平面應(yīng)變狀態(tài)下膨脹土二維膨脹力特性研究

劉雨童賈景超巴瀟張雪茹吳崗

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450000；2.河南省朝陽建筑設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450000)

膨脹土是一種含有大量膨脹性粘土礦物的特殊性質(zhì)土，具有顯著的吸水膨脹特性[1]，膨脹后所引起的膨脹力很容易導(dǎo)致工程建筑物的破壞，如建筑物地基因吸水體脹而發(fā)生的破壞、巷道圍巖形變的破壞、路塹邊坡失穩(wěn)[2-5]等，這些災(zāi)害均與膨脹土吸水膨脹特性密切相關(guān)，因此研究膨脹土的膨脹特性顯得尤為重要。

以往學(xué)者對膨脹土膨脹力的研究多集中在軸對稱應(yīng)力狀態(tài)，且多側(cè)重于土樣豎向膨脹產(chǎn)生的變形[6]。近年來，有學(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[7,8]，利用三向膨脹儀[9]或者薄壁固結(jié)儀[10]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[11]等對膨脹力的作用。然而，在真實情況的應(yīng)力狀態(tài)下評估膨脹土的膨脹性能十分重要[12]，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，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 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置

本試驗采用自行設(shè)計的膨脹土二維儀(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，儀器實物圖1如所示。

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一應(yīng)力傳感器和第一位移傳感器相連，側(cè)向剛性傳壓板通過傳力桿與第二應(yīng)力傳感器和第二位移感器相連。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)由杠桿與加載機構(gòu)組成，在該體系中，通過杠桿機構(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，法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，通過相應(yīng)的“二維膨脹機”軟件進(jìn)行記錄，并以Excel文件形式輸出。

1.2 土樣制備

圖2 制樣器

嚴(yán)格按照《土工試驗規(guī)程》(SL 237-1999)[13]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1個壓樣塊放在套筒頂部并放于千斤頂上壓實，待土樣被壓實后，取下套筒上下的壓樣塊，利用底座將土樣取出。

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，方案和結(jié)果如表1所示。

在進(jìn)行測試之前，先在前、后2塊板上涂上一層凡士林，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。

試驗時，先開啟軟件，更改軟件程序每2min記錄1次數(shù)據(jù)，按“開始記錄”鍵，滴水將土樣加濕，以相同的時間間隔進(jìn)行讀數(shù)，并記錄縱向和橫向膨脹力之間的關(guān)系。在2h內(nèi)，如果讀數(shù)不大于0.01N，則視為土樣的膨脹狀態(tài)已經(jīng)穩(wěn)定，測試完畢后，應(yīng)立即將土樣取出測量其含水率。

表1 二維膨脹力試驗方法及結(jié)果

2 試驗結(jié)果及分析

通過試驗得到了不同初始含水率的膨脹土的二維膨脹力，明確了初始含水率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)系以及初始含水率對脹限的作用。

2.1 二維膨脹力隨時間的變化規(guī)律

由圖3可知，豎向膨脹力和橫向膨脹力隨時間變化趨勢大體相同，都呈現(xiàn)出開始快速增長，最后趨于穩(wěn)定的趨勢。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?？焖倥蛎涬A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%。隨后是過渡階段，增長速度有了明顯的下降，最后達(dá)到穩(wěn)定膨脹階段。

分析原因如下，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)生膨脹張，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；最后土體飽和，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可知，當(dāng)干密度相同時，膨脹力隨著含水率的變化有所不同。當(dāng)土樣的干密度為0.8g·cm-3時，膨脹力變化速率和含水率呈負(fù)相關(guān)，初始含水率越大，膨脹力越小；當(dāng)土樣初始干密度為0.9g·cm-3、1.0g·cm-3時，膨脹力變化速率和含水量并無明顯規(guī)律。由此可知，干密度較小時，土樣初始含水量會對膨脹力造成較大影響。

圖3 二維膨脹力-時間曲線

2.2 初始含水率對二維膨脹力的影響

由表1中的試驗結(jié)果繪制相同初始干密度下不同含水率和二維膨脹力之間的關(guān)系圖。

圖4a為初始含水量與豎向膨脹力曲線。豎向膨脹力在試樣初始干密度為1.0g·cm-3時受含水量的影響，先增大隨后減小，曲線呈折線，波動幅度較大。豎向膨脹力在試樣初始干密度為0.9g·cm-3時受含水量的影響，先減小隨后小幅度增大，變化趨勢趨近直線，波動幅度較小。豎向膨脹力在試樣初始干密度為0.8g·cm-3時受含水量的影響，與含水率呈負(fù)相關(guān)。

圖4b為初始含水量與側(cè)向膨脹力曲線。側(cè)向膨脹力在試樣初始干密度為1.0g·cm-3時受含水量的影響，先增大隨后減小，曲線呈折線，波動幅度較大。豎向膨脹力在試樣初始干密度為0.8g·cm-3、0.9g·cm-3時受含水量的影響，先減小隨后小幅度增大，變化趨勢趨近直線，波動幅度較小。

圖4 不同初始含水率下膨脹土二維膨脹力-含水率曲線

可以得到，初始含水率對膨脹力的影響并不明顯。膨脹土體的體積變化的主要影響因素是其內(nèi)部孔隙體積變化。水分子進(jìn)入土壤后，先填滿膨脹土中的孔隙體積，當(dāng)水分子充滿孔隙后，由于周圍顆粒的限制作用，使膨脹力逐漸擴散，從而形成宏觀膨脹力。膨脹土初始含水量改變對其微觀結(jié)構(gòu)和孔隙大小的影響較小。

由圖4可知，豎向膨脹力和側(cè)向膨脹力隨初始含水量的變化規(guī)律大體一致。在干密度較低的情況下，隨著含水率的增加，膨脹力逐漸降低，但變化幅度很小。當(dāng)初始含水量較高時，礦物粒子附近的結(jié)合水膜會變得更厚，從而使膨脹土體的膨脹潛勢降低；干燥后，同一類型的膨脹土的膨脹勢能基本一致，在試樣的配制過程中，由于干燥的土顆粒接觸水分子會有膨脹的趨勢，將消耗一部分膨脹勢能，導(dǎo)致剩余膨脹勢能相對較小，進(jìn)而降低了對周圍土顆粒傳遞的膨脹力的大小，且膨脹勢能的消耗與所配含水率呈正比。在干密度較高的情況下，土樣的膨脹力隨含水量的增加呈現(xiàn)出先增加再降低的趨勢，且有相當(dāng)大的變化。當(dāng)干密度較大時，膨脹土單位體積內(nèi)的膨脹晶格數(shù)量越多，隨著土樣體積的增加，其吸水性和膨脹性都會顯著增加。當(dāng)含水率在某一程度內(nèi)時，晶格吸水膨脹對膨脹力的影響更大，促使其持續(xù)增長；當(dāng)含水量增加到一定程度時，含水率的變化對膨脹力的作用是最大的，隨著含水率的增加，膨脹力逐漸降低。

2.3 豎向和側(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。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，壓實時2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各向異性。所以，制樣時產(chǎn)生的誤差對二維膨脹力的對比影響不大。

圖5 二向膨脹力時程曲線

從圖5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。

由于土顆粒在壓實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。干密度越大，對豎直膨脹力的影響也越大，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 初始含水率對脹限的影響

脹限指膨脹土膨脹穩(wěn)定后的含水量。分析試驗結(jié)果可以繪制初始含水率與脹限的關(guān)系圖，如圖6所示，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。

在土體內(nèi)部時，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，在吸水膨脹時，土體可以吸收的水量會減小，使脹限降低。在干密度確定的情況下，試樣膨脹穩(wěn)定時土體內(nèi)部孔隙被水分子充滿，初始含水率的變化并不會對土體內(nèi)部含水量造成影響，故初始含水率對脹限也不造成影響。

2.4.2 膨脹力與脹限的關(guān)系

對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，可以繪制出不同初始含水率、不同干密度情況下膨脹力和脹限的關(guān)系曲線。如圖7所示，豎向膨脹力和側(cè)向膨脹力隨脹限的變化趨勢大體相同，呈負(fù)相關(guān)，脹限越大，膨脹力越小。

圖6 脹限-初始含水率曲線

圖7 膨脹力-脹限曲線

3 結(jié)論

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。

膨脹力和初始含水量的關(guān)系并不顯著。側(cè)向膨脹力與豎向膨脹力隨著初始含水率變化趨勢大體一致。在干密度偏小時，膨脹力與初始含水率呈負(fù)相關(guān)，且變化幅度相對較?。辉诟擅芏绕髸r，膨脹力隨初始含水率的增大先增大后減小，且變化幅度較大。

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。

在膨脹力試驗中，土樣的脹限與其初始含水率關(guān)系不大。膨脹力和脹限呈負(fù)相關(guān)。