膨脹土泥漿樣K0固結壓縮變形特性研究

趙立平，張德恒

（1江蘇省有色金屬華東地質勘查局，江蘇 南京 211100；2南京工程學院建筑學院，江蘇 南京 211167）

1 引言

膨脹土多形成于新生代第三紀至第四紀的晚更新世時期，在世界范圍內的分布極廣，遍及全球六大洲四十幾個國家[1-2]。膨脹土具有多裂隙性、高壓縮性、高塑性、吸水膨脹、失水干縮及水穩定性差等特性。因為膨脹土的工程特性每年造成的損失超過50億美元[4]。

目前，高速公路建設中常見的膨脹土問題有沉陷、翻漿、塌陷及開裂等[5]。楊果林[6]通過室內模型試驗發現膨脹土路基的側向變形大于豎向變形，不同天氣條件下膨脹土路基的變形規律不同。鄭建龍等[7]根據一維有荷膨脹率的試驗結果和膨脹土路基濕度平衡規律。龔文惠[8-9]結合一維固結試驗及膨脹土路基沉降的特點，建立了膨脹土路基沉降模糊可靠度的數學分析模型。在膨脹土的微觀結構分析上，國內外眾多學者對膨脹土進行了壓汞試驗[10-13]，證明膨脹土的孔隙孔徑和分布具有雙峰性特征。徐永福等（1999）[14]對南京地區膨脹土進行壓汞試驗所得的膨脹土的孔隙分布特征，膨脹土的孔隙由集聚體之間的較大孔隙和集聚體內部的較小孔隙組成。由上述研究可以看出，目前膨脹土路基變形的研究成果主要建立在一維固結試驗的基礎上，但是這些方法的推廣應用還需經過更廣泛的工程檢驗。

為了探究膨脹土的孔隙分布特征對壓縮變形特性的影響，對于飽和土采用泥漿樣來模擬試樣孔隙結構的變化。對于非飽和土，同一含水率條件下采用不同擊實功來控制土體試樣的孔隙率，模擬土體試樣的孔隙分布特征。

2 膨脹土泥漿樣的制備及試驗過程

結合前人對膨脹土的研究成果，膨脹土由于礦物組成不同，其飽和含水量差異較大，因而針對本次試驗所用膨脹土在泥漿樣的制備過程中我們制備三組平行試樣。膨脹土泥漿樣的制備過程：①取足量膨脹土試樣烘干、碾碎后過2mm篩，為避免試驗用水與土體試樣產生離子交換作用而影響土體的水力-力學特性，試驗用水選取去離子水；②根據膨脹土質量計算膨脹土增濕至目標含水量所需的去離子水量，采用噴壺給膨脹土粉末加去離子水至目標含水量，用調土刀將試樣充分拌和均勻成為泥漿樣；③將調制成的泥漿樣分層裝入環刀，置于振動臺上振動抹平后制備成高度為2cm，截面積為30cm2的飽和圓柱體試樣，待測。

試驗采用靜止側壓力系數固結儀（見圖1）進行測定，豎向位移的變化通過頂部的位移計進行測量，側向壓力的測定采用和固結儀相連的數據采集器進行量測，具體的試驗過程如下：①將濾紙進行飽和后放置于上述制備好的膨脹土飽和泥漿樣上下兩面，然后將試樣小心地壓入固結儀，固結儀兩端的透水石也要預先飽和；②將固結儀的側向水壓力大小調到和外部大氣壓值相等，將數據采集儀上側向壓力的數值置0；③施加豎向荷載至穩定狀態，記錄試樣壓縮變形穩定后產生的側向應力數值和豎向位移；④上一級荷載作用下試樣壓縮穩定后，施加下一級荷載，直至試驗結束，加載過程見表1。

圖1 靜止側壓力系數固結儀

膨脹土泥漿樣壓縮試驗前物理性質指標及加載路徑 表1

由于土樣為泥漿樣，屬于完全未固結試樣，模擬的是土體在沉積過程中未經歷任何歷史應力的極端情況，組成土體的礦物多呈片狀平行排列，顆粒疏松，其孔隙結構均勻，孔隙比大。在很小的初始荷載作用下試樣開始產生壓縮變形，試樣壓縮后硬度增大，下一級荷載值也逐漸增大。試樣上下兩端均放置透水石，固結儀中充滿脫氣水，故而認定試樣始終處于飽和狀態。

3 試驗結果分析

3.1 膨脹土泥漿樣的試驗結果分析

試驗選取了3組膨脹土泥漿樣進行壓縮試驗，試樣編號記為 No.1、No.2、No.3，三組試樣均進行了加載試驗，No.2、No.3試樣分別在不同荷載條件下進行卸載-再加載試驗。三組泥漿樣壓縮試驗前的物理性質指標和加載路徑見表1，三組試樣對應的加載壓縮曲線見圖2。No.2、No.3試樣的回彈-再壓縮部分曲線見圖3。

圖2 膨脹土泥漿樣的加載壓縮曲線

圖3 No.2、No.3試樣的回彈-再壓縮部分曲線

從圖2可以看出，三組膨脹土泥漿樣的壓縮曲線在壓縮早期差距較大，隨著豎向應力荷載的增大，當豎向壓力大于100kPa時，三組試樣的壓縮曲線趨于一致。從圖中還可以看出，當豎向應力增大至500kPa左右時，其壓縮曲線的斜率變小，壓縮曲線偏離原來的直線。在壓縮前期，豎向應力小于500kPa時，膨脹土試樣隨著豎向荷載的增大，集聚體產生移動，集聚體之間的孔隙快速減少，土顆粒排列趨于致密，土體體積減小。隨著豎向應力的進一步增大，當豎向壓力大于500kPa時，集聚體間孔隙幾乎消失，主要是集聚體內孔隙被壓縮，這一階段需要克服土顆粒之間的斥力，試樣孔隙比減小變緩，土體壓縮曲線變緩。

從圖2還可以看出，三組膨脹土泥漿樣的壓縮曲線并沒有出現明顯的拐點，其屈服應力不明顯，三組試樣在施加較小豎向應力時，其試樣孔隙比就出現了明顯的減小，且試樣初始含水率越高、初始孔隙比越大，孔隙比減小得越明顯。這是由于泥漿樣模擬的是土體在沉積過程中未經歷任何歷史壓力的極端情況，其內部土顆粒多呈片狀排列，土體結構松散，孔隙比大，壓縮指數大，因此較小的豎向應力就會因此土體產生較大的變形。經計算，當豎向壓力小于500kPa時，三組試樣壓縮指數分別為2.17、1.94和1.48，豎向壓力大于500kPa時，三組試樣的壓縮指數約為0.84，其變化趨勢和Marcial得到的KunigelV1鈉基膨潤土泥漿樣的壓縮曲線變化趨勢一致。

從圖3可知，NO.2和NO.3試樣分別在300kPa和500kPa時卸載，其卸荷回彈和再壓縮部分形成明顯的回滯環，卸荷回彈指數分別為1.36和1.12，均小于土體試樣的壓縮指數。這是由于土體在卸荷回彈的過程中，土顆粒上覆荷載減小，土體顆粒吸水膨脹，土體在顆粒斥力和膨脹力的作用下產生豎向變形，土體體積增大，但是前期的荷載改變了土體的結構和土顆粒的空間排列特征，一部分集聚體之間的孔隙不可恢復，因此土體產生塑性應變，土體的回彈指數和再壓縮指數均小于初始的壓縮指數。從圖3中可以看出，NO.3的回彈指數小于NO.2試樣的回彈指數，一方面是由于NO.2試樣豎向荷載卸荷至12.5kPa，此時土體的豎向荷載和試驗用土的膨脹力相比很小，此時土體的膨脹性可以充分發揮，土體變形量大，而NO.3試樣，卸荷的最小荷載為50kPa，對土體的膨脹變形具有限制作用。另一方面是由于NO.3試樣卸荷時的豎向荷載較大，土體結構變化大，產生的塑性變形量大，其可恢復應變量相對比例較小。

在壓縮過程中，我們通過和固結儀相連的數據采集器可以測得膨脹土泥漿樣在每級豎向荷載下的側向應力，通過數據分析可以得到土樣靜止側壓力和豎向應力的對應關系，見圖4。

圖4 膨脹土泥漿樣側向應力和豎向應力關系

由圖4可知，本次試樣所用膨脹土其泥漿樣的靜止側壓力和豎向應力呈良好的線性關系，且斜率和試樣的初始狀態無關。對三組泥漿樣的靜止側壓力和豎向應力的關系進行線性擬合，可得到三組試樣的斜率在 0.63～0.68 之間，斜率即為NO.1～NO.3這三組試樣的靜止側壓力系數。通常我們假定黏土的靜止側壓力系數為0.5，可見膨脹土的靜止側壓力系數比普通黏土的大。為了對比不同種類的土在相同條件下壓縮的靜止側壓力系數差異，將周科等[15]測得的上海重塑黏土和孫文靜[16]測得的KunigelV1鈉基膨潤土的靜止側壓力和豎向應力的關系畫到一張圖上，見圖5。

圖5 膨脹土和上海黏土、鈉基膨潤土靜止側壓力系數比較

從圖5可以看出，此次試驗所用膨脹土的靜止側壓力系數介于一般黏土和鈉基膨潤土之間。周科[15]所測上海重塑黏土的靜止側壓力系數約為0.52，孫文靜[16]所測鈉基膨潤土的靜止側壓力系數約為0.86，此次試驗三組膨脹土泥漿樣的靜止側壓力系數平均值為0.65。這是由于在外界試驗條件相近的情況下，純鈉基膨潤土的壓指數大于膨脹土的壓縮指數，膨脹土的壓縮指數大于一般普通黏土的壓縮指數，而保水持水性方面，純鈉基膨潤土的保水性最好，其次為膨脹土，一般黏土相對最差。在相同的豎向應力條件下，膨潤土較易產生壓縮變形，而土體中的水不易排出，因而其側向應力較大，施加豎向荷載后變形穩定所需要的時間比普通黏土長得多。

4 結論

試驗證明膨脹土泥漿樣的靜止側壓力和豎向應力呈良好的線性關系，且斜率和試樣的初始狀態無關，試樣的靜止側壓力系數在0.63～0.68；膨脹土的靜止側壓力系數比普通黏土的大；膨脹土的壓縮指數大于一般普通黏土的壓縮指數;在相同的豎向應力條件下，膨脹土較易產生壓縮變形，而土體中的水不易排出，因而其側向應力較大，施加豎向荷載后變形穩定所需要的時間比普通黏土長得多。