呈貢隧道膨脹土膨脹力試驗(yàn)研究

夏志國(guó) 凌云鵬 趙 京

(1.重慶交通建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 400000； 2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

呈貢隧道膨脹土膨脹力試驗(yàn)研究

夏志國(guó)1凌云鵬2趙 京2

(1.重慶交通建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，重慶 400000； 2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

選取呈貢隧道膨脹土重塑土樣，通過(guò)膨脹力試驗(yàn)，研究了膨脹土在不同初始狀態(tài)下的膨脹特性，探明了昆明膨脹土的膨脹力與初始含水量和干密度的內(nèi)在聯(lián)系，為昆明地區(qū)建筑物的設(shè)計(jì)與施工提供相關(guān)依據(jù)。

膨脹土，膨脹力試驗(yàn)，含水量，干密度

膨脹土分布范圍廣泛，遍布全球40多個(gè)國(guó)家，由于其特有的膨脹性、超固結(jié)性、多裂隙性[1]和強(qiáng)度衰減性，對(duì)工程建筑產(chǎn)生了嚴(yán)重的危害，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失，尤其是在隧道工程中。如果支護(hù)結(jié)構(gòu)施作不及時(shí)或剛度不合適，會(huì)引起隧道的變形過(guò)大，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞，甚至出現(xiàn)隧道倒塌的危險(xiǎn)現(xiàn)象，嚴(yán)重的影響施工的安全性。膨脹土吸水膨脹、失水收縮，當(dāng)膨脹土的膨脹變形受到結(jié)構(gòu)的限制時(shí)，在土體與結(jié)構(gòu)接觸面上產(chǎn)生一種相互作用，這種相互作用稱為膨脹力。Chert F H[2]和Kassiff G[3]通過(guò)對(duì)膨脹土進(jìn)行系統(tǒng)的研究，得出了膨脹力僅能反映膨脹土的膨脹特性而與土狀態(tài)和環(huán)境條件的變化無(wú)關(guān)的結(jié)論。謝云，陳正漢，孫樹國(guó)等[4，5]通過(guò)對(duì)陶岔膨脹土的三向膨脹力試驗(yàn)研究得出了水平膨脹力小于豎向膨脹力且在相同含水率條件下兩者之間的比值隨干密度的增大而減小的結(jié)論。李振，周俊，邢義川等[6]對(duì)安康膨脹土進(jìn)行了吸濕變形的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在三向應(yīng)力作用下，膨脹土三個(gè)方向上都會(huì)產(chǎn)生變形；應(yīng)力較小時(shí)，都發(fā)生膨脹；應(yīng)力較大時(shí)，軸向被壓縮，徑向發(fā)生膨脹，但膨脹量很小。本文選取昆明樞紐東南環(huán)線呈貢隧道重塑膨脹土土樣，選用干密度分別為ρd=1.4 g/cm3，ρd=1.5 g/cm3，ρd=1.6 g/cm3和ρd=1.7 g/cm3等4個(gè)干密度以及w0=9.87%，w0=15.18%，w0=20.24%，w0=24.76%，w0=30.21%等5個(gè)含水量，研究膨脹力與初始狀態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系。

1 試件制作與試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)采用的是高壓固結(jié)儀，如圖1所示。試驗(yàn)之前首先制成不同干密度，不同含水量的試樣若干個(gè)，并用保鮮膜包好防止土樣中水分的蒸發(fā)。在做室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，按照杠桿平衡原理，采用石英砂來(lái)平衡實(shí)驗(yàn)過(guò)程中膨脹土試樣產(chǎn)生的膨脹力，膨脹穩(wěn)定后，稱取用于平衡的石英砂重量，從而計(jì)算出膨脹土試樣的膨脹力。

2 結(jié)果處理與分析

將試驗(yàn)結(jié)果用式(1)進(jìn)行處理，結(jié)果如表1所示。

(1)

其中，Pp為膨脹力，kPa；W為石英砂重量，N；A為試樣截面面積，cm2；r為杠桿比。

表1 膨脹力試驗(yàn)結(jié)果

干密度/g·cm-3初始含水量/%9.8715.1820.2424.7630.211.473.77163.13255.28348.56440.7991.5164.313131.51699.63386.43260.5761.6283.416229.439187.76147.76101.2291.7434.629336.213272.113220.039161.556

由表1可知，在相同干密度下，膨脹力隨著初始含水量的增大而減小；在相同初始含水量條件下，膨脹力隨干密度的增大而增大，且干密度對(duì)膨脹力的影響較初始含水量產(chǎn)生的影響大。

不同干密度條件下，膨脹力與含水量的關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。

從圖2可知，在一定干密度下，隨著初始含水量的增大，膨脹力逐漸減小，膨脹力與初始含水量之間呈現(xiàn)良好的負(fù)指數(shù)關(guān)系，通過(guò)對(duì)曲線進(jìn)行擬合，其通用公式為：

Pp=ae-bw0

(2)

其中，Pp為膨脹力，kPa；w0為膨脹土試樣的初始含水量，%；a，b均為擬合系數(shù)。

擬合系數(shù)a，b及相關(guān)系數(shù)如表2所示。

表2 不同干密度條件下擬合系數(shù)及相關(guān)系數(shù)表

從表2可知，擬合系數(shù)a，b都與干密度有關(guān)，a隨干密度的增大而增大，b隨干密度的增大先增大后減小。將干密度和a，b之間的關(guān)系通過(guò)曲線擬合可知，a與干密度之間存在良好的線性關(guān)系，b與干密度之間關(guān)系可用二次拋物線來(lái)描述(如圖3所示)，其回歸方程分別為：

a=2 028ρd-2 756(R2=0.996)

(3)

(4)

將式(3)和式(4)代入到式(2)中，可以得出膨脹力跟初始含水量和干密度之間的方程為：

(5)

其中，Pp為膨脹力，kPa；ρd為試樣的干密度，g/cm3；w0為試樣的初始含水量，%。

由此建立了昆明膨脹土的膨脹力與初始含水量、干密度的數(shù)學(xué)方程，可以很好的代替以往研究中得出的膨脹力隨干密度或初始含水量變化的單一數(shù)學(xué)方程。根據(jù)此公式可以直接計(jì)算出昆明膨脹土不同干密度和不同含水量下的膨脹力，由此簡(jiǎn)化了膨脹土上結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)呈貢隧道膨脹土進(jìn)行膨脹力試驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論：

1)在相同干密度下，膨脹力隨著初始含水量的增大而減小；在相同初始含水量條件下，膨脹力隨干密度的增大而增大，且干密度對(duì)膨脹力的影響較初始含水量產(chǎn)生的影響大。

2)在一定干密度下，隨著初始含水量的增大，膨脹力逐漸減小，膨脹力與初始含水量之間呈現(xiàn)良好的負(fù)指數(shù)關(guān)系。

[1] 廖世文.膨脹土與鐵道工程[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1984.

[2] Chert F H.Foundations of Expansive Soils[M].Amsterdam-Oxford-New York:Elsevier Scientific Publishing Company,1975.

[3] Kassiff G,Bake R.Aging Effects on Swell Potential of Compacted Clay[J].Soil Mechanics and Foundation Division.ASCE,1971：97.

[4] 謝 云，陳正漢，孫樹國(guó)，等.重塑膨脹土的三向膨脹力試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2007，28(8)：1636-1642.

[5] 謝 云，陳正漢，孫樹國(guó)，等.南陽(yáng)膨脹土三向膨脹力規(guī)律研究[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào),2006(1)：11-14,23.

[6] 李 振，周 俊，邢義川.三軸應(yīng)力狀態(tài)下膨脹土增濕變形特性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008，27(S1)：3088-3094.

Study on swelling force test of Chenggong swelling soil

Xia Zhiguo1Ling Yunpeng2Zhao Jing2

(1.ChongqingCommunicationsConstruction(Group)Co.,Ltd,Chongqing400000,China;2.ChinaRailwayEngineeringConsultingGroupCo.,Ltd,Beijing100055,China)

The paper took the remolded sample of Chenggong swelling soil, by swelling force test, we have studied the swelling characteristic in different initial conditions, the internal relation between the swelling force characteristic and initial moisture content, dry density was verified, the result provided a basis for the design and construction of buildings for Kunming.

swelling soil, swelling force test, moisture content, dry density

2015-02-12

夏志國(guó)(1988- )，男，助理工程師； 凌云鵬(1988- )，男，助理工程師； 趙 京(1988- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)12-0070-02

TU443

A