基于荷載作用的膨脹土工程特性試驗研究

廖嵩隆

（馬鞍山市水利工程建設管理中心，安徽 馬鞍山 243000）

0 引言

膨脹土是一種具有明顯脹縮性，且裂隙較多的特殊土質。隨著季節的變化，膨脹土會反復出現膨脹、收縮、再膨脹的現象，使得建在膨脹土地基上的建筑物發生不均勻沉降，從而對建筑物產生不利影響［1］。 膨脹土的存在還會導致較嚴重的地質災害， 如山體滑坡、地面塌陷等，對周圍環境和人類生命財產安全造成危害［2-3］。 因此對膨脹土的研究具有重要意義。

目前， 針對膨脹土的研究已經有了一定的進展，包括對膨脹土力學特性、水文特性、改良方法等，均有一定的研究成果。徐鳳琳等研究了膨脹土脹縮性的成因，包括土壤顆粒的類型、結構特征、礦物成分、吸附性能等，有助于人們深入理解膨脹土的特性和行為規律［4-5］。 陳永等針對膨脹土的脹縮性，通過添加石灰或水泥改良劑、排水處理等手段，減小了土壤的體積變化，提高了土壤的工程適用性［6-7］。 郭江峰等研究了膨脹土對地質環境和人類社會的危害［8］。 聶去塵等基于計算機模擬和試驗研究，對膨脹土的行為機理和參數特性進行了分析［9-10］。然而，對膨脹土的研究仍然存在一些不足之處，主要表現在對膨脹土的多尺度、地下水作用機理、實際工程應用等幾個方面，尤其是地下水對膨脹土的特性影響及其在水利工程中的應用研究仍不夠深入［11-12］。 筆者通過試驗，研究了在有水環境下，外部荷載對膨脹土脹縮性的影響，以期為水利工程建設提供參考。

1 膨脹土的定義和工程特性

1.1 膨脹土的定義

膨脹土是一種在受水或受壓力作用下會發生體積膨脹或收縮變形的土壤。 膨脹土的特性受到多種因素的影響，包括土壤類型、含水率、壓實度、礦物成分等。膨脹土通常在吸水后會發生顯著的體積膨脹。這是因為水分的滲入使土壤粒子間的間隙增大，同時水分子與土壤顆粒表面的吸附作用也會導致土壤體積的擴大。當膨脹土中含水率降低時，通常會發生干縮現象。 這是因為土壤顆粒間的吸附水分逐漸減少，致使土壤顆粒之間的間隙減小，從而引起土壤體積的收縮。

1.2 膨脹土的工程特性

膨脹土在水利工程中具有一些特殊的工程特性，在工程設計和施工階段，充分考慮這些特性，是確保水利工程結構安全和可靠的關鍵。 膨脹土在水利工程中的工程特性主要包括膨脹性、 收縮性和抗滲性。 （1）膨脹性。 膨脹土在吸水后會發生明顯的體積膨脹，這對水利工程可能產生多方面的影響。膨脹性可能導致水壩、 堤壩和水渠等工程結構的變形和損壞。 因此，在設計這類工程時，需要進行膨脹土特性的評估及處理，以確保結構的安全穩定。 （2）收縮性。 膨脹土的收縮性同樣會對水利工程帶來一系列影響，需要在工程設計和施工中引起足夠的重視，尤其是在需要控制水位變化的工程中。如，膨脹土的收縮性可能導致渠道、水壩和堤壩的表面開裂，降低工程的美觀性，或影響工程的正常運行。 因此，在水利工程設計和施工中， 需要采取適當的土體水分控制或改良等措施，以減小膨脹土的收縮性。（3）抗滲性。膨脹土通常具有較好的抗滲性， 這在水利工程中可能是一個優點。然而，由于土壤膨脹后的孔隙結構可能變得較為疏松，進而對滲透性產生影響。 因此，在水利工程設計中，設計合理的排水系統，可以有效減小膨脹土的含水率變化，降低其對工程的不良影響。

2 試驗設計

荷載作用下的膨脹土特性試驗包括膨脹試驗和收縮試驗，膨脹試驗是通過注水改變土樣的水土比，并施加豎向荷載，分析相關膨脹指標的變化規律；收縮試驗是通過控制土樣溫度（30 ℃）并施加豎向荷載，進行體積及相關收縮指標變化的研究［13］。

2.1 制備原狀土樣

用標準環刀（內徑61.8 mm，環高20 mm）和鋼絲鋸從大塊土樣中取一小塊土樣， 再用環刀在小塊土樣上套取原狀試驗土樣。在取樣過程中，先記錄環刀的自重，再對準土樣較均勻位置垂直且勻速下壓。下壓的同時，用切刀輔助整理環刀周邊土體，以減輕環刀下壓時受到的側身摩阻力。最后，將土樣上下橫斷面修整與環刀齊平后， 記錄原狀試驗土樣的總重數據。

2.2 膨脹試驗

原狀樣切好后，應盡快進行膨脹試驗。 試驗前，將透水板的含水率調整到與原狀土樣一致， 以減少試驗器材對土樣含水率的損耗。試驗時，將土樣固定在透水板上后，加設一塊傳力板和一個壓力測桿，再搭配百分表。然后，采用溫控氣壓固結儀向原狀樣施加氣壓荷載， 所施加豎向荷載分為4 級， 第一級為20 kPa，此后每級均在前一級基礎上增加20 kPa。 每0.5 h 讀取1 次土樣變形情況，當土樣連續2 次記錄壓縮變化量小于0.005 mm 時，可對土樣從上到下進行注水操作。此時，讀取土樣變形的頻率可改為1 h。同樣， 當土樣連續2 次記錄膨脹變化量小于0.005 mm 時，停止注水，取下土樣稱重并作記錄。 同一荷載試驗條件下，重復10 次試驗。最后，根據試驗結果繪制相關分析曲線。

2.3 收縮試驗

原狀樣切好后，應盡快進行收縮試驗。 收縮試驗同樣采用溫控氣壓固結儀向原狀土樣施加氣壓荷載，施加荷載的方案、土樣固定裝置、百分表安裝位置均與膨脹試驗相同。 記錄儀器的相關初始數據后，開始逐級施加壓力荷載， 并每0.5 h 讀取1 次土樣變形情況。 當土樣連續2 次記錄壓縮變化量小于0.005 mm時，打開溫度測控儀，開始記錄土樣重量，并測算相應含水率。 此時，讀取土樣變形的頻率也可減緩為1 h。當土樣測算至飽和含水率后，停止溫控，取下土樣，測定體積并作記錄。同一荷載試驗條件下，重復10 次試驗。 最后，根據試驗結果繪制相關分析曲線。

3 試驗結果分析

3.1 無荷作用下土體膨脹率變化規律

研究土樣未施加荷載時的膨脹性， 繪制相應膨脹率與試驗時間的關系曲線，如圖1 所示。由圖1 可知，在無壓狀態下，土樣的膨脹率隨時間逐漸增大，且基本在1 d 后可處于膨脹穩定狀態。 統計分析土樣膨脹過程發現，在最初約6 h 內，其膨脹量約占總膨脹量的60%，為快速膨脹階段。 之后，進入勻速膨脹階段，通過約3 倍快速膨脹時間完成了約40%的膨脹量。最后發展到穩定階段，此時的膨脹增長量幾乎為零，可忽略不計。

3.2 有荷作用下土體膨脹率變化規律

研究土樣被施加不同豎向荷載時的膨脹性，繪制相應膨脹率與豎向荷載的關系曲線，如圖2 所示。由圖2 可知， 土樣的膨脹率與外部施加的豎向荷載呈反比變化，且在豎向荷載增加至20 kPa 時，土樣膨脹率就已降低了約90%。在施加40 kPa 豎向荷載時，土樣膨脹率已成為負值。通過曲線可找到膨脹率為0 時所對應的豎向荷載量， 該豎向荷載量即為土樣的膨脹力（35 kPa）。

圖2 膨脹率與豎向荷載的關系曲線Fig.2 Relation curve of expansion rate and vertical load

3.3 試驗過程中物理指標變化規律

研究土樣被施加不同豎向荷載時的物理指標變化情況，繪制土樣膨脹穩定階段的干密度、孔隙比與不同荷載的關系曲線，如圖3 和圖4 所示。

圖3 土樣膨脹穩定后的干密度與豎向荷載的關系曲線Fig.3 Relation curve of dry density and vertical load of stable soil sample expansion

圖4 土樣膨脹穩定后的孔隙比與荷載的關系曲線Fig.4 Relation curve of void ratio and load of stable soil sample expansion

由圖3 和圖4 可知，在不超過土樣膨脹力的荷載范圍內，施加的豎向荷載與土樣的干密度近似呈線性正比關系，與孔隙比近似呈線性反比關系，且關系曲線均在35 kPa 膨脹力處存在一個較明顯的拐點，該點對應指標為土樣的初始干密度和初始孔隙比。

統計分析不同豎向荷載作用下土樣膨脹穩定后的含水率和吸水率，結果如表1 所示。

表1 不同豎向荷載作用下土樣膨脹穩定后的含水率和吸水率Tab.1 Mositure content and water absorption of soil samples after expansion and stabilization under differentvertical loads

由表1 可知， 施加的荷載與土樣的含水率和吸水率均為反比關系， 變化的速率除了與施加荷載的大小有關之外，還與土樣本身礦物成分含量有關。

4 荷載作用下的收縮試驗結果分析

4.1 荷載作用下土體收縮率變化規律

研究土樣被施加不同豎荷載時的收縮性。 試驗結束后，間接測算土樣的線收縮率、收縮系數和體收縮率，計算公式如式（1）～式（3）所示。

式中：δsi為某一時刻下土樣的線收縮率，%；z0為百分表的初始讀數，mm；zi為某一時刻下百分表的讀數，mm；h0為土樣的初始高度， 即為環刀的高度，20 mm。

式中：λs為土樣的豎向收縮系數；Δω 為收縮曲線上兩點的含水率之差，%；Δδsi為與Δω 相對應的兩點線收縮率之差，%。

式中：δV為土樣的體收縮率，%；V0為土樣的初始體積，cm3；Vd為收縮穩定后測定的土樣體積，cm3。

根據計算結果，繪制相應的線收縮率與含水率的關系曲線（如圖5 所示），并統計分析不同豎向荷載作用下土樣的收縮系數與體收縮率，結果如表2 所示。由圖5 和表2 可知， 施加的豎向荷載與土樣的線收縮率、收縮系數和體收縮率均為正比關系。

圖5 不同豎向荷載作用下土樣的線收縮率與含水率的關系曲線Fig.5 Relation curve of linear shrinkage and moisture content of soil samples under different vertical loads

4.2 荷載作用下土體脹縮變形規律

綜合分析荷載作用下膨脹土的脹縮變形規律，結果如圖6 所示。由圖6 可知，設計允許膨脹變形量［δe］對應的荷載p1與設計允許收縮變形量［δs］對應的荷載p2可將膨脹土破壞狀態劃分為3 段：當膨脹土上覆壓重小于p1時，為膨脹破壞；在大于p2時，為收縮破壞；大于等于p1小于等于p2時，為工程設計安全范圍。對于不同的膨脹土，均能通過試驗繪制出相關脹縮變形關系曲線， 這可為膨脹土工程處理方案提供設計依據。

圖6 脹縮變形率與荷載的關系響應曲線Fig.6 Response curve of expansion and shrinkage deformation rate and load

5 結語

綜上所述， 通過不同豎向荷載作用下的脹縮變形試驗，可得到如下結論：膨脹率與豎向荷載成反比變化，土樣的干密度與豎向荷載成正比變化。膨脹穩定后， 孔隙比和含水率與豎向荷載成反比變化。 因此，通過土樣線收縮率與施加荷載關系曲線，可以根據實際工程設計的膨脹與收縮變形量， 反推出膨脹土層保持穩定所需上覆荷載的最小值， 為膨脹土換填或壓重處理提供設計依據。