湖相沉積型擾動膨脹土的力學特性研究

摘 要:通過對不同含水率的湖相沉積型擾動膨脹土的膨脹特性和強度特性進行試驗研究，采用回歸分析建立了湖相沉積型擾動膨脹土的含水率與膨脹力、膨脹率和抗剪強度等力學指標間的相互關系，對湖相沉積型膨脹土的力學特性研究及工程問題處理提供一定的參考價值。

關鍵詞:膨脹土力學特性回歸分析

中圖分類號:TU443文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(b)-0009-03

膨脹土是一種主要由強親水性黏土礦物成分（蒙脫石和伊利石）組成的，具有膨脹結構以及多裂隙性、強脹縮性和強度衰減性的高塑性粘性土[1]。其化學成分含量主要為SiO2、AL2O3、Fe2O3等氧化物，總含量為81%～86%。由于膨脹土具有的脹縮特性，對工程建設的危害常有多發性、反復性與長期性的特點，工程防治困難。

膨脹土的成因可概括為三種成因類型:殘積（風化）型膨脹土、沉積型膨脹土和熱液蝕變型膨脹土，極個別地區尚有冰水成因等。膨脹土在全世界各國的分布范圍很廣，尤其中國更甚，云南省處于特殊的立體氣象特征及地質構造背景下所形成的膨脹土，其成因類型幾乎包括了除冰水成因之外的所有成因類型，本文針對湖相沉積型擾動膨脹土的力學特性進行試驗研究，對湖相沉積型膨脹土的力學特性研究及工程問題處理提供一定的參考價值。

1 土樣采集、制備及試驗方案設計

云南曲靖壩區屬典型的斷陷盆地，地表多出露上新統茨營組（N2C）地層，巖性為灰白、紅褐、灰綠色等色粘土，具有較強的膨脹性，屬典型的湖相沉積型膨脹土。研究中采集土樣2組，1#土樣粘粒含量47.6%，干密度1.29×103kg/m3，天然含水率32%，取自云南省曲靖市曲靖煙場附近，顏色灰白，產狀大體水平，多裂隙，半成巖狀態;2#土樣粘粒含量39.4%，干密度1.33×103kg/m3，天然含水率19%，取自云南省曲靖市鳳凰水榭，顏色紅褐、灰綠色，多裂隙，埋深地下3～5m。

采用密度計法[2]對2組土樣進行顆粒分析試驗，試驗結果見表1，其顆粒級配曲線見圖1。2組土樣的顆粒較細，均無大于0.075mm的粗粒存在;粘粒含量較高，吸附水能力較強，顆粒負電場對極性水分子和水中陽離子的吸附能力強，在天然狀態下，土樣含水率相對較高。

利用風干土樣，按要求的干密度、試樣體積，采用擊樣法可制備不同含水率的試驗用土樣，制樣所需的風干土質量按式1-1計算;制備不同含水率的土樣，按式1-2計算應增加的水量。

（1-1）

（1-2）

式中:—風干土樣質量（g）;—制備不同含水率的土樣所需加的水質量（g）;—風干土樣的含水率（%）;—不同土樣的要求含水率（%）;—土樣制備的控制干密度（g/cm3）;—制備土樣的體積（cm3）

對1#、2#擾動膨脹土分別制備不同含水率、相同干密度的試樣，分別進行膨脹力試驗、自由膨脹率試驗、有荷膨脹率試驗和三軸剪切試驗等。

2 不同含水率與膨脹力的關系研究

膨脹力的測定:將制備好的6個土樣（1#、2#擾動膨脹土分別3個，含水率2%～5%遞增）分別放入固結儀，采用加荷平衡法進行膨脹力的測定。試驗中采于同一地區兩個工程地點的土樣進行對比試驗分析，其膨脹力隨時間的變化關系曲線見圖2，膨脹力和不同含水率的關系曲線見圖3。

從圖2知，擾動膨脹土在吸水飽和的過程中，膨脹過程存在1～2個臺階，隨著吸水過程的增長，膨脹力逐漸增大，但隨著土樣逐漸趨于飽和，膨脹力也逐漸趨于穩定。從圖3知，土樣初始含水率越低，膨脹力越大，隨著土樣初始含水率的逐漸增大，膨脹力逐漸減小，當含水率達一定程度時，膨脹力趨于穩定。

為分析膨脹力與初始含水率兩者之間的量化關系，對含水率和膨脹力兩個參數進行回歸分析[3]，對比指數函數關系、對數函數關系、線性關系、冪函數關系等，試驗中的2種土樣，其初始含水率和膨脹力關系的分布最接近指數分布規律，1#、2#土樣的相關關系式分別見式2-1，式2-2。

（相關系數=0.9863） （2-1）

（相關系數=0.9918）（2-2）

3 不同含水率情況下的膨脹率

3.1 無荷條件下的膨脹試驗

無荷膨脹率的測定:將制備好的6個土樣（1#、2#擾動膨脹土分別3個，含水率2%～5%遞增）分別放入固結儀，使土樣在有側限、無預定荷載的條件下，測定無荷膨脹率的大小，無荷膨脹率按式3-1計算。1#、2#土樣無荷膨脹量隨時間變化曲線見圖4，無荷膨脹率與含水率關系見圖5。

（3-1）

式中:—膨脹土的無荷載膨脹率（%）;—膨脹穩定時的百分表讀數（mm）;—百分表初始讀數（mm）;—試樣初始高度（mm）。

從圖4中可以看出:在含水率較低時，膨脹量隨著時間的增加而增加;隨含水率的增大，其膨脹量越小，甚至出現體縮現象（1#土含水率32%及37%時），這一方面與土樣中的礦物成分有關，另一方面與土體的含水率有關。此外，發生膨脹變形的主要變形量產生在0～600min以內，即試驗開始后的10個小時，10個小時之后趨于穩定。

對1#土樣和2#土樣中初始含水率和無荷膨脹率之間進行回歸分析，最佳擬合方程分別符合冪函數的形式和指數函數的形式，其相應的關系分別見式3-2、式3-3。

（相關系數=0.9814） （3-2）

（相關系數=0.9997） （3-3）

3.2 有荷條件下的膨脹試驗

有荷膨脹率的測定:將制備好的6個土樣（1#、2#擾動膨脹土分別3個，含水率2%～5%遞增）分別放入固結儀，使土樣在有側限、有預定荷載（分別為50kpa、100kpa、200kpa、400kpa）的條件下，測定有荷膨脹率的大小，有荷膨脹率按式3-2計算。1#、2#土樣不同級別荷載下的膨脹變形與時間的關系曲線如圖6，有荷膨脹率與含水率關系見圖7。

（3-2）

式中:—膨脹土的有荷載膨脹率（%）;—加荷后百分表穩定讀數（mm）;—預定荷載下儀器的壓縮變形（mm）;、、符號意義見式3-1。

從圖6中可以看出:在含水率較低、荷載較小時，膨脹量隨著時間的增加而增加，含水率越大，所產生的膨脹量越小，甚至出現體縮現象（1#土含水率37%時），發生膨脹變形的主要變形量產生在加荷以后0-10min以內，隨后的變化幅度逐漸減小。說明受上部荷載的影響，膨脹量的變化時間較無荷膨脹量的時間大幅度的縮短，且上部荷載越大，土體的變形量越小，含水率較高的土樣在膨脹變形過程中還會出現體縮現象。

圖7是不同壓力荷載條件下的含水率和膨脹量之間的關系曲線，有荷膨脹條件下，膨脹率—含水率關系曲線存在一個峰值點，若將該點對應的膨脹率稱為“最大膨脹率”，其對應的含水率稱為“最脹含水率”;隨著預壓荷載的增大，最大膨脹率逐漸增大，最脹含水率逐漸減小，但這種增大（或減小）的趨勢逐漸減小。

3.3 不同含水率的膨脹土強度特性研究

抗剪強度參數的測定:將制備好的1#、2#擾動膨脹土土樣分別放入應變控制式三軸儀，采用不固結不排水剪切試驗方法，測定土樣的總應力抗剪強度指標（粘聚力和內摩擦角）。1#、2#擾動膨脹土不同含水率與粘聚力（C）和內摩擦角（）的關系曲線見圖8。

由圖8可知，含水率與粘聚力的關系并非線性關系。擾動膨脹土的內聚力、內摩察角均隨含水率升高而減低，但內聚力降得更快，它們近似呈現指數關系或對數關系。通過回歸分析，1#土樣、2#土樣的含水率（）與粘聚力（）關系分別見式3-3、式3-4;1#土樣、2#土樣的含水率（）與內摩擦角（）關系分別見式3-5、式3-6。

（相關系數=0.9991）（3-3）

（相關系數=0.9841）（3-3）

（相關系數=0.9253） （3-3）

（相關系數=0.9939）（3-3）

4 結語

膨脹土是一種分布較廣的區域性特殊土，其成因類型多樣，通過對湖相沉積型膨脹土的膨脹特性及強度特性進行試驗研究，可得出如下幾點結論:1）湖相沉積型擾動膨脹土在吸水飽和的過程中，隨著吸水過程的增長，膨脹力逐漸增大，但隨著土樣逐漸趨于飽和，膨脹力也逐漸趨于穩定，二者間較明顯的指數分布規律。2）在有側限、無預定荷載條件下，含水率較低時，膨脹量隨著時間的增加而增加，隨含水率的增大，其膨脹量越小，甚至出現體縮現象，含水率和無荷膨脹率之間符合冪函數或指數函數關系。3）在有側限、有預定荷載條件下，含水率較低、荷載較小時，膨脹量隨著時間的增加而增加，含水率越大，所產生的膨脹量越小，甚至出現體縮現象。有荷膨脹率—含水率關系曲線存在一個峰值點，該點對應的膨脹率可稱為“最大膨脹率”，其對應的含水率可稱為“最脹含水率”;隨著預壓荷載的增大，最大膨脹率逐漸增大，最脹含水率逐漸減小，但這種增大（或減小）的趨勢逐漸減小。4）湖相沉積型擾動膨脹土的含水率與粘聚力的關系并非線性關系，其內聚力、內摩察角均隨含水率升高而減低，它們近似呈現指數關系或對數關系。

參考文獻

[1]劉國楠.膨脹土研究綜述[J].地基處理，1993，4(3):30～35.

[3]王黎明.應用回歸分析[M].山東:中國海洋大學出版社，2005.