荊門城南區域膨脹土膨縮特性及抗剪強度研究

引言

膨脹土是一類由蒙脫石、伊利石和高嶺土等強親水礦物組成的特殊性黏性土，一旦受到含水量變化，極易出現明顯的體積變化，其主要表現為吸水膨脹軟化、失水收縮干裂，反復的吸水和失水導致土體強度衰減，長此以往易引起路基工程開裂、建筑物不均勻沉降、基礎承載力下降、邊坡失穩等工程危害[1]-[3]。膨脹土在我國的分布極為廣泛，在湖北地區主要分布在宜昌、荊門、襄陽等地，不同地區的膨脹土由于其礦物成分組成和微觀結構的不同，膨脹和收縮機制呈現出明顯的地域性。荊門南部及周邊區域作為江漢平原規模最大的膨脹土分布區，膨脹土對外部荷載、濕度和地下水等因素變化較為敏感，在受到變形約束時，發生膨脹變形和膨脹力，且膨脹土體的膨脹潛勢無明顯的規律，引起建筑物的變形、沉降、次應力和地基不同程度鼓脹、開裂等不良反應，給病害整治帶來困難[4]。

目前，眾多學者對膨脹土的工程特性展開了研究，其研究多聚焦于膨脹力、膨脹率試驗、膨脹土的水穩特性以及膨脹勢與膨脹時程等方面，在研究內容上多傾向于膨脹土的膨脹特性，對統一膨脹土的收縮特性、膨脹特性以及強度特征方面的研究和關注較少。本文以荊門城南中膨脹土為研究對象，分析不同含水率和干密度變化時膨脹土膨脹率隨時間的變化關系，試圖建立歸一化膨脹土膨脹過程時程曲線。

1.試驗土樣的制備及試驗方案

1.1 試驗土樣的選取和制備

試驗土樣取自荊門城南區域某基坑工程，在12個地質鉆孔內采用固定活塞取土器獲取高質量原狀樣，經過地質鉆探鑒別以及室內試驗，根據《膨脹土地區建筑技術規范》（GB 50112-2013）[5]的膨脹土地基的脹縮等級劃分，場區膨脹土以中膨脹土為主，外觀為灰黃色，軟～硬塑，含吸水礦物含量較高，伊利石含量約55%，蒙脫石-伊利石混層含量約15%，高嶺土含量約20%，裂隙較發育，局部見白色填充物。場區膨脹土室內基本物理參數成果如表1所示，礦物成分及顆粒分析如表2所示。

表1 場區膨脹土室內試驗物理參數

由表1可知，膨脹土的天然含水率變化區間較大，試樣制備時，考慮天然含水率對各項參數的影響，控制試樣干密度為ρd=1.6g/cm3，制備不同含水率的試樣4組，含水率分別為ω=15%、20%、25%、30%；為了考慮干密度對各項參數的影響，控制試樣含水率為ω=20%，制備不同干密度的試樣5組，干密度分別為ρd=1.3g/cm3、1.4g/cm3、1.5g/cm3、1.6g/cm3、1.7g/cm3。試驗環刀直徑61.8mm，高20mm。

1.2 試驗方案

為考察膨脹土的膨脹特性、收縮特性和遇水強度衰減特性，參考《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）[6]，制定無荷載膨脹試驗、收縮試驗和直接剪切試驗。試驗時，室內溫度為25℃，最高溫度不高于30℃。

無荷載膨脹試驗采用河北路儀公路儀器有限公司生產的WZ-II型土壤膨脹儀器，試驗時，將放入水盒中，記錄百分百初讀數，保持水面大于試樣高度5mm，記錄不同時間內百分表讀數，當6h內變形小于0.01mm時可以停止試壓。膨脹力試驗采用同樣設備，采用平衡荷載法進行試驗。

為探討不同含水率條件下膨脹土的收縮特性，對4組不同含水率的試驗進行收縮試驗，試驗設備采用南京寧溪土壤儀器廠生產的SS-1型收縮儀，室內溫度及收縮速度宜每隔lh ～4h測記百分表讀數，并稱整套裝置和試樣質量，準確至0.lg；兩天后，每隔6h ～24h測記百分表讀數并稱質量，直至兩次百分表讀數不變。直接剪切試驗采用方法和流程可參考《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-2019）。

2.試驗成果與分析

2.1 荊門城南區域膨脹土膨脹與收縮特征分析

圖1為不同含水率條件下（ρd=1.6g/cm3）膨脹土的無荷載膨脹試驗結果。從圖中可以看出，膨脹率在膨脹初期階段，隨時間線性增加，而后轉變為非線性增加，最后趨于收斂。隨著初始含水率的增加，膨脹率在線性階段的斜率不斷減小，同時收斂階段的最終膨脹率也不斷減小。這是由于在同一干密度條件下，含水率的增加削弱了膨脹土的膨脹潛勢。

圖2為不同干密度下（ω=20%）膨脹土的無荷載膨脹試驗結果。由圖可知，膨脹土的變化規律也大致經歷了以上三個階段。但是，隨著干密度的增加，膨脹率在線性階段的斜率不斷減小，但是收斂階段的最終膨脹率卻不斷增加。表明干密度大的膨脹土，土體顆粒之間的緊密接觸、孔隙小，使得吸水過程較緩慢，從而導致膨脹過程緩慢。同時，干密度大的土體單位體積內親水礦物的含量也更多，在最終充分吸水后其膨脹率會更大。

圖1 無荷載膨脹試驗不同含水率時間-膨脹率關系曲線

圖2 無荷載膨脹試驗不同干密度時間-膨脹率關系曲線

圖3 歸一化膨脹率與時間關系

從圖1、圖2可以看出，盡管膨脹土的初始膨脹條件、考察參數變量不同，但膨脹過程大致可以分為3個階段：急速膨脹階段、膨脹放緩階段和收斂階段。因此，可以建立歸一化膨脹率時程曲線，如圖3所示。利用歸一化膨脹率和時間的關系，不僅可以更好地描述膨脹土的膨脹過程，而且也為膨脹過程模型函數的建立奠定基礎。歸一化膨脹率和時間的關系可利用特征時間點t1、t2進行分段函數描述。

圖4 收縮試驗含水率-線縮率關系曲線

圖5 含水率-線縮率擬合曲線

圖6 膨脹力試驗不同含水率時間-膨脹力關系曲線

圖7 膨脹力試驗不同干密度時間-膨脹力關系曲線

圖8 膨脹力試驗含水率-膨脹力擬合曲線

圖9 膨脹力試驗干密度-膨脹力擬合曲線

圖4為不同初始含水率條件下（ρd=1.6g/cm3）膨脹土的收縮試驗成果。從圖中可以看出，隨著含水率的增加，最終收斂的線縮率明顯增加，經數據擬合處理，兩者曲線關系如圖5所示，關系式如式（1）所示：

2.2 荊門城南區域膨脹土膨脹力特征分析

圖6、圖7分別為不同含水率條件下（ρd=1.6g/cm3）膨脹力隨時間的變化曲線關系，不同干密度條件下（ω=20%）膨脹力隨時間的變化曲線關系。從圖中可以看出，膨脹力與時間的變化關系與膨脹率與時間的變化關系一致，也經歷了急速膨脹階段、膨脹放緩階段和收斂階段3個階段，表明膨脹土膨脹時，膨脹力和膨脹率是相輔相成的，可以共同表征膨脹土的膨脹潛勢。

圖8、圖9分別為含水率（ρd=1.6g/cm3）與膨脹力的擬合關系，干密度（ω=20%）與膨脹力擬合關系。從圖中可以看出，膨脹力與含水率、干密度具有良好的回歸關系，隨著含水率的增加，膨脹率呈冪指數降低，而隨著干密度的增加則相反，呈冪指數增加?；貧w關系分別如式（2）、式（3）所示。

圖10 膨脹土直接剪切試驗

圖11 自由膨脹率-粘聚力關系曲線

圖12 自由膨脹率-內摩擦角關系曲線

2.3 荊門城南區域膨脹土抗剪強度指標分析

圖10為直接剪切試驗時，不同含水率條件下（ρd=1.6g/cm3）豎向壓力與剪切強度的關系曲線。在同一含水率時，隨著豎向壓力的增加，土體的剪切強度呈線性增加，表明膨脹土的本構關系滿足摩爾庫倫準則。同時，隨著含水率的增加，線性關系的斜率（代表土的摩擦角）和線性關系的截距（代表土體的粘聚力）不斷降低，表明膨脹土受到水的侵入后，土體膨脹軟化，其強度降受到折減。

為了更好地考察抗剪強度指標的變化規律，將圖10中的摩擦角和粘聚力分別與相對應的自由膨脹率進行統計分析，如圖11、圖12所示。從圖中可以看出，在含水率相同的條件下，膨脹土的內摩擦角與粘聚力指標與自由膨脹率存在正相關關系，即膨脹土的膨脹潛勢越大，含水率越低，土體的抗剪強度越大。因此，在實際工程中，特別是對于低含水率的膨脹土、強膨脹土，其吸水后強度下降將十分嚴重，應做好防排水和土體改良工作。

3.結論

針對荊門城南膨脹土的區域特征，本文以荊門城南中膨脹土為研究對象，采用無荷載膨脹試驗、收縮試驗以及直接剪切試驗，分析不同含水率和干密度變化時膨脹土膨脹率隨時間的變化關系，試圖建立歸一化膨脹過程時程曲線。此外，還對線縮率與含水率的變化關系，膨脹力與含水率、干密度的相互關系，抗剪強度與自由膨脹率之間的變化規律進行了研究，得出以下主要結論：

第一，膨脹速率和最終膨脹量與土體含水率和干密度呈現明顯相關性，隨著初始含水率的增加，膨脹率在線性階段的斜率不斷減小，同時收斂階段的最終膨脹率也不斷減小，而隨著干密度的增加，膨脹率在線性階段的斜率不斷減小，但收斂階段的最終膨脹率卻不斷增加。土體膨脹過程大致可以分為急速膨脹階段、膨脹放緩階段與收斂階段三個階段。

第二，膨脹土的線縮率與含水率呈明顯的對數關系。

第三，膨脹力與土體的含水率呈指數降低，而隨著干密度的增加則相反，呈冪指數增加。

第四，含水率對土體的抗剪強度具有明顯的降低效應，在含水率相同的條件下，膨脹土的內摩擦角與粘聚力指標和自由膨脹率存在良好的正相關關系。