含水率及干密度對高鐵泥巖地基土無荷膨脹率的影響

李佳敏， 馬麗娜,2， 張戎令， 王起才, 張唐瑜， 王斌文

(1.蘭州交通大學 土木工程學院， 甘肅 蘭州 730070； 2.蘭州交通大學 道橋工程災害防治技術國家地方聯合工程實驗室， 甘肅 蘭州 730070； 3.卡迪夫大學 工程學院，英國 CF24 3AA)

1 研究背景

膨脹土是一種富含蒙脫石、伊利石和高嶺石等強親水性黏土礦物的特殊軟巖，在晴雨交替的情況下，具有遇水體積迅速膨脹、失水體積顯著收縮的特性[1-3]。在頻繁的干濕循環過程中，其工程性質會有很大的改變，給工程帶來諸多困擾[4]。有關膨脹土膨脹變形及計算方法的研究，國內外學者已進行了大量研究工作。胡瑾等[5]通過室內無荷膨脹與有荷膨脹試驗，研究了膨脹土的膨脹速率和膨脹率變化規律。李志清等[6]、張連杰等[8]、曾娟娟等[9]利用常規固結儀和三軸儀，研究膨脹土在上覆荷載作用下的脹縮變形以及含水率和干密度對膨脹土膨脹變形的影響，并建立了相應能反映其膨脹性質的預測模型。鄭建龍等[10]通過室內一維有荷膨脹試驗，提出一種適用于公路膨脹土地基設計施工的變形預測控制方法，該方法同時考慮了路基變形、壓實以及剛度補償3個方面要求，計算模型具有一定說服力。為了控制地基變形，工程中大多用采用換填或添加不同摻合料，如碎石、石灰、高爐水渣等[11-13]化學措施來減小地基脹縮特性，但是對于弱膨脹土分布廣泛的地區而言，大范圍換填路基或摻其他材料顯然是不經濟的，因此工程中常直接利用現場弱膨脹土進行路基與地基的填筑[12]，因而掌握膨脹土的力學性質以及遇水后的脹縮規律，正確預估天然膨脹土地基變形規律，推算膨脹土路基的變形量及穩定時間，顯得尤為重要，也是合理利用膨脹土路基的關鍵。特別是對于軌道變形要求極高的高速鐵路泥巖地基而言，亟需提出一種適用于現場實際工程的膨脹變形預測模型。因此，本文依托蘭新二線高速鐵路，對弱膨脹土泥巖地基進行無荷膨脹率試驗，探究膨脹量與含水率、干密度之間的關系，試圖從膨脹能角度解釋說明初始含水率與初始干密度對膨脹土地基無荷條件下變形規律，并擬合了無荷膨脹率時程變化方程以及無荷膨脹率-初始含水率-初始干密度之間的關系方程，為預測高速鐵路泥巖地基膨脹量提供參考。

2 材料和方法

2.1 試驗材料

本次試驗所用膨脹土取自蘭州-新疆高鐵線路某試驗段，土樣為磚紅-紅褐色，可塑，泥質膠結，易崩解，粒徑大小分布不均勻。X-射線衍射儀測得石英石、長石、方解石含量較大，蒙脫石含量平均為7.3%。根據鐵路工程特殊巖土勘察規程[14]判定該泥巖為弱膨脹土。室內試驗測得該土樣的其他物理指見表1。

表1 試驗所用膨脹土土樣的基本力學參數

2.2 試驗方法

將烘干土樣碾碎過2 mm孔徑的篩，分別配制含水率為4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%的土樣，將配置好的土樣放在試驗盒中用濕毛巾蓋住，放于保濕缸中靜置一晚，使土樣含水均勻。按照設計干密度1.4、1.6、1.8 g/cm3制備環刀試樣(φ=61.8 mm，h=20 mm)，將制備好的試樣放入膨脹儀中，蓋上蓋板，安裝百分表，記錄百分表初始讀數，然后自上而下向儀器中注入蒸餾水，保持水面高出試樣約5mm，每2 h記錄一次數據，同時記錄讀數時間，當兩次讀數的差值小于0.01mm時視為膨脹穩定。試驗結果如表2所示。

表2不同初始含水率及干密度的膨脹率測試結果%

初始含水率ω0/%初始干密度ρd0/(g·cm-3)1.41.61.8414.2518.4421.88613.3417.3920.05812.1213.0619.491011.0611.2218.26129.7311.6017.26148.6510.2115.43168.069.5214.08187.358.729.55206.257.978.62

3 試驗結果與分析

3.1 膨脹變形時程規律

由于篇幅有限，試驗描述以初始干密度為1.6 g/cm3、不同初始含水率下的試樣為例，其膨脹時程曲線如圖1。由圖1可知，(1)無荷膨脹時程曲線呈外凸型，隨時間的增長，無荷膨脹率逐漸增大，并且初始含水率越小，最終達到膨脹穩定時試樣的無荷膨脹率越大。這是因為試樣吸水后，水分會與其內部的黏土礦物發生復雜的物理化學反應，釋放膨脹能，使試樣發生脹縮變形。但是初始含水率大的土樣，在燜土過程中土體顆粒與水充分接觸，提前釋放了一部分膨脹能，使得試樣內所儲存的膨脹能降低；同時試驗發現，在初始干密度相同的情況下，初始含水率越大，試驗過程中試樣所吸收的水分Δω(即脹限含水率與初始含水率的差值)就越少，說明試樣達到脹限含水率時釋放的膨脹能也就越少，因此，相比于初始含水率低的試樣，含水率高的試樣在吸水膨脹過程中產生的膨脹能較小，因而試驗測得的膨脹率也較小。(2)無荷膨脹率隨時間變化曲線大致可以分為3個階段：第1階段，前100 min內為快速膨脹階段，在短時間內無荷膨脹率迅速增大，近似于線性增長。這是因為在電場力作用下，雙電層中被吸附的水分子會規矩的排列并吸附在黏土顆粒表面，形成表面水膜，隨著含水率的增大，水膜變厚，快速填充并增大土顆粒之間的間隙[5-6]；同時由于試驗開始時試樣含水率較低，土體內吸力較大，顆粒之間結合較為緊密，當試樣吸水導致含水率增大時，土體內吸力逐漸減小，相當于給土顆粒施加拉力，引起土顆粒間的彈性效應[8]，使試樣體積迅速增大，膨脹率增大。第2階段，100～1 440 min為減速膨脹階段，此時膨脹率隨時間緩慢增長，因為試樣含水率增大后，吸力逐漸減小，因此這一階段水分吸收速度較上一階段緩慢，但是顆粒或聚集體間仍有水分進入，因此試樣仍發生膨脹變形，但變形速率相對緩慢。此階段試驗過程耗時最長，所產生的膨脹量小于第1階段；第3階段，大約在24 h(1 440 min)以后試樣到達膨脹穩定階段，無荷膨脹率曲線趨于水平，試樣幾乎均已達到脹限含水率，土顆粒以及聚集體間已經不能再吸收多余水分，土中吸力接近于0，膨脹量基本不再增加，膨脹達到穩定狀態，膨脹率基本不發生變化。

圖1 不同初始含水率土樣無荷膨脹率時程曲線

圖1中曲線大致以對數形式增長，隨時間增長膨脹率逐漸增大最終趨于穩定狀態，因此參考已與研究[5]，采用半對數函數對其進行擬合，方程表達式為：

δ=alnt+b

(1)

式中：δ為無荷膨脹率；t為時間，min；a、b為常數(a>0，b>0)，與試樣初始含水率與初始干密度有關。

擬合結果見圖1，除含水率為4%時擬合程度稍有偏差，其余含水率情況擬合程度良好，所以無荷膨脹率與時間關系可通過公式(1)較好地擬合。不同初始含水率情況下擬合參數a、b的值如表3所示。因為a、b的值與初始含水率和初始干密度有關，因此，為了得到它們之間的定量關系(初始干密度相同前提下)，以初始含水率為橫坐標，參數a、b的值為縱坐標，繪制散點圖并進行擬合，結果如圖2所示。需要注意的是，由于b>0，故在擬合前應剔除初始含水率為10%、12%時所對應a、b值的點。

表3 土樣膨脹率時程擬合曲線參數a、b值

從圖2擬合結果可知，參數a、b的值與初始含水率呈較好的線性關系。因而參數a、b可以用與初始含水率相關的函數定量表達，其關系為：

a=-0.0482ω0+1.778

(2)

b=-0.332ω0+6.847

(3)

將公式(2)、(3)代入公式(1)中整理可得：

δ=(-0.0482ω0+1.778) lnt+

(-0.332ω0+6.847)

(4)

公式(4)中只有時間t和初始含水率ω0兩個參數，并且都是容易求得的參量， 因此在試驗過程中，當初始干密度一定的情況下，根據公式(4)可以較為方便地預測膨脹土體無荷膨脹變形，從而為現場泥巖地基土無荷膨脹量的預測提供一定參考。

3.2 無荷膨脹率與初始含水率、初始干密度的關系

根據已有研究可知，黏土礦物的化學成分、陽離子種類、可塑性以及含水率和干密度等都會對膨脹土的膨脹產生不同程度影響。但是黏土礦物的化學成分及陽離子種類等都需借助專業儀器進行測定，在工程應用中具有局限性。而含水率和干密度指標比較容易獲得，因此以下將重點討論初始含水率、初始干密度對黏土膨脹性的影響。

圖3為不同初始含水率與不同初始干密度條件下無荷膨脹率變化情況。由圖3(a)可知，在初始干密度相同時，無荷膨脹率隨初始含水率的增大而逐漸減小，并且初始干密度越大，則無荷膨脹率減小的速率越快。在初始含水率相同的情況下，初始干密度越大，則無荷膨脹率越大，這是因為試樣干密度越大，同體積試樣所含土體顆粒越多，試樣吸水過程中顆粒表面水膜增厚，使試樣總體積明顯增大。并且干密度越大，試樣中黏土礦物含量越多，水穩定性差、親水性強的黏土礦物如蒙脫石等含量越多，因蒙脫石晶格間以弱鍵結合，弱鍵使晶格間具有較大的活動空間，水分子容易進入晶格，所以試樣容易膨脹。因此試樣干密度越大，土體的膨脹潛能就越大，與水反應釋放的膨脹能也越大，產生的膨脹量越大，所以無荷膨脹率也就越大。

由圖3(b)可知，無荷膨脹率隨初始干密度增大而增大。初始含水率較大時(≥18%)，隨初始含水率的增大，無荷膨脹率增長速率逐漸降低，初始含水率越大，直線越平緩；當初始含水率較小時(<18%)，含水率對無荷膨脹速率的影響并不明顯。由3.1與本節分析可知，初始干密度越大、初始含水率越低的試樣越容易發生膨脹，因為單位體積內所含土樣質量越大，土樣內所儲存的膨脹潛勢就越大，當初始含水率較大時，土樣與水反應會提前釋放一部分膨脹能，殘余膨脹能會減小，所以土樣越干燥干密度越大，其膨脹潛勢就越大，無荷膨脹率越大。

圖2 擬合曲線參數a、b與含水率變化關系

圖3 含水率與干密度對無荷膨脹率的影響關系

根據圖3可知，無荷膨脹率與初始含水率和初始干密度均呈較好的線性關系，因此可建立三者之間的函數關系，參考已有研究成果[15-17]，選擇采用公式(5)對本次重塑膨脹土無荷膨脹試驗數據進行擬合。

δ=aω0+bρd0+c

(5)

式中：δ為無荷膨脹率，%；ω0為初始含水率,%；ρd0為初始干密度,1.6 g/cm3；a,b,c為常數。

擬合結果如下：

δ=-0.652ω0+14.95ρd0-3.369

(6)

將擬合結果與試驗數據點對比分析可知(圖4)，R2=0.919,說明擬合程度較好，該公式可以較為準確地反映含水率與干密度對地基膨脹率的影響。但是由于工程現場對膨脹土膨脹率的影響因素不僅限于含水率與干密度，還包括黏土礦物的含量、上覆荷載、土質以及試驗條件等因素，因此有必要對模型的適用性進一步完善。

圖4 土樣無荷膨脹率與含水率、干密度的擬合關系及其與試驗數據對比

4 結 論

(1)試驗土樣無荷膨脹時程曲線呈對數外凸型趨勢，并且初始含水率越低，最終穩定時無荷膨脹率越大；

(2)試驗土樣無荷膨脹時程曲線變化規律可分快速膨脹、減速膨脹、膨脹穩定這3個階段；

(3)試驗土樣無荷膨脹率隨初始含水率的增大而減小，隨初始干密度的增大而增大。

(4)具有高初始干密度、低初始含水率的試樣要比低初始干密度、高初始含水率的試樣的膨脹潛能大，即試樣越干燥、干密度越大，其所儲存的膨脹能就越大。