(guān)系測試儀時，需注意以下事項：（1）安裝試樣時，點擊膨脹特性窗口中的“左移”“右移”按鈕來調(diào)節(jié)試樣護環(huán)部件的開合程度， 保證土樣試件能輕松插入即可；并且使旋轉(zhuǎn)環(huán)形箍四瓣環(huán)刀結(jié)合縫與試樣護環(huán)部件的縫隙相對應(yīng)，并將環(huán)形箍的鎖緊螺母適當松開方便試件四瓣在底部環(huán)刀滑離環(huán)形箍；（2）根據(jù)“運行狀態(tài)監(jiān)控”欄里的提示，設(shè)置正壓和圍壓的預緊強度然后點擊“正壓預緊”“圍壓預緊”按鈕對試樣進行預緊，將測試模式設(shè)置為“控制位移”、將終止條件設(shè)置為“人為停止”；（3）待完成試樣的預緊后，再根據(jù)“運行狀態(tài)監(jiān)控”欄里的提示將正壓位移和圍壓位移進行清零，等“運行狀態(tài)監(jiān)控”欄里顯示“準備完畢”時，即可點擊“測試啟動”按鈕正式進行測試，并在測試啟動的同時往水槽里加水，加水的深度淹沒試樣的2/3 即可；（4）在測試啟動剛開始的一段時間內(nèi)，測試人員需要密切注意壓強和位移變化，在沒有出現(xiàn)錯誤和沒有大的波動的情況下方能離開，然后相隔一定的時間間隔對試驗的過程進行觀察。

1.4 試驗結(jié)果

2 試驗結(jié)果分析

對比2 種不同的儀器所測得的豎向膨脹力的試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，單軸固結(jié)儀所得到的豎向膨脹力的測試值要比土壤豎、徑向膨脹變形與膨脹力關(guān)系測試儀的測試值大一些，這主要是固結(jié)儀所用的環(huán)刀剛性過大的原因，由于側(cè)限的存在會導致豎向膨脹力的測試值要比實際值偏大，因此所得到的測試結(jié)果相對來說是比較準確可靠的。 對比分析表1和表2 中的試驗結(jié)果可知，土樣豎向膨脹力的變化規(guī)律與以往的研究結(jié)果是吻合的。 綜上所述，運用該實驗結(jié)果進行進一步的研究。

表1 試樣豎向膨脹力值（單位：kPa)

表2 試樣膨脹力峰值（單位：kPa)

2.1 徑、豎向膨脹力關(guān)系的分析

為了弄清楚膨脹土兩個方向的膨脹力之間的關(guān)系，取兩向膨脹力的比值（徑向膨脹力比豎向膨脹力）進行研究，匯總于表5。 從表5 中可以看出該比值都小于1， 且該比值隨著干密度的增大而減小，這說明膨脹土體存在各向異性，干密度越大表現(xiàn)的越明顯。

表5 兩向膨脹力比值

2.2 位移對膨脹力的影響

對表3 和表4 中的數(shù)據(jù)進行分析， 可以發(fā)現(xiàn)，當發(fā)生位移時， 土樣的膨脹力和徑向膨脹力都會發(fā)生變化，它們都隨著位移的增大而減小。 允許膨脹土的有微小豎向膨脹變形時，豎向位移為0.05 mm 時，土樣豎向膨脹力從147.80 kPa 降到123.30 kPa，衰減16.69%， 其徑向膨脹力從78.10 kPa 下降到70.70 kPa，衰減9.48%。 而且隨著豎向位移的增加膨脹力將會繼續(xù)下降，豎向位移為0.45 mm 時，土樣豎向膨脹力下降到40.50 kPa，衰減73.09%，其徑向膨脹力下降到43.60 kPa，衰減44.17%；豎向位移為0.60 mm 時，豎向膨脹力降到27.30 kPa，衰減82.08%，其徑向膨脹力下降到38.40 kPa，衰減50.83%。 由此可見，允許膨脹土的有微小豎向膨脹變形，其兩個方向膨脹力會出現(xiàn)很大程度的衰減。 同樣的，允許膨脹土的有微小徑向膨脹變形時，其兩個方向的膨脹力都會有所降低，當徑向位移為0.05 mm 時，土樣豎向膨脹力從152.30 kPa 降到135.30 kPa，衰減11.16%， 其徑向膨脹力從75.20 kPa 下降到72.30 kPa，衰減3.86%；而且這種衰減的程度還會隨著徑向位移的增加而不斷地增大， 當徑向位移增大到0.50 mm 時， 土樣豎向膨脹力下降到102.30 kPa，衰減32.83%，其徑向膨脹力下降到43.50 kPa，衰減42.15%。 與釋放豎向位移相比，豎向膨脹力和徑向膨脹力的衰減程度都要小一些，但是在釋放徑向位移時，徑向膨脹力的衰減程度還是要比豎向膨脹力的衰減程度要大一些。 為了更加直觀地表示位移對于膨脹力的影響， 分別作出了釋放豎向位移時，土樣的膨脹力與豎向位移關(guān)系的曲線圖（圖1），以及釋放徑向位移時，土樣的膨脹力的衰減百分比與徑向位移關(guān)系的曲線圖（圖2）。

表3 釋放豎向位移時膨脹力衰減情況

表4 釋放徑向位移時膨脹力衰減情況

圖1 膨脹力與豎向位移的關(guān)系的曲線

圖2 膨脹力的衰減百分比與徑向位移的關(guān)系的曲線

3 小結(jié)

本文為研究膨脹土豎、徑向膨脹規(guī)律，設(shè)計相應(yīng)的試驗方案對膨脹土進行了膨脹特性的測試，并對結(jié)果進行整理分析，得到了以下結(jié)論：（1）膨脹土豎向膨脹力和徑向膨脹力的大小都隨著含水率的增大而減小，隨著干密度的增大而增大。 （2）膨脹土樣的徑向膨脹力總是小于其豎向膨脹力，且干密度對于膨脹土的各向異性有著一定的影響，干密度越大膨脹土的各向異性越明顯。 （3）允許土樣有稍微的豎向位移時， 兩個方向的膨脹力會發(fā)生比較大程度的衰減，且豎向膨脹力的衰減幅度要大一些。 （4）當土樣發(fā)生徑向位移時，兩個方向的膨脹力均會發(fā)生衰減，但是徑向膨脹力的衰減程度要大一些。