湘西弱膨脹土的膨脹變形時程特性研究

屈祥

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

膨脹土具有失水收縮開裂、吸水膨脹軟化等特性。膨脹土的變形主要是由內(nèi)部膨脹礦物如蒙脫石、伊利石等所引起，膨脹礦物吸水時產(chǎn)生明顯的雙電層效應(yīng)，礦物內(nèi)部陽離子被水分子代替，晶體間距增大，顆粒間連接減弱，導(dǎo)致膨脹土產(chǎn)生變形。雙電層效應(yīng)的產(chǎn)生需要一定時間，因而膨脹土吸水變形不是一蹴而就，而是隨時間增加逐漸產(chǎn)生的，膨脹土變形與時間的關(guān)系是研究膨脹土變形的重要工具之一。對此已有不少學(xué)者進(jìn)行了研究，提出了相應(yīng)模型，這些模型大多采用指定荷載的最終膨脹率和膨脹速率作為參數(shù)，研究膨脹土的變形和變形速率是進(jìn)行模型預(yù)測的基礎(chǔ)。湘西張家界—桑植高速公路高路塹膨脹土邊坡，降雨后由于膨脹土的不均勻變形引起不同程度滑坡災(zāi)害，膨脹土的膨脹變形成為亟待解決的工程問題。該文開展不同初始含水率(8%～16%)下湘西膨脹土無荷載及有荷載膨脹試驗(yàn)，分析上覆荷載及含水率對膨脹土膨脹變形和膨脹速率的影響，采用負(fù)指數(shù)模型對膨脹土膨脹變形時程進(jìn)行擬合，最后根據(jù)對數(shù)預(yù)測模型推導(dǎo)初始膨脹速率計算公式，并與歸一化的應(yīng)力比建立統(tǒng)一關(guān)系，為湘西地區(qū)膨脹土邊坡變形控制提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用膨脹土取自張家界—桑植高速公路高路塹邊坡表層，土樣多呈棕黃色，部分呈灰綠色，比重為2.65，自由膨脹率為43.6%，其他指標(biāo)見表1。

表1 膨脹土試樣的基本物理指標(biāo)

將膨脹土中大塊土通過碎土機(jī)碾碎，過1 mm篩，將所得細(xì)粒置于烘箱中烘干72 d，隨后按照指定含水率配土(配制時將含水率增大0.5%)。配土完成后裝袋密封靜置48 h，重新測定材料的含水率，若含水率與目標(biāo)含水率差值超過0.5%，則重新進(jìn)行配土。將靜置后的土樣按照指定質(zhì)量采用靜壓法進(jìn)行碾壓，速率為0.5 mm/min。碾壓完成后采用環(huán)刀取樣，試樣高度為20 mm，直徑為61.8 mm。將試樣用保鮮膜包裹，裝袋后靜置3 d，待內(nèi)部水分分布均勻后開始試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場取樣結(jié)果，該邊坡表層土樣的孔隙比約為0.61，天然含水率為14%，飽和含水率為22.6%。在孔隙比為0.6的條件下開展8%、10%、12%、14%、16%含水率下膨脹試驗(yàn)，每個含水率設(shè)置上覆壓力σv為1 kPa(代表無荷載膨脹，試驗(yàn)時在托盤上放置重量為10 g的砝碼)、25 kPa、50 kPa、75 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 膨脹變形隨時間的變化

圖1、圖2分別為不同含水率下湘西膨脹土的膨脹時程曲線和對數(shù)膨脹時程曲線。

圖1 不同含水率w下湘西膨脹土的膨脹時程曲線

圖2 不同含水率w下湘西膨脹土的對數(shù)膨脹時程曲線

從圖1可看出：相同含水率下，以含水率8%為例，無荷載膨脹的試樣在短時間內(nèi)產(chǎn)生非常大的膨脹變形，隨后迅速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，說明無荷載條件下水分與膨脹礦物的反應(yīng)非常迅速，最終能達(dá)到的膨脹變形也大于有荷載膨脹試樣；有荷載膨脹下試樣在初始階段的變形低于無荷載膨脹，達(dá)到穩(wěn)定變形所需的時間也高于無荷載膨脹。根據(jù)雙電層理論，膨脹土遇水后，水分子進(jìn)入膨脹土晶體層中，使晶層間的距離增大，離子引力降低，在宏觀上表現(xiàn)為試樣膨脹軟化；施加上覆壓力限制了水分與膨脹礦物的反應(yīng)速率及膨脹礦物晶層間的相對移動變形。

從圖2可看出：有荷載膨脹下，湘西膨脹土的膨脹時程主要分為初始膨脹區(qū)、主要膨脹區(qū)和次膨脹區(qū)。在初始膨脹區(qū)(1～20 s)，試樣的膨脹變形和變形速率并不顯著，膨脹礦物與水分未完全發(fā)生反應(yīng)；隨浸水時間增加，水分進(jìn)入膨脹土晶層內(nèi)部，試樣變形明顯增長，這一階段為主要膨脹區(qū)；浸水時間進(jìn)一步增長，水分已與膨脹礦物反應(yīng)完全，試樣膨脹變形逐漸趨于穩(wěn)定，這一階段為次膨脹區(qū)。無荷載膨脹的時程曲線幾乎不存在初始膨脹階段，而是浸水后迅速產(chǎn)生膨脹變形，在100～200 s時變形進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，即次膨脹區(qū)。對比有荷載膨脹和無荷載膨脹，無荷載膨脹試驗(yàn)的變形大、速度快。實(shí)際邊坡工程中，膨脹土邊坡在降雨后發(fā)生淺層滑坡，原因之一就是邊坡淺層土體受到的上覆壓力小，與水分反應(yīng)程度高，而深度大的土體變形小，與水分反應(yīng)的速率慢，導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生不均勻變形甚至開裂垮塌。

2.2 膨脹變形與膨脹變形速率的關(guān)系

對于膨脹土的變形時程，蔣超等建議采用下式進(jìn)行擬合：

δ=α(1-e-βt)

(1)

式中：α、β為模型參數(shù)。

圖3為w=8%時膨脹擬合結(jié)果。從圖3可看出：無論是在線性坐標(biāo)還是在對數(shù)坐標(biāo)中，式(1)均能取得較好的擬合效果，能作為定量分析膨脹土?xí)r程曲線的預(yù)測模型。

圖3 w=8%時膨脹時程擬合曲線

令t→∞，有δ(t→∞)=α，即參數(shù)α代表試樣的最終變形。參數(shù)α隨上覆壓力的變化見圖4，擬合結(jié)果見式(2)。從圖4可看出：不同含水率試樣的最終膨脹變形隨上覆壓力增加呈對數(shù)減小趨勢，試樣最終膨脹變形為零的值即為膨脹力；隨含水率增加，試樣的膨脹力ps逐漸減小。

圖4 不同含水率及上覆壓力下最終膨脹率

α=A+Blnδv

(2)

圖5為w=8%時試樣膨脹速率隨時間的變化，圖6為w=8%時試樣膨脹速率隨膨脹率的變化。從圖5可看出：對于有荷載膨脹，在初始膨脹區(qū)，膨脹速率基本不變，超過初始膨脹區(qū)后膨脹速率迅速降低；而無荷載膨脹10 s后膨脹速率就迅速降低；隨上覆應(yīng)力增大，試樣的膨脹速率降低。從圖6可看出：試樣膨脹速率開始降低時，不同上覆應(yīng)力試樣的膨脹變形均已完成95%以上，說明水分進(jìn)入膨脹土內(nèi)部后，對于無荷載膨脹，在極短時間內(nèi)土樣就發(fā)生顯著膨脹；即使對于有荷載膨脹，其完成95%變形所需的時間也較短。因此，在邊坡工程中做好排水防水措施非常重要。

圖5 膨脹速率隨時間的變化

圖6 膨脹速率隨膨脹率的變化

在式(1)中，對時間t求導(dǎo)，得：

(3)

在式(3)中，令t=0，得：

(4)

根據(jù)式(4)，膨脹土變形的初始速率同時由最終變形α和速率參數(shù)β的乘積控制。結(jié)合圖5、圖6，初始膨脹速率是表征膨脹土膨脹能力的重要參數(shù)。不同含水率試樣的初始膨脹速率與歸一化上覆壓力的關(guān)系見圖7，ps根據(jù)圖4求取。從圖7可看出：不同含水率下，初始膨脹速率隨歸一化上覆壓力增加迅速衰減，衰減曲線可用負(fù)指數(shù)表征。歸一化應(yīng)力比值超過0.2時，初始膨脹速率發(fā)生顯著衰減，說明即使較小的上覆壓力增加也能顯著限制膨脹土的膨脹變形。因此，可以在邊坡表層適當(dāng)種植樹木或采取其他防護(hù)措施,防止邊坡表層土體發(fā)生顯著膨脹變形。

圖7 不同含水率下初始膨脹速率的歸一化曲線

3 結(jié)論

通過對湘西膨脹土進(jìn)行一維有荷載及無荷載膨脹試驗(yàn)，分析不同含水率下湘西膨脹土的膨脹變形時程及速率特性，得到以下結(jié)論：

(1) 對于同一含水率，隨上覆荷載增加，試樣膨脹變形逐漸減小，直到上覆荷載超過某一特征值時，試樣不再發(fā)生膨脹；在同一上覆荷載下，試樣含水率越高，膨脹變形越小。含水率為8%時，試樣的無荷載膨脹率約為14%；含水率為16%，試樣的無荷載膨脹率僅為6%。

(2) 有荷載膨脹下，湘西膨脹土的膨脹時程主要分為初始膨脹區(qū)、主要膨脹區(qū)和次膨脹區(qū)。在初始膨脹區(qū)，試樣的膨脹變形并不顯著；隨浸水時間增加，試樣變形明顯增長，這一階段為主要膨脹區(qū)；浸水時間進(jìn)一步增長，水分已與膨脹礦物反應(yīng)完全，試樣膨脹變形逐漸趨于穩(wěn)定，進(jìn)入次膨脹區(qū)。無荷載膨脹的時程曲線幾乎不存在初始膨脹區(qū)，而是浸水后迅速產(chǎn)生膨脹變形。

(3) 有荷載膨脹下，初始膨脹區(qū)的膨脹速率基本不變，超過初始膨脹區(qū)后膨脹速率迅速降低。而無荷載膨脹僅在10 s后膨脹速率就迅速降低。此外，隨上覆壓力增大，試樣的膨脹速率明顯降低。對于有荷載膨脹與無荷載膨脹，試樣膨脹速率開始降低時，膨脹變形均已完成95%以上。

(4) 不同含水率下初始膨脹速率隨歸一化上覆壓力增加而迅速衰減，衰減曲線可用負(fù)指數(shù)表征。歸一化應(yīng)力比值超過0.2時，初始膨脹速率發(fā)生顯著衰減，即使較小的上覆壓力增加也能顯著限制膨脹土的膨脹變形。