膨脹土泥漿樣K0固結(jié)壓縮變形特性研究

趙立平，張德恒

（1江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局，江蘇 南京 211100；2南京工程學(xué)院建筑學(xué)院，江蘇 南京 211167）

1 引言

膨脹土多形成于新生代第三紀(jì)至第四紀(jì)的晚更新世時(shí)期，在世界范圍內(nèi)的分布極廣，遍及全球六大洲四十幾個(gè)國(guó)家[1-2]。膨脹土具有多裂隙性、高壓縮性、高塑性、吸水膨脹、失水干縮及水穩(wěn)定性差等特性。因?yàn)榕蛎浲恋墓こ烫匦悦磕暝斐傻膿p失超過(guò)50億美元[4]。

目前，高速公路建設(shè)中常見(jiàn)的膨脹土問(wèn)題有沉陷、翻漿、塌陷及開(kāi)裂等[5]。楊果林[6]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)膨脹土路基的側(cè)向變形大于豎向變形，不同天氣條件下膨脹土路基的變形規(guī)律不同。鄭建龍等[7]根據(jù)一維有荷膨脹率的試驗(yàn)結(jié)果和膨脹土路基濕度平衡規(guī)律。龔文惠[8-9]結(jié)合一維固結(jié)試驗(yàn)及膨脹土路基沉降的特點(diǎn)，建立了膨脹土路基沉降模糊可靠度的數(shù)學(xué)分析模型。在膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)分析上，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)膨脹土進(jìn)行了壓汞試驗(yàn)[10-13]，證明膨脹土的孔隙孔徑和分布具有雙峰性特征。徐永福等（1999）[14]對(duì)南京地區(qū)膨脹土進(jìn)行壓汞試驗(yàn)所得的膨脹土的孔隙分布特征，膨脹土的孔隙由集聚體之間的較大孔隙和集聚體內(nèi)部的較小孔隙組成。由上述研究可以看出，目前膨脹土路基變形的研究成果主要建立在一維固結(jié)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，但是這些方法的推廣應(yīng)用還需經(jīng)過(guò)更廣泛的工程檢驗(yàn)。

為了探究膨脹土的孔隙分布特征對(duì)壓縮變形特性的影響，對(duì)于飽和土采用泥漿樣來(lái)模擬試樣孔隙結(jié)構(gòu)的變化。對(duì)于非飽和土，同一含水率條件下采用不同擊實(shí)功來(lái)控制土體試樣的孔隙率，模擬土體試樣的孔隙分布特征。

2 膨脹土泥漿樣的制備及試驗(yàn)過(guò)程

結(jié)合前人對(duì)膨脹土的研究成果，膨脹土由于礦物組成不同，其飽和含水量差異較大，因而針對(duì)本次試驗(yàn)所用膨脹土在泥漿樣的制備過(guò)程中我們制備三組平行試樣。膨脹土泥漿樣的制備過(guò)程：①取足量膨脹土試樣烘干、碾碎后過(guò)2mm篩，為避免試驗(yàn)用水與土體試樣產(chǎn)生離子交換作用而影響土體的水力-力學(xué)特性，試驗(yàn)用水選取去離子水；②根據(jù)膨脹土質(zhì)量計(jì)算膨脹土增濕至目標(biāo)含水量所需的去離子水量，采用噴壺給膨脹土粉末加去離子水至目標(biāo)含水量，用調(diào)土刀將試樣充分拌和均勻成為泥漿樣；③將調(diào)制成的泥漿樣分層裝入環(huán)刀，置于振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)抹平后制備成高度為2cm，截面積為30cm2的飽和圓柱體試樣，待測(cè)。

試驗(yàn)采用靜止側(cè)壓力系數(shù)固結(jié)儀（見(jiàn)圖1）進(jìn)行測(cè)定，豎向位移的變化通過(guò)頂部的位移計(jì)進(jìn)行測(cè)量，側(cè)向壓力的測(cè)定采用和固結(jié)儀相連的數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行量測(cè)，具體的試驗(yàn)過(guò)程如下：①將濾紙進(jìn)行飽和后放置于上述制備好的膨脹土飽和泥漿樣上下兩面，然后將試樣小心地壓入固結(jié)儀，固結(jié)儀兩端的透水石也要預(yù)先飽和；②將固結(jié)儀的側(cè)向水壓力大小調(diào)到和外部大氣壓值相等，將數(shù)據(jù)采集儀上側(cè)向壓力的數(shù)值置0；③施加豎向荷載至穩(wěn)定狀態(tài)，記錄試樣壓縮變形穩(wěn)定后產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力數(shù)值和豎向位移；④上一級(jí)荷載作用下試樣壓縮穩(wěn)定后，施加下一級(jí)荷載，直至試驗(yàn)結(jié)束，加載過(guò)程見(jiàn)表1。

圖1 靜止側(cè)壓力系數(shù)固結(jié)儀

膨脹土泥漿樣壓縮試驗(yàn)前物理性質(zhì)指標(biāo)及加載路徑 表1

由于土樣為泥漿樣，屬于完全未固結(jié)試樣，模擬的是土體在沉積過(guò)程中未經(jīng)歷任何歷史應(yīng)力的極端情況，組成土體的礦物多呈片狀平行排列，顆粒疏松，其孔隙結(jié)構(gòu)均勻，孔隙比大。在很小的初始荷載作用下試樣開(kāi)始產(chǎn)生壓縮變形，試樣壓縮后硬度增大，下一級(jí)荷載值也逐漸增大。試樣上下兩端均放置透水石，固結(jié)儀中充滿脫氣水，故而認(rèn)定試樣始終處于飽和狀態(tài)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 膨脹土泥漿樣的試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)選取了3組膨脹土泥漿樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，試樣編號(hào)記為 No.1、No.2、No.3，三組試樣均進(jìn)行了加載試驗(yàn)，No.2、No.3試樣分別在不同荷載條件下進(jìn)行卸載-再加載試驗(yàn)。三組泥漿樣壓縮試驗(yàn)前的物理性質(zhì)指標(biāo)和加載路徑見(jiàn)表1，三組試樣對(duì)應(yīng)的加載壓縮曲線見(jiàn)圖2。No.2、No.3試樣的回彈-再壓縮部分曲線見(jiàn)圖3。

圖2 膨脹土泥漿樣的加載壓縮曲線

圖3 No.2、No.3試樣的回彈-再壓縮部分曲線

從圖2可以看出，三組膨脹土泥漿樣的壓縮曲線在壓縮早期差距較大，隨著豎向應(yīng)力荷載的增大，當(dāng)豎向壓力大于100kPa時(shí)，三組試樣的壓縮曲線趨于一致。從圖中還可以看出，當(dāng)豎向應(yīng)力增大至500kPa左右時(shí)，其壓縮曲線的斜率變小，壓縮曲線偏離原來(lái)的直線。在壓縮前期，豎向應(yīng)力小于500kPa時(shí)，膨脹土試樣隨著豎向荷載的增大，集聚體產(chǎn)生移動(dòng)，集聚體之間的孔隙快速減少，土顆粒排列趨于致密，土體體積減小。隨著豎向應(yīng)力的進(jìn)一步增大，當(dāng)豎向壓力大于500kPa時(shí)，集聚體間孔隙幾乎消失，主要是集聚體內(nèi)孔隙被壓縮，這一階段需要克服土顆粒之間的斥力，試樣孔隙比減小變緩，土體壓縮曲線變緩。

從圖2還可以看出，三組膨脹土泥漿樣的壓縮曲線并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，其屈服應(yīng)力不明顯，三組試樣在施加較小豎向應(yīng)力時(shí)，其試樣孔隙比就出現(xiàn)了明顯的減小，且試樣初始含水率越高、初始孔隙比越大，孔隙比減小得越明顯。這是由于泥漿樣模擬的是土體在沉積過(guò)程中未經(jīng)歷任何歷史壓力的極端情況，其內(nèi)部土顆粒多呈片狀排列，土體結(jié)構(gòu)松散，孔隙比大，壓縮指數(shù)大，因此較小的豎向應(yīng)力就會(huì)因此土體產(chǎn)生較大的變形。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)豎向壓力小于500kPa時(shí)，三組試樣壓縮指數(shù)分別為2.17、1.94和1.48，豎向壓力大于500kPa時(shí)，三組試樣的壓縮指數(shù)約為0.84，其變化趨勢(shì)和Marcial得到的KunigelV1鈉基膨潤(rùn)土泥漿樣的壓縮曲線變化趨勢(shì)一致。

從圖3可知，NO.2和NO.3試樣分別在300kPa和500kPa時(shí)卸載，其卸荷回彈和再壓縮部分形成明顯的回滯環(huán)，卸荷回彈指數(shù)分別為1.36和1.12，均小于土體試樣的壓縮指數(shù)。這是由于土體在卸荷回彈的過(guò)程中，土顆粒上覆荷載減小，土體顆粒吸水膨脹，土體在顆粒斥力和膨脹力的作用下產(chǎn)生豎向變形，土體體積增大，但是前期的荷載改變了土體的結(jié)構(gòu)和土顆粒的空間排列特征，一部分集聚體之間的孔隙不可恢復(fù)，因此土體產(chǎn)生塑性應(yīng)變，土體的回彈指數(shù)和再壓縮指數(shù)均小于初始的壓縮指數(shù)。從圖3中可以看出，NO.3的回彈指數(shù)小于NO.2試樣的回彈指數(shù)，一方面是由于NO.2試樣豎向荷載卸荷至12.5kPa，此時(shí)土體的豎向荷載和試驗(yàn)用土的膨脹力相比很小，此時(shí)土體的膨脹性可以充分發(fā)揮，土體變形量大，而NO.3試樣，卸荷的最小荷載為50kPa，對(duì)土體的膨脹變形具有限制作用。另一方面是由于NO.3試樣卸荷時(shí)的豎向荷載較大，土體結(jié)構(gòu)變化大，產(chǎn)生的塑性變形量大，其可恢復(fù)應(yīng)變量相對(duì)比例較小。

在壓縮過(guò)程中，我們通過(guò)和固結(jié)儀相連的數(shù)據(jù)采集器可以測(cè)得膨脹土泥漿樣在每級(jí)豎向荷載下的側(cè)向應(yīng)力，通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以得到土樣靜止側(cè)壓力和豎向應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)圖4。

圖4 膨脹土泥漿樣側(cè)向應(yīng)力和豎向應(yīng)力關(guān)系

由圖4可知，本次試樣所用膨脹土其泥漿樣的靜止側(cè)壓力和豎向應(yīng)力呈良好的線性關(guān)系，且斜率和試樣的初始狀態(tài)無(wú)關(guān)。對(duì)三組泥漿樣的靜止側(cè)壓力和豎向應(yīng)力的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，可得到三組試樣的斜率在 0.63～0.68 之間，斜率即為NO.1～NO.3這三組試樣的靜止側(cè)壓力系數(shù)。通常我們假定黏土的靜止側(cè)壓力系數(shù)為0.5，可見(jiàn)膨脹土的靜止側(cè)壓力系數(shù)比普通黏土的大。為了對(duì)比不同種類的土在相同條件下壓縮的靜止側(cè)壓力系數(shù)差異，將周科等[15]測(cè)得的上海重塑黏土和孫文靜[16]測(cè)得的KunigelV1鈉基膨潤(rùn)土的靜止側(cè)壓力和豎向應(yīng)力的關(guān)系畫(huà)到一張圖上，見(jiàn)圖5。

圖5 膨脹土和上海黏土、鈉基膨潤(rùn)土靜止側(cè)壓力系數(shù)比較

從圖5可以看出，此次試驗(yàn)所用膨脹土的靜止側(cè)壓力系數(shù)介于一般黏土和鈉基膨潤(rùn)土之間。周科[15]所測(cè)上海重塑黏土的靜止側(cè)壓力系數(shù)約為0.52，孫文靜[16]所測(cè)鈉基膨潤(rùn)土的靜止側(cè)壓力系數(shù)約為0.86，此次試驗(yàn)三組膨脹土泥漿樣的靜止側(cè)壓力系數(shù)平均值為0.65。這是由于在外界試驗(yàn)條件相近的情況下，純鈉基膨潤(rùn)土的壓指數(shù)大于膨脹土的壓縮指數(shù)，膨脹土的壓縮指數(shù)大于一般普通黏土的壓縮指數(shù)，而保水持水性方面，純鈉基膨潤(rùn)土的保水性最好，其次為膨脹土，一般黏土相對(duì)最差。在相同的豎向應(yīng)力條件下，膨潤(rùn)土較易產(chǎn)生壓縮變形，而土體中的水不易排出，因而其側(cè)向應(yīng)力較大，施加豎向荷載后變形穩(wěn)定所需要的時(shí)間比普通黏土長(zhǎng)得多。

4 結(jié)論

試驗(yàn)證明膨脹土泥漿樣的靜止側(cè)壓力和豎向應(yīng)力呈良好的線性關(guān)系，且斜率和試樣的初始狀態(tài)無(wú)關(guān)，試樣的靜止側(cè)壓力系數(shù)在0.63～0.68；膨脹土的靜止側(cè)壓力系數(shù)比普通黏土的大；膨脹土的壓縮指數(shù)大于一般普通黏土的壓縮指數(shù);在相同的豎向應(yīng)力條件下，膨脹土較易產(chǎn)生壓縮變形，而土體中的水不易排出，因而其側(cè)向應(yīng)力較大，施加豎向荷載后變形穩(wěn)定所需要的時(shí)間比普通黏土長(zhǎng)得多。