基于强膨胀土的无荷膨胀率试验研究

李 挺

上海地矿工程勘察有限公司，上海 200072

1 概述

膨胀土是在地质作用下形成的多裂隙并具有显著膨胀性的特殊土体，主要由强亲水性的蒙脱石和伊利石等粘土矿物组成，是一种具有显著胀缩性和强度衰减性的粘土；由于膨胀土具有吸水膨胀、失水收缩的反复变形的特征以及由原生和次生作用形成的土体中杂乱无章的裂隙，国际工程界称之为“隐藏的灾害”或“难以对付的土”。据美国在20世纪70～80年代的统计，由于膨胀土的破坏性给工程带来的损失超过风灾、地震等自然灾害损失的总和[1-3]。膨胀土有“三性”，即胀缩性、裂隙性和超固结性[4]。胀缩性是指由于膨胀土的粘土矿物成分、胶结物质成分和结构特征而造成的遇水膨胀、失水收缩的特性，是膨胀土工程病害的主要根源。

对膨胀土胀缩特性的研究，离不开膨胀率和膨胀力，而无荷载膨胀率是在完全限制侧向变形、无垂直荷载作用条件下，膨胀土试样吸水膨胀稳定后，竖直方向膨胀量与试样初始高度之比，可以很好地反映土体浸水饱和过程中整体膨胀潜势，以及干密度与初始含水量对膨胀率的影响。

本文通过自制样的无荷膨胀率试验研究了含水率和干密度对强膨胀土的线膨胀变形特性的影响。

2 试验土样及方法

2.1 土样物理化学特性

图1 土样击实曲线

本试验采用从现场取回的强膨胀土，天然含水率ω=25.3%，干密度ρd=1.61g/cm3,土样的基本物理性质如表1所示。由表1可以看出，自由膨胀率为126，属于强膨胀土；塑性指数为48.4，且粘粒含量特别高。土样的主要矿物成分及水理特性如表2所示。由表2看出，蒙脱石和伊利石的含量为50%，pH值为7.68，呈弱碱性。土样击实曲线如图1所示，最优含水率为20.3%，最大干密度为1.679g/cm3。

表1 土样基本物理特性

表2 土样矿化特性

2.2 试样制备

试验土样按照《土工试验规程》（SL237-1999）[5]规定的方法制备，制备步骤如下：1）将土样风干，人工碾碎后过2mm土筛，并测定其风干含水量；2）按照试验要求配制初始含水率分别为14%、18%、22%、的土样；3）根据试验要求的含水率，制备干密度分别为1.55g/cm3、1.60g/cm3、1.65g/cm3环刀样，环刀直径为61.8mm、高为2cm。

2.3 试验仪器

本试验采用普通膨胀仪测定强膨胀土的无荷膨胀率，膨胀仪如图2所示。

图2 膨胀仪示意图

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

按照《土工试验规程》（SL237-1999）[5]规定的试验步骤进行试验，试验结果如图3所示。

由图3 可知，强膨胀土无荷膨胀率与时间关系曲线可以分为三个阶段：

图3 无荷膨胀率与时间关系曲线

1）等速膨胀变形阶段，此阶段膨胀变形速率很大，持续时间较短，且不同干密度试样膨胀变形速率与持续时间不同，由图可知，干密度较小，膨胀变形速率最大，且持续时间最短；等速膨胀变形阶段膨胀变形量很大，可达到最终膨胀量的80%以上，是工程中膨胀变形的主要阶段，该阶段的膨胀变形足以导致其上建筑物的破坏；

2）减速膨胀变形阶段，此阶段试样仍产生较大吸湿膨胀变形，但膨胀变形速率不断减小，该阶段膨胀量通常占最终膨胀量的5%～10%；

3）稳定膨胀变形阶段，此阶段膨胀变形与时间关系曲线几乎水平，膨胀变形速率可以忽略不计，但膨胀变形量也会随之间缓慢增长。等速膨胀变形阶段，试样处于吸湿初期，膨胀变形速率和初始吸湿持续时间取决于试样干密度与初始含水量大小：初始含水量越低，干密度越小，吸湿初期膨胀变形速率越大，初始吸湿的时间也越短；反之，初始含水量越高，干密度越大，吸湿初期变形速率也就越小，初始吸湿时间也就越长。这可能是由于干密度越小，试样内部渗透通道越多，通道孔径也越大，试样得渗透性也就越好，吸湿和膨胀变形也就越快；反之，吸湿和膨胀变形越慢。含水量越低，试样基质吸力越大，试样吸湿与膨胀变形越快；含水量增高，基质吸力下降，吸湿速度也就变慢，从而膨胀变形速率下降。

3.2 膨胀变形的影响因素分析

由图3可以看出，随着干密度和初始含水率的增大，试样达到膨胀稳定的时间越长，而最终膨胀量随着干密度的增大而增大，随着初始含水率的增大而减小。图4为不同干密度试样的最终膨胀量与初始含水率关系曲线，由图可以看出，不同干密度试样的最终膨胀量随初始含水率的增大呈线性减小，其线性回归分析式可表达为

式（1）中回归系数A、B与试样干密度相关，随着干密度的增大，回归直线斜率减小，系数A增大，而系数B随干密度的变化不大，可视为基本不变。干密度越大，土颗粒越多，而达到膨胀稳定时的膨胀变形量也就越大；反之依然。初始含水率越小，试样的膨胀势越大，而稳定时的膨胀变形量也也就会越大，随着初始含水率的增大，这种由于粘粒成分而产生的膨胀势减小，而最终膨胀变形量也就减小。系数B与初始含水率和干密度没什么关系，是土的一种性质参数，与土的矿化成分、颗粒组成等因素有关。

图4 不同初始含水率试样最终膨胀量

4 结论

通过不同干密度和初始含水率试样的无荷膨胀率试验，研究了强膨胀土膨胀变形曲线，并分析了影响最终膨胀变形量的影响因素，得出以下结论：

1）强膨胀土无荷膨胀率与时间关系曲线可以分为等速膨胀变形阶段、减速膨胀变形阶段、稳定膨胀变形阶段等三个阶段；

2）强膨胀土干密度越大，膨胀变形速率也越大，达到膨胀稳定的时间也越长；初始含水率越大，膨胀变形速率越小，达到膨胀变形稳定的时间也越短；

3）强膨胀土最终膨胀变形量跟干密度和初始含水率有关，干密度越大，最终膨胀变形量也越大，而初始含水率越大，最终膨胀变形量越小。

[1]刘特洪.工程建设中膨胀土问题[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.

[2]郑建龙，杨和平著.公路膨胀土工程[M].北京：人民交通出版社，2009.

[3]王钊，刘祖德.鄂北岗地膨胀土特性及渠道滑坡防护与整治的研究总报告[R].武汉：武汉水利电力学院，1991.

[4]包承纲.非饱和土的性状及膨胀土边坡稳定问题[J].岩土工程学报，2004，26(1)：1-15.

[5]S1237-1999. 土工试验规程[S].