膨胀土的土水特性试验研究

□张　华（河南省河口村水库工程建设管理局）



膨胀土的土水特性试验研究

□张华（河南省河口村水库工程建设管理局）

膨胀土具有吸水膨胀和脱水收缩的特性，利用非饱和土固结仪对南阳地区膨胀土试样进行了土—水特征试验，并根据试验得到的土—水特征曲线得到：试样的含水率随着基质吸力的增大显著减小；随着轴压的增大，孔隙比减小。当吸力相同时，含水率随孔隙比的减小而增大。

膨胀土；土水特征曲线；基质吸力

1　引言

膨胀土是现代工程地质学和土力学中新出现的一个名词，膨胀土含有较多的膨胀性粘土矿物，具有很强的高塑性、吸水性、快速崩解及剧烈的胀缩性，是有别于红土、黄土、冻土、软土，以及普通粘土的一类特殊粘性土。河南省是我国膨胀土的主要分布地区之一，该地区膨胀土的分布相对集中，主要分布在豫中和豫西的南阳盆地。

由膨胀土的定义可知：影响膨胀土特性的因素主要有土的矿物成分、孔隙结构、土体的收缩性、土的含水量、土的应力历史等。其中，土的矿物成分和孔隙结构是基本因素，其他因素往往是通过影响这两个基本因素而起作用的，而在所有影响因素中，孔隙结构和含水量对其影响作用无疑是最大、最直接、最快速的。

土—水特征曲线（SWCC）表征了非饱和土中含水量（质量含水率或体积含水率）或饱和度与吸力之间的关系，其实质是以含水量形式表示的、与土中吸力变化相关的非饱和土的持水（即储水）能力。土水特征曲线由含水量变化的规律可分为两种：干燥（脱水）曲线和浸湿（吸水）曲线。试验通过轴平移法获得不同轴压下膨胀土的土—水特征曲线的干燥过程，即脱湿曲线来描述孔隙结构和含水量对膨胀土的影响。

2　试验概况

2.1试验材料

本次试验所采用的膨胀土取自南阳地区。南阳位于河南省南部，处于半干旱地区，该地区出露在地表的土层以膨胀土为主，也是南水北调中线工程的穿越区域，所以对该地区的膨胀土特性进行研究具有重要的工程意义。

通过室内试验，得出了南阳膨胀土的部分物性指标，如表1所示。

表1　土的物性指标表

2.2试验仪器

非饱和土固结仪、抽气饱和装置、空压机。

2.3试验步骤

本次试验仅对土—水特征曲线的干燥过程即脱湿曲线进行研究。具体的试验步骤如下：

2.3.1饱和陶土板

①打开陶土板底座一侧的排气口，通过另一侧的进水口用无气水冲洗陶土板底座；②用无气水充满半个压力室；③施加500 kPa孔隙气压力，放置两天；④打开陶土板底座一侧排气口，让水透过陶土板向孔隙水压力管排出；最后，关闭孔隙气压力，让压力逐渐消散至零，需要3-5 d的时间。

2.3.2制样

将试验所用的膨胀土经碾碎后，过2 mm筛，并测出其风干含水率；将过筛后的膨胀土按照最佳含水率加入一定质量的水，并在密封的塑料袋中养护24 h；采用静压法制备干密度为1.55 g/cm3的标准试样。

2.3.3饱和土样

制好的土样放入抽气饱和缸中抽气饱和，约4 h，再浸泡24 h。

2.3.4试样安装

将饱和后试样称量后，装入压力室内，安装好顶杆，上紧螺帽，调试好百分表。

2.3.5固结试样

轴压为0 kPa时，不用加载，直接进行下一步试验，轴压为50 kPa时，通过杠杆施加相应的轴压，记录百分表读数，以每小时读数变化＜0.005 mm认为稳定；待稳定后施加气压力。

2.3.6施加气压力

按照5、15、25、50、100、150、200、250、300、350、400、450的顺序逐级施加气压力，待上一级平衡后，施加下一级压力，以每2 h量管体变不超过1.20×10-2ml为达到平衡标准（为了防止量管水分蒸发，可在液面上方，加一薄层液体石蜡）。

2.3.7计算

陶土板下的孔隙水压力读数Uw等于陶土板上式样的孔隙水压力（一般接近零，可以不计），利用轴平移技术，土样的吸力就等于施加的气压力（s=Ua-Uw）。达到平衡后，记录量管水位数位，根据试样的初始质量，便可测定其重量含水率。

式中：wi、△vi分别为该级压力下试样的含水率与从试验开始时到该级压力平衡时量管体积变化量，ms、mw分别为试样的初始土颗粒质量与初始含水量。

2.4试验结果

将试验结果进行归纳整理，见表2和表3、图1与图2。

表2　试验结果表（轴压为0kPa）

图1　基质吸力与含水率关系曲线图（轴压力为0kPa）

图2　基质吸力与含水率关系曲线图（轴压为50kPa）

表3　试验结果表（轴压为50kPa）

3　实验结果分析

对竖向压力为0 MPa和50 MPa的膨胀土试样，分别测定了土水特征曲线，对试验结果的分析发现：试样的含水率随着基质吸力的增大显著减小；随轴向应力的增大，土样在轴向产生压缩变形，由于该土样的径向被环刀约束，所以该土样的体积减小而产生压实，进而使该土样的孔隙比减小。当吸力相同时，含水率随孔隙比的减小而增大，或者当含水率一定时，吸力随孔隙比的减小而增大，或者说，随着孔隙比的减小，含水量随基质吸力增加而下降的趋势减缓。

4　结论

一是利于轴平移法对南阳非饱和膨胀土基质吸力进行量测其方法简便、实用。但对操作过程要求较为严格，特别是陶土板的饱和阶段。一旦陶土板未完全饱和，孔隙气就会通过陶土板进入孔隙水压力测量系统。这样就会导致孔隙水压力的测量产生误差。二是从含水率与基质吸力的关系来看：随着基质吸力的增加，含水率逐渐下降，下降速率由快变缓。三是从孔隙比与土—水特征曲线的关系来看：随着轴压的增大，孔隙比减小。当吸力相同时，含水率随孔隙比的减小而增大；或者当含水率一定时，吸力随孔隙比的减小而增大。

（责任编辑：李乐乐）

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1673-8853（2016）06-0125-02

2016-03-22