呈贡隧道膨胀土膨胀力试验研究

夏志国 凌云鹏 赵 京

(1.重庆交通建设(集团)有限责任公司，重庆 400000； 2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

呈贡隧道膨胀土膨胀力试验研究

夏志国1凌云鹏2赵 京2

(1.重庆交通建设(集团)有限责任公司，重庆 400000； 2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

选取呈贡隧道膨胀土重塑土样，通过膨胀力试验，研究了膨胀土在不同初始状态下的膨胀特性，探明了昆明膨胀土的膨胀力与初始含水量和干密度的内在联系，为昆明地区建筑物的设计与施工提供相关依据。

膨胀土，膨胀力试验，含水量，干密度

膨胀土分布范围广泛，遍布全球40多个国家，由于其特有的膨胀性、超固结性、多裂隙性[1]和强度衰减性，对工程建筑产生了严重的危害，造成了重大的经济损失，尤其是在隧道工程中。如果支护结构施作不及时或刚度不合适，会引起隧道的变形过大，支护结构变形破坏，甚至出现隧道倒塌的危险现象，严重的影响施工的安全性。膨胀土吸水膨胀、失水收缩，当膨胀土的膨胀变形受到结构的限制时，在土体与结构接触面上产生一种相互作用，这种相互作用称为膨胀力。Chert F H[2]和Kassiff G[3]通过对膨胀土进行系统的研究，得出了膨胀力仅能反映膨胀土的膨胀特性而与土状态和环境条件的变化无关的结论。谢云，陈正汉，孙树国等[4，5]通过对陶岔膨胀土的三向膨胀力试验研究得出了水平膨胀力小于竖向膨胀力且在相同含水率条件下两者之间的比值随干密度的增大而减小的结论。李振，周俊，邢义川等[6]对安康膨胀土进行了吸湿变形的试验研究，发现在三向应力作用下，膨胀土三个方向上都会产生变形；应力较小时，都发生膨胀；应力较大时，轴向被压缩，径向发生膨胀，但膨胀量很小。本文选取昆明枢纽东南环线呈贡隧道重塑膨胀土土样，选用干密度分别为ρd=1.4 g/cm3，ρd=1.5 g/cm3，ρd=1.6 g/cm3和ρd=1.7 g/cm3等4个干密度以及w0=9.87%，w0=15.18%，w0=20.24%，w0=24.76%，w0=30.21%等5个含水量，研究膨胀力与初始状态的内在联系。

1 试件制作与试验方法

本次试验采用的是高压固结仪，如图1所示。试验之前首先制成不同干密度，不同含水量的试样若干个，并用保鲜膜包好防止土样中水分的蒸发。在做室内试验时，按照杠杆平衡原理，采用石英砂来平衡实验过程中膨胀土试样产生的膨胀力，膨胀稳定后，称取用于平衡的石英砂重量，从而计算出膨胀土试样的膨胀力。

2 结果处理与分析

将试验结果用式(1)进行处理，结果如表1所示。

(1)

其中，Pp为膨胀力，kPa；W为石英砂重量，N；A为试样截面面积，cm2；r为杠杆比。

表1 膨胀力试验结果

干密度/g·cm-3初始含水量/%9.8715.1820.2424.7630.211.473.77163.13255.28348.56440.7991.5164.313131.51699.63386.43260.5761.6283.416229.439187.76147.76101.2291.7434.629336.213272.113220.039161.556

由表1可知，在相同干密度下，膨胀力随着初始含水量的增大而减小；在相同初始含水量条件下，膨胀力随干密度的增大而增大，且干密度对膨胀力的影响较初始含水量产生的影响大。

不同干密度条件下，膨胀力与含水量的关系曲线见图2。

从图2可知，在一定干密度下，随着初始含水量的增大，膨胀力逐渐减小，膨胀力与初始含水量之间呈现良好的负指数关系，通过对曲线进行拟合，其通用公式为：

Pp=ae-bw0

(2)

其中，Pp为膨胀力，kPa；w0为膨胀土试样的初始含水量，%；a，b均为拟合系数。

拟合系数a，b及相关系数如表2所示。

表2 不同干密度条件下拟合系数及相关系数表

从表2可知，拟合系数a，b都与干密度有关，a随干密度的增大而增大，b随干密度的增大先增大后减小。将干密度和a，b之间的关系通过曲线拟合可知，a与干密度之间存在良好的线性关系，b与干密度之间关系可用二次抛物线来描述(如图3所示)，其回归方程分别为：

a=2 028ρd-2 756(R2=0.996)

(3)

(4)

将式(3)和式(4)代入到式(2)中，可以得出膨胀力跟初始含水量和干密度之间的方程为：

(5)

其中，Pp为膨胀力，kPa；ρd为试样的干密度，g/cm3；w0为试样的初始含水量，%。

由此建立了昆明膨胀土的膨胀力与初始含水量、干密度的数学方程，可以很好的代替以往研究中得出的膨胀力随干密度或初始含水量变化的单一数学方程。根据此公式可以直接计算出昆明膨胀土不同干密度和不同含水量下的膨胀力，由此简化了膨胀土上结构的设计。

3 结语

本文通过对呈贡隧道膨胀土进行膨胀力试验研究，可以得出以下结论：

1)在相同干密度下，膨胀力随着初始含水量的增大而减小；在相同初始含水量条件下，膨胀力随干密度的增大而增大，且干密度对膨胀力的影响较初始含水量产生的影响大。

2)在一定干密度下，随着初始含水量的增大，膨胀力逐渐减小，膨胀力与初始含水量之间呈现良好的负指数关系。

[1] 廖世文.膨胀土与铁道工程[M].北京：中国铁道出版社，1984.

[2] Chert F H.Foundations of Expansive Soils[M].Amsterdam-Oxford-New York:Elsevier Scientific Publishing Company,1975.

[3] Kassiff G,Bake R.Aging Effects on Swell Potential of Compacted Clay[J].Soil Mechanics and Foundation Division.ASCE,1971：97.

[4] 谢 云，陈正汉，孙树国，等.重塑膨胀土的三向膨胀力试验研究[J].岩土力学,2007，28(8)：1636-1642.

[5] 谢 云，陈正汉，孙树国，等.南阳膨胀土三向膨胀力规律研究[J].后勤工程学院学报,2006(1)：11-14,23.

[6] 李 振，周 俊，邢义川.三轴应力状态下膨胀土增湿变形特性研究[J].岩石力学与工程学报,2008，27(S1)：3088-3094.

Study on swelling force test of Chenggong swelling soil

Xia Zhiguo1Ling Yunpeng2Zhao Jing2

(1.ChongqingCommunicationsConstruction(Group)Co.,Ltd,Chongqing400000,China;2.ChinaRailwayEngineeringConsultingGroupCo.,Ltd,Beijing100055,China)

The paper took the remolded sample of Chenggong swelling soil, by swelling force test, we have studied the swelling characteristic in different initial conditions, the internal relation between the swelling force characteristic and initial moisture content, dry density was verified, the result provided a basis for the design and construction of buildings for Kunming.

swelling soil, swelling force test, moisture content, dry density

2015-02-12

夏志国(1988- )，男，助理工程师； 凌云鹏(1988- )，男，助理工程师； 赵 京(1988- )，男，助理工程师

1009-6825(2015)12-0070-02

TU443

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