不同荷載等級下膨脹土的固結及壓縮特性研究

謝 瀟 舒曉曉

(1.陜西地建土地工程技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710075；

2.陜西省土地工程建設集團自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075；3.陜西省土地工程建設集團陜西省土地整治工程技術研究中心，陜西 西安 710075；4.陜西省土地工程建設集團自然資源部土地工程技術創新中心，陜西 西安 710075)

膨脹土具有高分散性、高塑性，其粘粒成分主要由強親水性礦物質組成，對水分變化極為敏感，顯示出顯著的脹縮性。膨脹土具有吸水膨脹、失水皺縮的特性，對水分和氣候的變化敏感，常給人類工程活動帶來巨大的危害。其特殊性質導致其極容易引起路堤、路塹、渠道邊坡等的破壞，給工程建設帶來極大的危害。其干濕效應十分明顯，在吸水與失水時會有明顯的工程性質的變化，而反復的脹縮導致土體中產生大量不規則裂隙。裂隙的存在不僅降低的抗剪強度指標，而且更方便雨水的侵入，也為其風化提供了一定條件。這種風化層的最大深度大致在氣候的影響深度范圍內，一般在1.5-2.0m，最大深度可達4.0m。膨脹土的特殊性質使其成為一種災害性土，人們常形象地描述其為“黃膠泥”“蒜瓣土”及“晴天一把刀，雨天一團糟”等。

膨脹土的應力歷史和廣義應力歷史決定了膨脹土具有超固結性，沉積的膨脹土在歷史上往往經受過上部土層侵蝕的作用形成超固結土。膨脹土由于卸荷作用也能引起土體裂隙的發展，邊坡的開挖，對土體產生了卸荷作用，這種卸荷對土中存在隱蔽微裂隙的膨脹土來說，必然會促進裂隙的張開和擴展，尤其是在邊坡底部的剪應力集中區域裂隙面的擴展更為嚴重，這些區域往往是滑動開始發生的部位。膨脹土遍布我國二十多個省、市、自治區，分布面積近60萬平方公里。迄今為止，關于膨脹土地區的房屋、橋梁、道路等基礎設施發生破壞和失效的報道非常多，由此造成的經濟損失巨大。在工程建設中，膨脹土作為建筑物的地基常會引起建筑物的開裂、傾斜而破壞；作為堤壩的建筑材料，可能在堤壩表面產生滑動；作為開挖介質時則可能在開挖體邊坡產生滑坡失穩現象。我國鐵路部門在總結膨脹土地區修建鐵路時，有“逢塹必滑，無堤不塌”的說法。據估算，在八十年代以前，全世界每年因膨脹土造成的損失至少在50億美元。

所以，準確掌握膨脹土的工程地質特性是研究膨脹土災害的發生機制以及采取相對應工程處理措施的關鍵。本文針對天然含水率狀態下的膨脹土開展了室內固結試驗，測定和分析了不同荷載作用下膨脹土的固結和壓縮特性。

1.實驗材料及方法

實驗土樣取自陜南某地，通過室內實驗測得其比重為2.76，天然含水率為18.28%，天然密度為2.03 g/cm3。將從野外取回來的土樣削成大環刀樣(高度20 mm，直徑79.8 mm)，在WG 型單杠桿固結儀上進行一維固結實驗，加荷等級分別設定為：25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa。實驗時為防止土樣的水分蒸發，在固結儀四周裹上濕紗布。實驗結束后根據式(1)、(2)分別計算固結系數及壓縮系數。

其中，Cv為固結系數，為最大排水距離，等于某一壓力下試樣初始與終了高度的平均值之半，t90為固結度達到90%所需時間。

式中，αv為壓縮系數，ei為某級壓力下的孔隙比，pi為壓力等級。

2.實驗結果分析

2.1 固結系數的變化規律

固結系數反映了土體的固結快慢程度，準確測定固結系數對于預測土層的排水固結速率和固結度有重要意義。根據實驗結果，采用時間平方根法(式(1))求得實驗土樣的固結系數變化見圖1，由圖1 可知，實驗土樣的固結系數變化范圍在9.1×10-4cm2/s-1～1.6×10-3cm2/s-1，隨應力水平的增加總體呈現逐漸降低的趨勢。由此可見，采用恒定的固結系數對場地變形以及固結度進行計算時，會產生較大的誤差。

2.2 壓縮系數的變化規律

實驗土樣的壓縮系數隨荷載變化的關系曲線見圖2。圖2種編號1-5分別代表荷載等級為0-25 kPa、25-50 kPa、50-100 kPa、100-200 kPa及200-400 kPa。由圖2可知，膨脹土的壓縮系數隨著荷載的增大而降低，壓縮性逐漸減弱，且在開始壓縮階段土樣的壓縮系數降低較快，后來逐漸趨于穩定。產生這種變化的原因的是在土樣最開始發生壓縮的階段，首先是土中不穩定的大孔開始發生壓縮，此時壓縮系數較大，此后隨著荷載的繼續增大，土樣中的大孔隙逐漸減少，土樣逐漸變得更加密實，抵抗壓縮變形的能力更強，因而壓縮系數逐漸降低。

2.3 回彈系數的變化規律

在一些挖方工程中，時常需要轉移大量的土體，從而使得土層的應力狀態發生變化，產生卸荷回彈。土體在卸載狀態下的應力狀況和加載過程中有很大區別。對土體進行卸荷回彈變形分析，對挖方過程中的工程穩定與安全保障具有重要的理論參考價值。實驗土樣回彈指數隨卸荷等級的變化曲線見圖3，圖中橫坐標1-4代表卸荷等級依次為400-200 kPa，200-100 kPa，100-50 kPa，50-25 kPa。由圖3可以看出隨著卸荷等級的變化土樣的回彈系數呈現先增大后減小的趨勢，其關系曲線為線性。

圖3 回彈系數隨卸荷等級的變化曲線

3.結論

本文結合陜南某地區膨脹土的室內固結實驗，分析了膨脹土的壓縮固結特性，得出了膨脹土在不同加卸載等級下固結系數、壓縮系數及回彈指數的變化規律，并對土樣固結及壓縮特性產生變化的原因進行了分析，研究結果可為膨脹土的變形計算及相關工程設計提供理論支撐。