趙昌昌

(新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，烏魯木齊 830000)

1 引言

膨脹土最主要的工程特性即為反復(fù)的脹縮特性：吸水時(shí)膨脹軟化、失水時(shí)收縮開(kāi)裂，尤其是在反復(fù)的干濕循環(huán)下，由于含水量的波動(dòng)，土體發(fā)生反復(fù)脹縮，對(duì)道路的安全具有極大危害；研究通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)， 對(duì)路基土所經(jīng)歷的反復(fù)干濕進(jìn)行模擬，繼而對(duì)不同干濕循環(huán)次數(shù)下的各項(xiàng)脹縮指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定， 探究脹縮指標(biāo)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律，為膨脹土的治理提供參考[1]。

在實(shí)際工程中， 膨脹土造成的破壞具有多發(fā)性、反復(fù)性和長(zhǎng)期性的特點(diǎn)[2-3]。 為弄清膨脹土的成災(zāi)機(jī)理，建立合理的理論模型，許多研究者進(jìn)行了原位觀測(cè)并取得了較好的成果：吳宏偉和包承綱等對(duì)膨脹土邊坡進(jìn)行了人工降雨試驗(yàn)和原位綜合監(jiān)測(cè)，分析了膨脹土邊坡在降雨入滲條件下的影響機(jī)理；劉特洪對(duì)南水北調(diào)工程中膨脹土渠坡進(jìn)行了長(zhǎng)期綜合觀測(cè)，為工程設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性預(yù)報(bào)方法提供重要的參考[4]；劉義虎等[5]通過(guò)8 組膨脹土路基模型試驗(yàn)研究了路基干濕循環(huán)后的破壞形式和機(jī)理，得出不同干濕循環(huán)的循環(huán)順序?qū)ε蛎浲谅坊钠茐淖饔貌煌?，他們的研究成果均合理地反映了膨脹土邊坡漸近式的破壞模式[6]。

2 試驗(yàn)方法

無(wú)荷膨脹率是指試樣在有側(cè)限、無(wú)豎向約束的條件下充分吸水膨脹后，試樣的垂直膨脹量與初始高度的百分比。 無(wú)荷膨脹率的大小可以直接反映出膨脹潛勢(shì)的強(qiáng)弱，因此，通過(guò)對(duì)干濕循環(huán)后試樣的無(wú)荷膨脹率進(jìn)行測(cè)定，可以充分掌握改良后試樣的膨脹潛勢(shì)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。

無(wú)荷膨脹率試樣采用千斤頂靜壓制備， 本研究中無(wú)荷膨脹率采用WZ-2 型膨脹儀進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)前將透水石烘干， 再埋置于試驗(yàn)土樣中1 h，以減小初始含水率對(duì)無(wú)荷膨脹率及膨脹時(shí)程的影響；為避免濾紙變形而影響試驗(yàn)結(jié)果，在試驗(yàn)過(guò)程中試樣的上下表面不放置濾紙。 參照規(guī)范要求，將試樣置于膨脹儀后，往膨脹儀中注入蒸餾水，按規(guī)定的時(shí)間間隔讀取試樣的膨脹量， 直至膨脹變形達(dá)到穩(wěn)定。

第i 次干濕循環(huán)后試樣的無(wú)荷膨脹率及相對(duì)膨脹率δe的定義如下：

式中：Hi為第i 次干濕循環(huán)后試樣的高度（mm）；Hi-1為第1-i 次干濕循環(huán)后試樣的高度（mm）；H0為試樣的初始高度（mm）。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 干濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)無(wú)荷膨脹率的影響

經(jīng)過(guò)一系列的室內(nèi)試驗(yàn)，不同干濕循環(huán)次數(shù)下試樣的無(wú)荷膨脹率如表1 所示。

表1 無(wú)荷膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1 所示的試驗(yàn)結(jié)果， 可以得到試樣的無(wú)荷膨脹率與干濕循環(huán)次數(shù)間的關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 無(wú)荷膨脹率與干濕次數(shù)間的關(guān)系曲線

由圖1 可以看出， 在反復(fù)的干濕交替之下，試樣的無(wú)荷膨脹率出現(xiàn)了大幅降低，但在第1 次干濕后，無(wú)荷膨脹率曲線變化較為平緩，降低并不明顯：未摻風(fēng)化砂時(shí)，無(wú)荷膨脹率降低了0.18%，而摻入10%～50%風(fēng)化砂的試樣，無(wú)荷膨脹率則分別降低了0.21%、0.29%、0.5%、0.71%和0.86%，與總降低量相比，降低幅度均在20%以內(nèi)。 在無(wú)荷膨脹率第1 次降低時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)膨脹率的降低幅度隨著風(fēng)化砂摻入比例的增加在逐漸增大， 在50%的風(fēng)化砂摻量下， 膨脹率的降低量達(dá)到了未摻風(fēng)化砂時(shí)的4.78倍。 這是因?yàn)閾饺腼L(fēng)化砂后，試樣的滲透系數(shù)增大，孔隙率增加，更加有利于外界水的進(jìn)出，在干濕過(guò)程中，膨脹性礦物流失量增大，因此造成了降低幅度的逐漸增大。 試樣的無(wú)荷膨脹率在干濕2～3 次的過(guò)程中降低得尤為明顯，0～50%的風(fēng)化砂摻量下，無(wú)荷膨脹率的降低幅度達(dá)到了70%以上，在試驗(yàn)過(guò)程中亦發(fā)現(xiàn)，試樣表面裂隙的發(fā)育程度也是在這一階段達(dá)到頂峰，此時(shí)膨脹性礦物大量流失，土體的結(jié)構(gòu)損傷加劇，大的土團(tuán)粒也出現(xiàn)分解，結(jié)合水膜變薄，膨脹潛勢(shì)變小。 通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)也可以發(fā)現(xiàn)，在此階段內(nèi)，不同的風(fēng)化砂摻量下的無(wú)荷膨脹率降低幅度沒(méi)有出現(xiàn)較大的差異，均在70%～80%間變動(dòng)，即此時(shí)無(wú)荷膨脹率的降低幅度與風(fēng)化砂摻入的多少?zèng)]有太大的關(guān)聯(lián)。在經(jīng)過(guò)4～5 次的干濕交替后，試樣的無(wú)荷膨脹率降低量較小，基本上都在0.6%以內(nèi)，因此可認(rèn)為已趨于穩(wěn)定。 此階段內(nèi)，風(fēng)化砂摻量越大，無(wú)荷膨脹率的變化越穩(wěn)定：未摻風(fēng)化砂時(shí)，無(wú)荷膨脹率降低了0.53%，而摻砂50%時(shí)，僅降低了0.03%。

從圖2 中可以發(fā)現(xiàn)， 在相同的干濕循環(huán)次數(shù)下，摻入風(fēng)化砂后，試樣的無(wú)荷膨脹率呈直線降低，摻入50%的風(fēng)化砂進(jìn)行改良后，相對(duì)于原裝膨脹土而言，無(wú)荷膨脹率的降低幅度均在25%以上。

圖2 無(wú)荷膨脹率與風(fēng)化砂摻量的關(guān)系曲線

3.2 干濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)終止吸水量的影響

在試樣經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)后，由于外界水反復(fù)的進(jìn)出，造成了裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)損壞和膨脹性礦物流失，因此當(dāng)達(dá)到膨脹變形穩(wěn)定時(shí)，試樣所吸收的水量必然要發(fā)生變化，然而由于膨脹土對(duì)含水量變化極為敏感，土體含水率極小的波動(dòng)就會(huì)引起強(qiáng)度、脹縮等一系列指標(biāo)發(fā)生變化。 據(jù)此對(duì)不同干濕循環(huán)次數(shù)下試樣在膨脹穩(wěn)定時(shí)的吸水量做出定量分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 終止吸水量的變化曲線

由圖3 可以發(fā)現(xiàn)，在干濕循環(huán)效應(yīng)下，試樣終止含水率的變化情況與無(wú)荷膨脹率的變化情況基本一致：在干濕1 次時(shí)，終止吸水量變化不大；干濕2～3 次時(shí)，終止吸水量發(fā)生了大幅度降低；干濕4～5次后，終止吸水量趨于穩(wěn)定，可見(jiàn)膨脹性礦物的含量與試樣的吸水能力有著很大的關(guān)系。

3.3 干濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)膨脹時(shí)程的影響

為分析試樣在經(jīng)過(guò)不同的干濕循環(huán)次數(shù)后膨脹變形的發(fā)展規(guī)律，在試驗(yàn)過(guò)程中記錄下試樣膨脹量的增長(zhǎng)情況， 如圖4～6 所示 （僅以摻風(fēng)化砂0、30%和50%的試樣為例）。

圖4 膨脹時(shí)程曲線（摻砂0%）

圖5 膨脹時(shí)程曲線（摻砂30%）

圖6 膨脹時(shí)程曲線（摻砂50%）

通過(guò)分析不同風(fēng)化砂摻量、不同干濕循環(huán)次數(shù)下的膨脹時(shí)程曲線可以發(fā)現(xiàn)， 在同一風(fēng)化砂摻量下，干濕循環(huán)次數(shù)越大，試樣膨脹變形達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間越短，以摻砂30%時(shí)為例，干濕0 次時(shí)，需要80 h 試樣的膨脹變形才穩(wěn)定，但干濕5 次后，只需30 h，試樣的膨脹變形即達(dá)到穩(wěn)定。

試樣的膨脹時(shí)程曲線可分為3 個(gè)不同的階段：一是快速增長(zhǎng)階段。 此階段發(fā)生在試樣開(kāi)始浸水后的數(shù)小時(shí)內(nèi)， 此時(shí)試樣的膨脹變形增長(zhǎng)得十分迅速，對(duì)比不同干濕循環(huán)次數(shù)下的膨脹時(shí)程曲線可以發(fā)現(xiàn)， 干濕循環(huán)1 次后試樣的膨脹量增長(zhǎng)速度最大，且當(dāng)風(fēng)化砂摻量越大時(shí)，這種現(xiàn)象越明顯。 這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)初次干濕后，試樣即出現(xiàn)裂隙，加快了外界水進(jìn)入試樣內(nèi)部的速度， 同時(shí)由于土團(tuán)粒的分解，土顆粒間的作用力減弱，約束變形的能力降低；通過(guò)上文的分析可知，試樣干濕1 次后的依然具有較大的膨脹潛勢(shì)，但隨著干濕的繼續(xù)進(jìn)行，膨脹潛勢(shì)迅速降低，因此干濕循環(huán)1 次后試樣的膨脹變形增長(zhǎng)速度最大。二是減速增長(zhǎng)階段。在此階段內(nèi)，試樣膨脹變形的增長(zhǎng)速度逐漸放緩。 三是膨脹穩(wěn)定階段。 此時(shí)的膨脹時(shí)程曲線基本與浸水時(shí)間軸平行，試樣的膨脹變形達(dá)到了穩(wěn)定。

3.4 干濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)風(fēng)化砂改良膨脹土有荷膨脹率的影響及公式的建立

在實(shí)際情況下，路基土承受著路面結(jié)構(gòu)層的重量、車輛荷載等上覆荷重，因此膨脹土路基發(fā)生的膨脹是在一定的上覆荷重下發(fā)生的，為了能夠較為真實(shí)地反映干濕循環(huán)后風(fēng)化砂改良膨脹土路基在一定的上覆荷重下膨脹性的強(qiáng)弱，本小節(jié)針對(duì)干濕循環(huán)后試樣的有荷膨脹率這一指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)及規(guī)范要求，試驗(yàn)過(guò)程中的上覆荷重分別選取為25 kPa 和50 kPa。

根據(jù)有荷膨脹率的試驗(yàn)結(jié)果，在25 kPa 和50 kPa的上覆荷重下，對(duì)有荷膨脹率δap與干濕循環(huán)次數(shù)i間的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合分析，建立δap與i 間的函數(shù)關(guān)系式，擬合曲線如圖7、8 所示。

圖7 有荷膨脹率與干濕次數(shù)間的擬合曲線（25 kPa）

圖8 有荷膨脹率與干濕次數(shù)間的擬合曲線（50 kPa）

可以看出， 無(wú)論是在25 kPa 下還是在50 kPa下，有荷膨脹率δap與干濕循環(huán)次數(shù)i 間的關(guān)系均可用二次函數(shù)進(jìn)行描述：

式中：A，B，C 為受風(fēng)化砂摻量影響的系數(shù)，不同風(fēng)化砂摻量下A，B，C 的取值及擬合后的相關(guān)系數(shù)R2 如表2～3 所示。

表3 50 kPa 下的擬合參數(shù)

采用二次函數(shù)可以對(duì)有荷膨脹率δap與干濕循環(huán)次數(shù)i 進(jìn)行較好的擬合， 相關(guān)系數(shù)均在0.94以上。

4 結(jié)論

（1）隨著干濕次數(shù)的增加，試樣的無(wú)荷膨脹率逐漸降低，在第1 次干濕后，無(wú)荷膨脹率的降低幅度較小，在干濕2～3 次的過(guò)程中，無(wú)荷膨脹率較低幅度較大，達(dá)到了70%以上。

（2）在干濕循環(huán)效應(yīng)下，試樣終止含水率的變化情況與無(wú)荷膨脹率的變化情況基本一致。 無(wú)荷膨脹的膨脹時(shí)程曲線可分為3 個(gè)階段，在同一風(fēng)化砂摻量下，試樣膨脹變形達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間隨著干濕次數(shù)的增大而縮短。

（3）在經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)后，試樣的有荷膨脹率呈二次函數(shù)的形式降低， 無(wú)論是在25 kPa 還是在50 kPa 下，試樣有荷膨脹率達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所需要的干濕次數(shù)隨著風(fēng)化砂摻量的增加而減小。