南水北調禹州段壓實膨脹土膨脹性試驗研究

王 征，周 進，黃志全

(華北水利水電學院 資源與環境學院，河南 鄭州 450011)

我國是膨脹土分布最廣的國家之一，在分布地區由于大量使用人工壓實膨脹土作為公路、水利和土木建筑等工程方面的施工材料，由此引起了大量的建筑物破壞，導致了巨大的經濟損失，從而引起了許多專家對膨脹土的變形和強度開展了大量的研究工作。人工壓實膨脹土與原狀膨脹土性質有所不同，由于在壓實過程中的結構再排列，使得其膨脹性較原狀膨脹土大幾倍甚至更多［1-2］。

膨脹土主要是由強親水性的黏土礦物組成，其中伊利石，蒙脫石等黏土礦物使膨脹土具有失水收縮、吸水膨脹的特性。膨脹土吸水產生體積膨脹是由膨脹土中水分子在黏土礦物顆粒周圍形成具有一定排列方向的水膜引起的，是自由水滲入礦物顆粒間轉化為結合水，并在土粒間產生結合力，隨著結合水膜的厚度增加，使土粒間的凈距離增加，從而導致土體的膨脹［3］。本文對河南禹州膨脹土進行了相應的試驗研究，得到了人工壓實膨脹土的膨脹變形與干密度、含水率和豎向荷載這三個因素的變化規律，以及膨脹力與初始含水率和干密度的變化規律。

1 膨脹土的膨脹變形規律

試樣取自河南禹州地區，其自由膨脹率為42%，相對密度為2.72，屬于弱膨脹土。

膨脹變形試驗是在輕便固結儀上完成的，為了研究不同狀態下壓實膨脹土的膨脹變形規律，將膨脹土制成干密度分別為 1.45 g/cm3，1.53 g/cm3，1.60 g/cm3，1.70 g/cm3和含水率分別為12%，15%，18%，21%的土樣，總共進行48個土樣的無荷單向膨脹率試驗，試驗結束后試樣均已達到飽和狀態，其試驗結果見表1。

表1 無荷膨脹率的試驗數據 %

1.1 膨脹率與初始含水率的相關性

膨脹土的吸水膨脹是膨脹土的主要特點，其單向膨脹率 δH為

式中，ΔH是土樣膨脹后高度變化量，H0是膨脹土樣浸水前的高度。

根據表1的試驗結果，在試驗結果分析中發現土樣的干密度不變，膨脹土的浸水膨脹變形與土樣的初始含水率密切相關，初始含水率越大膨脹率越小。對無荷膨脹變形與含水率進行回歸分析，河南禹州膨脹土膨脹變形回歸分析結果見表2，圖1為不同干密度膨脹土無荷膨脹率與初始含水率相關分析圖。

圖1 無荷膨脹率與含水率的關系

表2 無荷膨脹率與初始含水率的回歸分析式

1.2 膨脹率與干密度的相關性

在試驗結果分析中發現初始含水率不變，膨脹土的浸水膨脹變形與土樣的干密度密切相關，干密度越大膨脹率越大。表3為不同初始含水率土樣的干密度與膨脹變形回歸分析的結果。圖2為不同初始含水率膨脹土樣無荷膨脹率與干密度的相關分析圖。

表3 無荷膨脹率與干密度的回歸分析式

圖2 無荷膨脹率與干密度的關系

對表2、表3進行二元回歸分析，可總結出河南禹州膨脹土膨脹變形與土樣初始含水率、干密度的關系

其中，a= －2.065，b=2.512，c=51.621，d= －61.48。

從式(2)可看出，膨脹率隨土樣干密度的增加而增加，式(2)右邊第一項當γd≥1.22 g/cm3時，這一項為負值，說明這時無荷膨脹率隨初始含水率的增加而降低。

1.3 膨脹率與豎向荷載的關系

膨脹土遇水后發生自由膨脹變形，當有豎向荷載作用時，膨脹土的變形將受到壓制。不同荷載條件下浸水膨脹變形試驗是在輕便固結儀上完成的，土樣初始含水率為18%，干密度為1.66 g/cm3，土樣膨脹時所受的豎向荷載分別為 0，12.5 kPa，25.0 kPa，50.0 kPa，75.0 kPa。試驗中豎向壓力是在試驗前一次加上的，加壓穩定后土樣開始浸水膨脹，膨脹變形穩定后的土樣都已達到飽和。試驗結果見表4。

表4 不同豎向荷載的膨脹率Vhp試驗數據

目前已經有很多學者提出了很多關于膨脹率與豎向荷載的計算公式，本次試驗采用文獻［4］提出的膨脹率與豎向荷載的關系式

式中，A，B為試驗參數;pa為大氣壓力;σz為豎向壓力。

式(3)將壓力通過與大氣壓力的比值使之無量剛化，且可以反應出壓力為0時膨脹量的情況［5］，故本文用(3)式對膨脹率與豎向荷載進行擬合。當豎向荷載為0時，參數A的值為無荷膨脹率，而參數 B的值隨初始含水率、干密度的變化而不同，由試驗確定。用式(3)對本次試驗結果進行擬合，如圖3所示，其中A=7.63，B=6.091 6，表明式(3)可以很好地擬合試驗結果。

圖3 不同豎向荷載下的膨脹量試驗值的擬合曲線

1.4 膨脹率的計算模式

將式(2)、式(3)聯立，就可以得到考慮初始含水率、干密度和豎向荷載耦合作用的膨脹率計算公式

式中，a，b，c，d，B 為試驗參數。

2 膨脹土的膨脹力變化規律

膨脹力按《巖土工程基本術語標準》中定義，是土體在不允許側向變形下充分吸水，使其保持不發生豎向膨脹變形所施加的最大壓力值［6］。盧肇均在研究非飽和膨脹土膨脹力與吸力的關系中認為膨脹力是吸力的反作用力［7］。影響膨脹土的膨脹力的因素有很多，主要有膨脹土的礦物成分、孔隙比、結構、含水率、干密度、飽和度、應力歷史等［8-11］。本文就膨脹土樣的含水率、干密度對膨脹土的膨脹力的影響進行相應的試驗研究。膨脹土的膨脹力的測定是在輕便固結儀上進行的，使用的方法是平衡加壓法。其方法是將膨脹土及環刀一同壓入固結鋼環內，土樣上下均用干燥濾紙及透水石覆蓋并逐步浸水，為了試驗時加荷準確方便，用鐵砂子代替砝碼和吊盤保持土樣的體積不變直至穩定，如此測得膨脹土浸水后產生的膨脹力。其試驗過程不會引起土體結構破壞，也符合膨脹力的物理意義［8］。不同初始含水率和干密度土樣的膨脹力是不一樣的。表5為幾種土樣膨脹力的測試結果。

2.1 膨脹力與初始含水率的關系

對表5進行分析，可以看出相同干密度土樣的初始含水率與其膨脹力的對數存在相關性。圖4為lnp－ω0的相關分析圖，表6為土樣膨脹力與初始含水率相關分析的結果。

圖4 lnp—ω0關系曲線

2.2 膨脹力與干密度的關系

研究發現，相同含水率土樣的干密度與其膨脹力的對數存在相關性。分析結果見圖5和表7。

表6 lnp－ω0相關分析式

圖5 lnp—γd相關分析

表7 膨脹土樣lnp－γd相關分析式

對表6、表7進行二元回歸分析，可總結出膨脹力與干密度和初始含水率的關系

從式(5)可看出，膨脹力隨土樣的干密度的增加而增加，隨初始含水率的增加而降低。

3 試驗結果驗證

為了驗證以上計算公式的正確性，用式(4)對豎向荷載為25 kPa下的計算膨脹率與實際試驗的數據進行比較如表8所示;用式(5)計算的膨脹力與實際試驗的數據進行比較如表9所示。

表8 膨脹率計算結果與試驗結果比較

表9 膨脹力計算結果與試驗結果比較

從表8、表9可以看出，膨脹率和膨脹力的最大誤差分別為5.516%和9.811%，符合試驗誤差要求，證明本文提出的計算公式是正確的。

4 結論

1)對于特定的人工壓實膨脹土，其豎向膨脹率隨土樣干密度的增加而增加，隨土樣初始含水率的增加而減少，隨豎向荷載的增加而減小。

2)膨脹土的膨脹力隨初始含水率的增加而減小，隨干密度的增加而增大。

3)本文提出了考慮初始含水率和初始干密度和豎向壓力三個因素的膨脹變形計算公式，以及考慮初始含水率和干密度兩個因素的膨脹力計算公式。在實際工程中可以依據本文提出的計算公式，預測膨脹土體可能產生的變形。

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