膨脹土的土水特性試驗研究

□張　華（河南省河口村水庫工程建設管理局）

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膨脹土的土水特性試驗研究

□張華（河南省河口村水庫工程建設管理局）

膨脹土具有吸水膨脹和脫水收縮的特性，利用非飽和土固結儀對南陽地區膨脹土試樣進行了土—水特征試驗，并根據試驗得到的土—水特征曲線得到：試樣的含水率隨著基質吸力的增大顯著減小；隨著軸壓的增大，孔隙比減小。當吸力相同時，含水率隨孔隙比的減小而增大。

膨脹土；土水特征曲線；基質吸力

1　引言

膨脹土是現代工程地質學和土力學中新出現的一個名詞，膨脹土含有較多的膨脹性粘土礦物，具有很強的高塑性、吸水性、快速崩解及劇烈的脹縮性，是有別于紅土、黃土、凍土、軟土，以及普通粘土的一類特殊粘性土。河南省是我國膨脹土的主要分布地區之一，該地區膨脹土的分布相對集中，主要分布在豫中和豫西的南陽盆地。

由膨脹土的定義可知：影響膨脹土特性的因素主要有土的礦物成分、孔隙結構、土體的收縮性、土的含水量、土的應力歷史等。其中，土的礦物成分和孔隙結構是基本因素，其他因素往往是通過影響這兩個基本因素而起作用的，而在所有影響因素中，孔隙結構和含水量對其影響作用無疑是最大、最直接、最快速的。

土—水特征曲線（SWCC）表征了非飽和土中含水量（質量含水率或體積含水率）或飽和度與吸力之間的關系，其實質是以含水量形式表示的、與土中吸力變化相關的非飽和土的持水（即儲水）能力。土水特征曲線由含水量變化的規律可分為兩種：干燥（脫水）曲線和浸濕（吸水）曲線。試驗通過軸平移法獲得不同軸壓下膨脹土的土—水特征曲線的干燥過程，即脫濕曲線來描述孔隙結構和含水量對膨脹土的影響。

2　試驗概況

2.1試驗材料

本次試驗所采用的膨脹土取自南陽地區。南陽位于河南省南部，處于半干旱地區，該地區出露在地表的土層以膨脹土為主，也是南水北調中線工程的穿越區域，所以對該地區的膨脹土特性進行研究具有重要的工程意義。

通過室內試驗，得出了南陽膨脹土的部分物性指標，如表1所示。

表1　土的物性指標表

2.2試驗儀器

非飽和土固結儀、抽氣飽和裝置、空壓機。

2.3試驗步驟

本次試驗僅對土—水特征曲線的干燥過程即脫濕曲線進行研究。具體的試驗步驟如下：

2.3.1飽和陶土板

①打開陶土板底座一側的排氣口，通過另一側的進水口用無氣水沖洗陶土板底座；②用無氣水充滿半個壓力室；③施加500 kPa孔隙氣壓力，放置兩天；④打開陶土板底座一側排氣口，讓水透過陶土板向孔隙水壓力管排出；最后，關閉孔隙氣壓力，讓壓力逐漸消散至零，需要3-5 d的時間。

2.3.2制樣

將試驗所用的膨脹土經碾碎后，過2 mm篩，并測出其風干含水率；將過篩后的膨脹土按照最佳含水率加入一定質量的水，并在密封的塑料袋中養護24 h；采用靜壓法制備干密度為1.55 g/cm3的標準試樣。

2.3.3飽和土樣

制好的土樣放入抽氣飽和缸中抽氣飽和，約4 h，再浸泡24 h。

2.3.4試樣安裝

將飽和后試樣稱量后，裝入壓力室內，安裝好頂桿，上緊螺帽，調試好百分表。

2.3.5固結試樣

軸壓為0 kPa時，不用加載，直接進行下一步試驗，軸壓為50 kPa時，通過杠桿施加相應的軸壓，記錄百分表讀數，以每小時讀數變化＜0.005 mm認為穩定；待穩定后施加氣壓力。

2.3.6施加氣壓力

按照5、15、25、50、100、150、200、250、300、350、400、450的順序逐級施加氣壓力，待上一級平衡后，施加下一級壓力，以每2 h量管體變不超過1.20×10-2ml為達到平衡標準（為了防止量管水分蒸發，可在液面上方，加一薄層液體石蠟）。

2.3.7計算

陶土板下的孔隙水壓力讀數Uw等于陶土板上式樣的孔隙水壓力（一般接近零，可以不計），利用軸平移技術，土樣的吸力就等于施加的氣壓力（s=Ua-Uw）。達到平衡后，記錄量管水位數位，根據試樣的初始質量，便可測定其重量含水率。

式中：wi、△vi分別為該級壓力下試樣的含水率與從試驗開始時到該級壓力平衡時量管體積變化量，ms、mw分別為試樣的初始土顆粒質量與初始含水量。

2.4試驗結果

將試驗結果進行歸納整理，見表2和表3、圖1與圖2。

表2　試驗結果表（軸壓為0kPa）

圖1　基質吸力與含水率關系曲線圖（軸壓力為0kPa）

圖2　基質吸力與含水率關系曲線圖（軸壓為50kPa）

表3　試驗結果表（軸壓為50kPa）

3　實驗結果分析

對豎向壓力為0 MPa和50 MPa的膨脹土試樣，分別測定了土水特征曲線，對試驗結果的分析發現：試樣的含水率隨著基質吸力的增大顯著減小；隨軸向應力的增大，土樣在軸向產生壓縮變形，由于該土樣的徑向被環刀約束，所以該土樣的體積減小而產生壓實，進而使該土樣的孔隙比減小。當吸力相同時，含水率隨孔隙比的減小而增大，或者當含水率一定時，吸力隨孔隙比的減小而增大，或者說，隨著孔隙比的減小，含水量隨基質吸力增加而下降的趨勢減緩。

4　結論

一是利于軸平移法對南陽非飽和膨脹土基質吸力進行量測其方法簡便、實用。但對操作過程要求較為嚴格，特別是陶土板的飽和階段。一旦陶土板未完全飽和，孔隙氣就會通過陶土板進入孔隙水壓力測量系統。這樣就會導致孔隙水壓力的測量產生誤差。二是從含水率與基質吸力的關系來看：隨著基質吸力的增加，含水率逐漸下降，下降速率由快變緩。三是從孔隙比與土—水特征曲線的關系來看：隨著軸壓的增大，孔隙比減小。當吸力相同時，含水率隨孔隙比的減小而增大；或者當含水率一定時，吸力隨孔隙比的減小而增大。

（責任編輯：李樂樂）

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2016-03-22