膨脹土二維膨脹力特性研究

吳崗賈景超巴瀟劉雨童張雪茹

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011；2.河南省朝陽建筑設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450011)

膨脹土是一種吸水膨脹、失水收縮的粘性土，由于其吸水失水會反復(fù)膨脹變形，強(qiáng)度變化明顯。這些常使建筑物產(chǎn)生各種各樣的危害，如造成房屋變形、開裂，甚至破壞，因此對于膨脹土的研究尤其重要。于琳茗運(yùn)用晶格擴(kuò)張理論，分析了膨脹力是如何形成的，并且研究新型的膨脹力試驗儀，對不同膨脹土進(jìn)行對比研究。張銳等通過研究設(shè)計試驗裝置，建立了側(cè)向膨脹力擬合公式。郭紅軍利用實(shí)驗，觀察膨脹變形試驗中的荷載與膨脹力之間的聯(lián)系，得到極限膨脹力與允許變形量之間的關(guān)系式。劉洪伏等對強(qiáng)膨脹土進(jìn)行試驗，探討了不同因素和對膨脹力的影響。

大多數(shù)學(xué)者對膨脹土膨脹力的研究多側(cè)重于土樣豎向膨脹產(chǎn)生的變形，對于平面狀態(tài)下的土樣研究較少。近年來，有的學(xué)者利用改進(jìn)后的儀器探索側(cè)向膨脹力與上覆荷載的關(guān)系，利用三向膨脹儀或者薄壁固結(jié)儀分析豎向膨脹力與側(cè)向膨脹力的相互影響以及溫度和改性溶液等對膨脹力的作用。然而，在真實(shí)情況的應(yīng)力狀態(tài)下評估膨脹土的膨脹性能十分重要，故本文利用自制的二維膨脹儀，對平面狀態(tài)下的二維膨脹力進(jìn)行了一系列研究，并認(rèn)真分析討論，研究得到了二維膨脹力隨時間的變化規(guī)律，探討了初始含水率對膨脹力的影響以及豎向膨脹力與側(cè)向膨脹力的關(guān)系，明晰了脹限的變化規(guī)律。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 試驗裝置

本試驗采用自行設(shè)計的膨脹土二維膨脹儀(發(fā)明專利號：ZL201510322064.8)，主要由壓力室、加荷系統(tǒng)和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)3部分組成，儀器實(shí)物如圖1所示。

圖1 膨脹土二維膨脹儀

壓力室呈長方體構(gòu)造，前后分別設(shè)置夾板，上下分別設(shè)置頂板和底板，左右兩端開口。其中頂板設(shè)置有進(jìn)水口，可通過閥門控制進(jìn)水速率以加濕土塊。豎向剛性傳壓板通過傳力桿與第1應(yīng)力傳感器和第1位移傳感器相連，側(cè)向剛性傳壓板通過傳力桿與第2應(yīng)力傳感器和第2位移感器相連。豎向剛性傳壓板可沿壓力室豎直滑動，可通過調(diào)節(jié)豎向加壓桿上的螺母控制其豎向位移，從而限制土樣豎向變形。側(cè)向剛性傳壓板可沿壓力室水平滑動，為了限制土樣的水平位移，可把銷釘插入臺面上的固定孔。

加荷系統(tǒng)由垂直加荷和橫向加荷2部分組成。豎直加荷系統(tǒng)由杠桿與加載機(jī)構(gòu)組成，在該體系中，通過杠桿機(jī)構(gòu)與垂直加壓桿將托盤上的砝碼產(chǎn)生的壓力作用在頂板上，并最終作用在土樣上。橫向加荷系統(tǒng)包括滑動構(gòu)件和加載機(jī)構(gòu)，滑動構(gòu)件位于試驗臺上，通過繩索和試驗臺下的托盤連接，在托盤上放置不同重量的砝碼，砝碼的重力作用在對側(cè)加壓板上并化為壓力最后作用在土樣上。

數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)將壓力傳感器和位移傳感器得到的膨脹力和變形信息傳送到計算機(jī)，通過相應(yīng)的“二維膨脹機(jī)”軟件進(jìn)行記錄，并以Excel文件形式輸出。

1.2 土樣制備

嚴(yán)格按照《土工試驗規(guī)程》(SL 237-1999)進(jìn)行不同含水率土樣的制備。將膨潤土放置在105℃的密封烘箱內(nèi)烘干24h，待土樣完全冷卻后按照一定的含水率進(jìn)行配土，配土完畢，將土樣放在保濕缸里24h。制樣器如圖2所示，從上到下依次為2個壓樣塊、底座和套筒。套筒內(nèi)部空間為20mm×100mm×100mm。制樣過程：在套筒底部放置1個壓樣塊，稱取一定重量的膨脹土放于套筒內(nèi)；將另一個壓樣塊放在套筒頂部并放于千斤頂上壓實(shí)，待土樣被壓實(shí)后，取下套筒上下的壓樣塊，利用底座將土樣取出。

圖2 制樣器

1.3 試驗方案

利用膨脹土二維膨脹儀進(jìn)行試驗。采用恒體積法對樣品進(jìn)行膨脹試驗，試樣選取不同含水率和干密度的膨脹土。在進(jìn)行測試之前，先在前、后2塊板上涂上一層凡士林，盡可能地減少摩擦力對后續(xù)試驗的影響。然后安放土樣，將前玻璃板固定，擰緊螺母，以保證土樣在試驗期間的體積不發(fā)生變化。在加載倉內(nèi)放好土樣，調(diào)節(jié)兩側(cè)以及豎向加壓板的位置，調(diào)節(jié)壓力傳感器并歸零，并記錄試驗數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果及分析

根據(jù)上述試驗得到不同初始干密度的膨脹土的二維膨脹力，明確了初始干密度對二維膨脹力的影響，同時得到了平面應(yīng)變條件下豎向膨脹力與橫向膨脹力的關(guān)系以及初始干密度對脹限的作用。

2.1 二維膨脹力隨時間的變化規(guī)律

在初始干密度不同的條件下，得出豎向及側(cè)向膨脹力與時間的關(guān)系曲線，如圖3、圖4所示。由圖3可以看出，豎向膨脹力與時間基本成線性關(guān)系，隨時間的增加逐漸增大，最終穩(wěn)定不變，前期膨脹速率較快，且該階段膨脹力增加量在整個過程中占比較大，因此膨脹土前期的變化更應(yīng)該成為工程關(guān)注的重點(diǎn)；豎向膨脹力增長變慢，最終趨于穩(wěn)定。由圖4可以看出，側(cè)向膨脹力與豎向變化規(guī)律基本相同，都是與時間基本呈正相關(guān)，最終穩(wěn)定保持不變。

膨脹力時程曲線大體可分為3個不同的階段，分別為快速膨脹階段、過渡階段和穩(wěn)定膨脹。快速膨脹階段發(fā)生在0～4h，在此階段膨脹力迅速增長，增長量也為整個膨脹力的70%。過渡階段，增長速度有了明顯的下降，達(dá)到穩(wěn)定膨脹階段。試驗初期膨脹土表面接觸到大量水分子，膨脹土所含有大量親水性礦物使得其迅速吸水發(fā)生膨脹變形，但土體被限制了變形，膨脹勢能只能向膨脹力轉(zhuǎn)化，所以膨脹力增速迅猛。當(dāng)土樣外側(cè)土體達(dá)到基本飽和的狀態(tài)后，進(jìn)入過渡階段，水分向內(nèi)部滲透的速率小，導(dǎo)致膨脹力增長的速度放緩；土體飽和，試樣趨于穩(wěn)定狀態(tài)，膨脹力和膨脹勢基本維持不變。

由圖3、圖4可以看出，在初始含水率不變的條件下，2個方向的膨脹力均隨著干密度的增而增大；當(dāng)初始含水率一定時，達(dá)到變形穩(wěn)定所需要的時間長短受干密度影響，干密度越大，需要時間越長。

圖3 豎向膨脹力-時間曲線

圖4 側(cè)向膨脹力-時間曲線

2.2 干密度對二維膨脹力的影響

在初始含水率一定的條件下，干密度對膨脹力的影響如圖5所示。不難看出，膨脹力與干密度呈正相關(guān)，隨干密度增大而增大。豎向膨脹力前期變化相對平穩(wěn)，直至某一個點(diǎn)后，而后急劇加速，側(cè)向膨脹力相對豎向膨脹力變化速度更平穩(wěn)，基本按一個速率進(jìn)行。由圖5可以看出，干密度對膨脹力的影響較大，豎向膨脹力與側(cè)向膨脹力變化規(guī)律基本相同。根據(jù)晶格擴(kuò)張膨脹理論，土體內(nèi)部孔隙的大小與干密度的大小有關(guān)，干密度越大，土體內(nèi)部孔隙的體積越小。當(dāng)膨脹土吸水膨脹時，水分子進(jìn)入膨脹土中的孔隙，從而產(chǎn)生膨脹力，孔隙體積越小，受到的約束越大，膨脹力變化越大，因此膨脹力與干密度有著密切的關(guān)系，兩者呈正相關(guān)。

圖5 不同初始干密度下膨脹土膨脹力-干密度曲線

2.3 豎向膨脹力與側(cè)向膨脹力關(guān)系

在制樣的過程中，由于加壓塊給套筒內(nèi)的土樣增加了豎向壓力，導(dǎo)致豎直方向土粒之間的孔隙更小，土體結(jié)構(gòu)更為密實(shí)。與傳統(tǒng)的固結(jié)儀和三維膨脹儀的單向成型方法相比，本試驗中的壓模方向垂直于橫向膨脹力和豎向膨脹力，壓實(shí)時兩個方向的壓力大致相等，豎向和側(cè)向的空隙比壓密方向大，而且不會引起試樣在豎向和橫向上的異性。所以，制樣時產(chǎn)生的誤差對二維膨脹力的對比影響不大。

從圖6可知，豎向膨脹力和側(cè)向膨脹力變化趨勢大體相同，大多數(shù)情況下豎向膨脹力的數(shù)值高于側(cè)向膨脹力，且在數(shù)值上相差較多，相較于側(cè)向膨脹力，豎向膨脹力趨于穩(wěn)定的速度更快。

圖6 豎側(cè)向膨脹力曲線

由于土顆粒在壓實(shí)過程中受到的壓力大體一致，且豎向與側(cè)向的孔隙基本相同。因此，在試驗初期，2個方向上的殘余膨脹潛能應(yīng)該基本一致，土樣的自重對膨脹力的影響也不容忽視。土體質(zhì)量較大，土體受自身重力的影響導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力增大，部分豎向膨脹力會被土體顆粒之間的外力抵消，所以會有一定程度的降低。一部分豎向膨脹潛勢被抑制后，在顆粒間產(chǎn)生“楔”的作用力，并通過土體顆粒向外傳送，致使橫向膨脹力變大。豎向膨脹力與側(cè)向膨脹力大小相近，膨脹土的各向異性特性減弱。

2.4 脹限的變化規(guī)律

2.4.1 初始含水率及干密度對脹限的影響

通過試驗結(jié)果分析，繪制關(guān)系圖如圖7所示，由圖7可以看出，相同干密度下，初始含水率對脹限幾乎不產(chǎn)生影響，圖像呈直線形狀；相同含水率，脹限隨干密度的不同數(shù)值差距較大。

圖7 脹限-干密度-初始含水率曲線

在膨脹土內(nèi)部，水分子可以充填的孔隙體積是有限的。干密度越大，孔隙體積越小，當(dāng)土體吸水膨脹時，吸水量會減少，從而使脹限降低。在干密度不變的情況下，試樣吸水穩(wěn)定時土體內(nèi)部孔隙被水分子充滿，故初始含水率對脹限也不造成影響。

2.4.2 膨脹力與脹限之間的關(guān)系

膨脹力試驗中，試樣的脹限與土體的干密度有關(guān)，與初始含水率的大小無關(guān)。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，匯出脹限與膨脹力的關(guān)系曲線，由圖8可以看出，豎向膨脹力與側(cè)向膨脹力隨脹限的變化規(guī)律大致相同，呈負(fù)相關(guān)，脹限越大，膨脹力越小。

圖8 膨脹力-脹限曲線

3 小結(jié)

本文利用自制的二維膨脹儀，對平面狀態(tài)下的二維膨脹力進(jìn)行了一系列研究，得到以下結(jié)論：干密度是影響膨脹力的主要因素，隨著干密度變化，豎向膨脹力與側(cè)向膨脹力的整體變化趨勢一致,表現(xiàn)為增大，變化明顯；豎向膨脹力與橫向膨脹力隨時間的變化曲線大體一致，都表現(xiàn)為先增長后穩(wěn)定，大多數(shù)情況下豎向膨脹力的數(shù)值高于側(cè)向膨脹力，且在數(shù)值上相差較多，相較于側(cè)向膨脹力，豎向膨脹力趨于穩(wěn)定的速度更快；膨脹力試驗中，試樣的脹限由干密度的大小決定，兩者呈負(fù)相關(guān)，與試樣的初始含水率無關(guān)。