□李曉紅□李紅曉□張 華（河南省水利科學(xué)研究院；河南省水利第一工程局；河南省河口村水庫管理局)

初始狀態(tài)對(duì)膨脹土膨脹特性影響的試驗(yàn)研究

□李曉紅1□李紅曉2□張 華3
（1河南省水利科學(xué)研究院；2河南省水利第一工程局；3河南省河口村水庫管理局)

含水量、干密度是影響膨脹土脹縮特性非常重要的指標(biāo)。在南水北調(diào)中線總干渠的南陽段普遍遇到了膨脹土深挖路塹、渠道邊坡穩(wěn)定、地基處理等問題。為了解決該問題，給現(xiàn)場(chǎng)施工提供一定的理論依據(jù)與技術(shù)支持，文章通過控制膨脹土的含水量和干密度，進(jìn)行了膨脹力、膨脹率等膨脹特性試驗(yàn)研究，分析了含水率和干密度對(duì)膨脹土膨脹特性的影響,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較與分析，得出了含水量和干密度對(duì)膨脹土的影響關(guān)系。

膨脹土；含水率；干密度；膨脹力；膨脹率

1 引言

膨脹土是一種吸水膨脹軟化、失水收縮干裂的特種粘性土，其主要工程性質(zhì)表現(xiàn)為多裂隙性、超固結(jié)性、強(qiáng)親水性和反復(fù)脹縮性。眾所周知，膨脹土地區(qū)的水利工程建設(shè)往往會(huì)發(fā)生一系列問題，如地基隆起、路基開裂、邊坡失穩(wěn)等，這些工程問題的解決依賴人們對(duì)非飽和膨脹土變形和抗剪強(qiáng)度特性的認(rèn)識(shí)。雖然已經(jīng)有了大量的理論研究與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，但是，不同地區(qū)的膨脹土有著不同的物理力學(xué)特性，對(duì)各個(gè)區(qū)域膨脹土的研究是必不可少的。在南水北調(diào)中線引漢總干渠的南陽段普遍遇到了膨脹土深挖路塹、渠道邊坡穩(wěn)定、地基處理等問題。因此，對(duì)該地區(qū)膨脹土的一系列試驗(yàn)研究，得出該地區(qū)膨脹土的基本特性是工程得以順利施工的必要前提。

含水量、干密度是影響膨脹土脹縮特性非常重要的指標(biāo)，文章通過控制膨脹土的含水量和干密度，進(jìn)行了一系列膨脹特性試驗(yàn)研究，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較與分析。

2 試驗(yàn)材料

膨脹土在我國大部分地區(qū)均有分布。膨脹土的脹縮性直接影響到建筑物的安全性，它不僅造成房屋成群開裂，公路、鐵路塌方，而且可導(dǎo)致膨脹土邊坡產(chǎn)生淺層滑坡現(xiàn)象，造成農(nóng)田水利設(shè)施的破壞，影響人們的正常生活。膨脹土的主要特性是膨脹和收縮。膨脹和收縮是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，不僅僅是遇水膨脹和失水收縮。要鑒別某種土是否屬于膨脹土，應(yīng)根據(jù)本身的固有屬性進(jìn)行區(qū)分，只有內(nèi)在的主要固有屬性才是控制膨脹土工程特性的主要決定性因素。至于在膨脹土地區(qū)各種建筑物的穩(wěn)定程度，只能作為輔助的判別。

對(duì)膨脹土的判別分類原則，首先應(yīng)從工程地質(zhì)觀點(diǎn)出發(fā)，分析土體的裂隙特征，概括出能反映膨脹土工程性質(zhì)的實(shí)際情況，能代表膨脹土規(guī)律的主要指標(biāo)。自由膨脹率的分類標(biāo)準(zhǔn)是，40≤Fs＜60為弱膨脹土，60≤Fs＜90為中膨脹土，F(xiàn)s≥90為強(qiáng)膨脹土。塑性指數(shù)的分類標(biāo)準(zhǔn)是，15≤Ip＜28為弱膨脹土，28≤Ip＜40為中膨脹土，Ip≥40為強(qiáng)膨脹土。

膨脹土的漲縮特性主要受其礦物成分的影響，通常膨脹土由蒙脫石和伊利石等膨脹礦物組成，吸水后體積膨脹，失水干縮。這與土體的水分遷移密切相關(guān)，土體的存在狀態(tài)，對(duì)于土體的水分遷移有重要影響。

膨脹土的漲縮特性除了受土體自身礦物成分及含量控制外，土體的存在狀態(tài)（含水率、干密度）的變化也是重要因素。本試驗(yàn)所用土料選自南陽膨脹土區(qū)，自由膨脹率為49%。根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范GBJ112-87》中依據(jù)自由膨脹率進(jìn)行的膨脹土漲縮潛勢(shì)分類方法，試驗(yàn)所用土樣為弱膨脹土。其基本物理力學(xué)指標(biāo)。天然含水率4.6%。采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)得出得出最大干密度1.58g/cm3，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率為23.70%。液限52.60%，塑限25.60%，塑性指數(shù)27，塑性指數(shù)＞17，為粘土。顆粒分析采用比重計(jì)法，試驗(yàn)結(jié)果顯示土壤粘粒含量31.60%,可以評(píng)判為弱膨脹土。

3 試驗(yàn)方案

為了研究膨脹土的初始狀態(tài)與漲縮特性的關(guān)系，文章從初始含水率、初始干密度等方面展開試驗(yàn)。初始含水率的控制通過制樣時(shí)的反復(fù)測(cè)量，由于烘干法測(cè)試時(shí)間周期長，文章采用的是酒精燃燒法。通過反復(fù)調(diào)整，最終的含水率控制在19.60，21.60，24.60%，允許誤差為0.20%。文章再用靜壓法制成干密度為1.59，1.66，體積60 cm3的試樣，干密度允許誤差為0.01 g/cm3。

試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括兩組試驗(yàn)：第一組為不同初始含水率下，不同干密度的膨脹力試驗(yàn)；第二組為豎向壓力分別為0 kPa、25 kPa，不同初始含水率下，不同干密度的膨脹率試驗(yàn)。通過試驗(yàn)，可以得出膨脹力與含水率、干密度的關(guān)系，以及膨脹率與含水率、干密度和豎向壓力的關(guān)系。對(duì)于工程建設(shè)中，控制壓實(shí)干密度和含水率至關(guān)重要。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 膨脹力與含水率、干密度的關(guān)系

膨脹力是指土體吸水膨脹時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，文章所指的膨脹力是指試樣保持體積不變時(shí)，吸水膨脹而產(chǎn)生的最大內(nèi)應(yīng)力。膨脹力的試驗(yàn)方法有三種，膨脹反壓法、加壓膨脹法和平衡加壓法，文章采用加壓平衡法。對(duì)于膨脹土的許多研究表明，膨脹力會(huì)隨初始含水率的增加而減小，隨初始干密度的增大而增大。膨脹力的試驗(yàn)在杠桿式固結(jié)儀上進(jìn)行，膨脹力按照×10的公式來計(jì)算。其中，pe為膨脹力，單位kPa。W為總平衡荷載，單位N。A為試樣面積，單位cm2。K為固結(jié)儀杠桿比，10為單位換算系數(shù)。

膨脹力試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示：從圖中可以看出，在同一含水率下，膨脹力隨著干密度的增大而增大，而且其增長趨勢(shì)隨著含水率的增大而減緩。對(duì)于同一干密度而言，初始含水率越大則膨脹力越小。隨著初始含水率的減小，膨脹力與干密度增大關(guān)系的斜率逐漸增大。

圖1 膨脹力、干密度與含水率關(guān)系曲線圖

4.2 膨脹率與含水率、干密度的關(guān)系

膨脹率是指在有側(cè)限條件下膨脹的增量與初始高度之比值。通常我們所說的膨脹率是指最大膨脹率，即土樣吸水飽和后達(dá)到的最大膨脹率。根據(jù)加載條件，膨脹率試驗(yàn)可以分為無荷膨脹率和有荷膨脹率。膨脹率的計(jì)算按照公式進(jìn)行，其中δe為膨脹率，單位%，V為膨脹穩(wěn)定后試樣的體積，單位cm3，V0為試樣初始體積，單位cm3。

膨脹率試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示：從圖中可以看出，在同一含水率下，膨脹率隨著干密度的增大而增大，而且其增長趨勢(shì)隨著含水率和豎向壓力的增大而減緩。對(duì)于同一干密度而言，膨脹力隨著含水率的增大而減小。而對(duì)于同一干密度和含水率而言，膨脹率隨著豎向壓力的增大而減小。

圖2 0K pa下膨脹率、干密度和含水率關(guān)系曲線圖

圖3 25K pa下膨脹率、干密度和含水率關(guān)系曲線圖

5 結(jié)論

對(duì)于膨脹土來說，最大的問題就是如何保證工程的安全與穩(wěn)定。比如南水北調(diào)工程中膨脹土渠坡的穩(wěn)定問題，實(shí)際上就是膨脹土的漲縮與強(qiáng)度問題。文章通過試驗(yàn)，研究了膨脹土的初始狀態(tài)與漲縮特性的關(guān)系，得到以下結(jié)論：一是，該地區(qū)膨脹土的膨脹力隨著干密度的增大而增大，隨著初始含水率的增大而減小。而且其增長趨勢(shì)隨著含水率的增大而減緩。二是，膨脹率隨著干密度的增大而增大，隨著初始含水率的增大而減小，隨著豎向壓力的增大而減小，而且其增長趨勢(shì)隨著含水率和豎向壓力的增大而減緩。

（責(zé)任編輯：李樂樂）

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