压实黏土膨胀与收缩特性试验研究

何 卫，陆海军，吴道枫，廖朱玮

(武汉工业学院土木工程与建筑学院，湖北武汉 430023)

黏土体在水分浸润作用下产生膨胀，在失水干缩作用下产生干裂，裂缝的存在不仅削弱了土体的完整性，而且为水分的入渗提供了便捷的通道，并导致土体的吸力降低，土体软化、强度降低。黏性土的干缩开裂与其胀缩性密切相关，胀缩性是导致土体干缩开裂的重要内在因素。黏性土在干湿循环作用下引起了胀缩循环进而引起了体积的反复变化，促使干缩裂缝的发生和发展，并使土体的结构发生松散，为黏性土表层的进一步风化和干裂创造条件，加速了裂缝的横向发育和纵向延伸。

很多学者在黏土的膨胀变形方面做了大量的试验研究。邵梧敏等［1］研究了膨胀黏土的矿物成分对其膨胀性的影响。徐永福、龚友平、殷宗泽［2］等对宁夏地区的膨胀性黏土进行了膨胀变形试验，得到初始含水量、干密度及上覆压力对膨胀变形规律的影响。缪林昌、仲晓晨、殷宗泽等［3］研究了在不同压力作用下，击实膨胀土的膨胀变形与初始含水量和干密度之间的关系。以上研究主要是针对土体在不同初始条件和环境条件下的膨胀试验，而对相同压实密度、不同含水量下的膨胀收缩过程试验研究较少。膨胀土的膨胀变形与其含水量有着密切的关系，因此，研究非饱和土膨胀与收缩变形与含水量的变化关系具有重要意义。

1 压实黏土试样的膨胀收缩试验

试样为武汉市某地的黏土，土样经过风干破碎研磨过2 mm筛。黏土基本物理性质指标和化学成分分析如表1—2所示。针对同一压实度(ρ=1.65 g/cm3)、不同初始含水率(ω=17%，19%，21%，23%，25%)，同一含水率(ω=21%)、不同的压实度(ρ =1.50 g/cm3，1.55 g/cm3，1.60 g/cm3，1.65 g/cm3，1.70 g/cm3)，根据土工试验规程［4］SL237-025-1999、SL237-026-1999用环刀制备土样进行膨胀和收缩试验，研究初始含水率、压实度对其膨胀与收缩特性的影响。

表1 黏土的基本物理指标

表2 黏土的化学成分 /%

2 试验结果与讨论

2.1 压实黏土浸水膨胀试验

本试验进行的是无荷载膨胀试验。试验过程中，需向膨胀仪水盒内注入纯水，使水自下而上进入试样，并保持水面高出试样5 mm，记录注水开始时间，按 5 min，10 min，20 min，30 min，1 h，2 h，3 h，6 h，12 h测读百分表读数。当6 h内变形不超过0.01 mm，可终止试验。特别注意，试样过程中水分的蒸发与黏土的吸水使膨胀仪内水量不断减少，需定时观察注水于膨胀仪中。同一压实密度、不同初始含水率试样的浸水膨胀试验，平均轴向膨胀量随时间的变化曲线如图1所示。同一含水率、不同初始压实密度试样的浸水膨胀试验，平均轴向膨胀量随时间的变化曲线如图2所示。

图1 不同含水率下平均轴向膨胀量随时间的变化

试验结果表明，相同压实度情况下，在最优含水率之前，土体最终膨胀量随初始含水率的增大而减小;在大于最优含水量时，土样的膨胀量随着初始含水率的增大而增大;在最优含水量附近，压实黏土的膨胀较为缓慢，并且最终膨胀量最小，膨胀率为18.5%。原因是在该压实密度条件下，最优含水率条件下能够保证土体的击实效果较为密实，土体的孔隙体积较小，吸入的水分相应较少，故最终膨胀量最小;而其他初始含水率下的压实黏土，土体颗粒间的孔隙体积较大，使得膨胀量要大于最优含水率下的膨胀量，当初始含水率为17%时，其最终膨胀量最大，最大膨胀量为31.85%;其次初始含水率为19%，最大膨胀率31.6%。原因是初始含水率较小时，颗粒间的孔隙所含水分较少，大多为空气所占，加之压实密度较大，所以当吸水膨胀时，压实黏土内的基质吸力较大，极易吸收水分膨胀。

图2 不同压实密度下平均轴向膨胀量随时间的变化

对于相同初始含水率条件下，当压实度为1.50 g/cm3时，最终膨胀量最小为18.2%，其次是压实密度1.65 g/cm3，最终膨胀量是19.1%。由土体的膨胀变形随时间而变化曲线(如图2)还可以看出，膨胀过程大体上呈近“S”型，大致可分三个阶段解释。第一阶段为吸水膨胀。土体浸水以后，刚开始在土体的表层膨胀，基质吸力大，吸水速度快，故体积膨胀速率较快;水分在毛细作用下进入土中，土水交界面的面积逐渐扩大，由表层的部分膨胀向整体膨胀发展。第二阶段为加速膨胀。随着土体内吸入水量增加，颗粒间的孔隙逐渐被水所填充，致使土的吸力逐渐降低，吸水速度减慢，土体的膨胀速率也开始降低。开始进入第三阶段，即缓慢膨胀阶段。由于土体中水量的继续增加，黏土颗粒间胶结部分可能因水解而造成土体团粒结构的崩坍。使土体体积增加缓慢，甚至停止膨胀或负膨胀(即表现为湿陷)［1－3］。

2.2 压实黏土失水干缩试验

本试验为压实黏土的失水干缩试验，主要测定压实黏土的初始含水率和干密度对压实黏土失水特性指标(轴向收缩量、轴向收缩率、径向收缩率和体积收缩率)的影响。同一压实密度、不同初始含水率试样的失水干缩试验，轴向收缩量随时间的变化曲线如图3所示。同一含水率，不同初始压实密度试样的失水轴向收缩量随时间的变化曲线如图4所示。

图3 初始含水率对轴向收缩量的影响

图4 压实密度对轴向收缩量的影响

试验结果显示:从最终收缩情况来看，对于相同压实密度、不同初始含水率下的失水干缩试验，初始含水率为21%时，其平均轴向收缩量最小;而初始含水率为23%和25%，其平均轴向收缩量较大。对于相同初始含水率、不同压实度下的失水干缩试验，压实度越高，其最终的平均轴向收缩量则越大，当压实度大于1.65 g/cm3时，其最大平均轴向收缩量相差不大。

从整个收缩过程来分析压实黏土在自然状态下的失水干缩:第一阶段为快速收缩，此阶段的土体含水率低于土体的进气值，孔隙水正常蒸发，孔隙比的减少量与水的蒸发量相近，此时提及的收缩量近似于水的体积，所以轴向收缩量与含水率变化呈线性关系。第二阶段为残余收缩，随着水分蒸发的继续，孔隙中自由水逐渐减少，吸附在黏土颗粒上的水化膜逐渐变薄，颗粒之间的联接力逐渐增加，使土体结构重排愈加困难，表现为空气开始进入土体内的孔隙中，原来水分所占的体积被一部分气体所占据，使得土体的收缩较为减缓，土体的收缩量小于水的损失量，故轴向收缩呈现为缓慢的曲线变化。与此同时，非饱和状态下的土体，吸力的发展增大了土颗粒间的有效应力和结构的刚度，使土体的抗变形能力增强。第三阶段几乎停止收缩，即零收缩，此阶段土体结构状态最为密实，土体颗粒直接接触，土体体积不再受到含水率的影响［5－7］。

为了分析整个收缩过程与含水率和压实度的关系，对以上干缩试验的每一种工况从轴向收缩率、径向收缩率和体积收缩率上进行详细的分析。对干缩前后分别对压实土样的直径和高度进行了测量，并计算压实试样失水干缩后的轴向收缩率εa、径向收缩率 εr、体积收缩率 εv。

式中:εa、εr、εv分别为轴向收缩率、径向收缩率和体积收缩率;h0和h分别为压实黏土试样的初始高度和干缩后高度，d0和d分别为压实黏土试样的初始直径和干缩后直径，V0和V分别为压实黏土试样的初始体积和干缩后体积。压实黏土试样收缩率(轴向收缩率、径向收缩率和体积收缩率)随初始含水率的变化关系如图5，压实黏土试样收缩率(轴向收缩率、径向收缩率和体积收缩率)随压实密度的变化关系如图6。

图5 压实黏土试样收缩率随初始含水率的变化关系

从图5可以得出，在相同初始含水率的条件下，压实黏土试样的轴向收缩率εa、径向收缩率εr、体积收缩率εv均随初始含水率的增大而减小。如压实密度为1.50 g/cm3的压实黏土，初始含水率从17%增大到25%，其轴向收缩率、径向收缩率和体积收缩率分别增大了约1.93倍、2.64倍和2.26倍。

图6 压实黏土试样收缩率随压实密度的变化关系

从图6可以得出，在相同压实密度条件下，压实黏土试样的轴向收缩率εa、径向收缩率εr和体积收缩率εv均随压实密度的增大而呈现线性减小。如初始含水率为17%的压实黏土试样，压实密度从1.5 g/cm3增大到 1.7 g/cm3，而轴向收缩率 εa却从1.7%减小到1.31%，径向收缩率 εr从 1.58%减小到 1.27%，体积收缩率 εv从4.8%减小到 3.8%，由此得出，径向收缩率的变化不如轴向收缩率的变化明显。轴向收缩率εa和径向收缩率εr存有明显的差异，说明试样在轴向收缩和径向收缩存在各向异性。当压实土样的初始含水率低于21%时，轴向收缩率εa大于径向收缩率εr;但当压实土样的初始含水率大于21%时，径向收缩率εr则明显大于轴向收缩率εa。因此，压实土样收缩的各向异性受初始含水率的影响较大。在大于最优初始含水率时，径向收缩率εr随着土体初始含水率而呈指数形式递增。

初始含水率的增加促进了土体的收缩，其原因是:(1)黏土颗粒外层结合水膜的厚度和土颗粒的间距均随含水率的增大而增大，为土体收缩提供了充足的空间;(2)黏土颗粒间的粘结力和土体内有效应力均随含水率的增大而降低，在失水干缩时，使土体结构发生重新排布所需克服的阻力因粘结力和有效应力的降低而减小;(3)压实土样的初始含水率不同，使压实后得微观结构也存有较大差异［6－8］。压实黏土的初始压实状态对土体收缩具较大影响。压实度的增加对土体的收缩具有一定的抑制作用，是因为黏土土体内的的孔隙和黏土颗粒的间距减小，使可供收缩的孔隙体积得到限制。

图5给出了压实黏土试样的轴向收缩率、径向收缩率和体积收缩率与初始含水率w之间的关系，均呈现为近指数形式关系，且可以看出，相同初始含水率，压实密度的影响不甚显著;图6给出了压实黏土试样的轴向收缩率、径向收缩率和体积收缩率与压实密度ρ之间的关系，且成较好的线性关系，且三者的直线方程对应的斜率分别为－2.66，－4.056，－10.05，从斜率的数值大小上可以得出，体积收缩率εv受压实黏土的压实度的影响大于轴向收缩率εa和径向收缩率εr所受的影响。因此得出结论，压实土体的初始含水率对压实土样的收缩影响更大。

3 工程实例

某高速公路全长63 km，全线采用路基宽28 m，双向四车道高速公路标准。在测设过程中，发现沿线分布有膨胀土。膨胀土中含有较多的粘粒及亲水性较强的蒙脱石或伊利石等粘土矿物成分，是一种遇水膨胀、强度骤减、失水干缩、坚硬而又常有收缩裂隙的高塑性粘土。在施工现场取样试验，监测压实黏土膨胀收缩特性，以得出压实黏土的初始含水率和干密度对压实黏土膨胀收缩特性的影响。从施工现场选择10个不同地点取样，试验成果如表3所示。

表3 现场土样膨胀收缩特性试验成果表 /%

上述施工现场监测的成果与室内土工试验数据比较分析可知，黏土的初始含水量和干密度大小对路堤的膨胀量影响很大，且室内土工试验数据与现场膨胀土地基膨胀变形量测试成果较为吻合，误差仅为1%左右。

4 结论

在初始含水率为21%附近，在压实密度为1.50 g/cm3和1.65 g/cm3时，土体的最终膨胀量较小，且压实黏土样的膨胀量随着时间而呈现近“S”型发展。压实黏土样的干缩初期，因蒸发失去水的体积等于土体的收缩体积，是属于正常收缩;在失水干缩后期，因受土颗粒间水的粘结力和吸附在颗粒表面结合水膜的厚度控制，使干缩体积小于失水体积，收缩量随时间变化为下凹型曲线;最后进入稳定的零收缩阶段，收缩量几乎不随时间变化。压实密度越大，收缩率越小;初始含水率越高，收缩率越大。压实黏土的干缩变形也具有显著的各向异性，在初始含水率小于21%的条件下，径向收缩率略小于轴向收缩，而在初始含水率大于21%的条件下，径向收缩率则大于轴向收缩率。收缩率随初始含水率增加呈指数增大趋势，与压实密度增加呈线性减小趋势，土体收缩受初始含水率的影响程度明显高于土体的压实度。

［1］邵梧敏，谭罗荣，张梅英，等.膨胀土的矿物成分组成与膨胀特性关系的试验研究［J］.岩土力学，1994，15(1):11－29.

［2］徐永福，龚友平，殷宗泽.宁夏膨胀土膨胀变形特征的试验研究［J］.水利学报，1997，9:27－30.

［3］缪林昌，仲晓晨，殷宗泽.非饱和膨胀土变形规律的试验研究［J］.大坝观测与土工测试，1999，23(3):36－39.

［4］SL 237－1999，中华人民共和国行业标准土工试验规程［S］.

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［6］唐朝生，崔玉军.土体干燥过程中的体积收缩变形特征［J］.岩土工程学报，2011，33(8):1271－1278.

［7］廖济川.开挖边坡中膨胀土的工程地质特性，非饱和土理论与实践学术研讨会文集［C］.北京:中国土木工程学会土力学及基础工程学会，1992:102－117.

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