初始状态对膨胀土膨胀特性影响的试验研究

□李晓红□李红晓□张 华（河南省水利科学研究院；河南省水利第一工程局；河南省河口村水库管理局)

初始状态对膨胀土膨胀特性影响的试验研究

□李晓红1□李红晓2□张 华3
（1河南省水利科学研究院；2河南省水利第一工程局；3河南省河口村水库管理局)

含水量、干密度是影响膨胀土胀缩特性非常重要的指标。在南水北调中线总干渠的南阳段普遍遇到了膨胀土深挖路堑、渠道边坡稳定、地基处理等问题。为了解决该问题，给现场施工提供一定的理论依据与技术支持，文章通过控制膨胀土的含水量和干密度，进行了膨胀力、膨胀率等膨胀特性试验研究，分析了含水率和干密度对膨胀土膨胀特性的影响,对试验结果进行了比较与分析，得出了含水量和干密度对膨胀土的影响关系。

膨胀土；含水率；干密度；膨胀力；膨胀率

1 引言

膨胀土是一种吸水膨胀软化、失水收缩干裂的特种粘性土，其主要工程性质表现为多裂隙性、超固结性、强亲水性和反复胀缩性。众所周知，膨胀土地区的水利工程建设往往会发生一系列问题，如地基隆起、路基开裂、边坡失稳等，这些工程问题的解决依赖人们对非饱和膨胀土变形和抗剪强度特性的认识。虽然已经有了大量的理论研究与实际经验，但是，不同地区的膨胀土有着不同的物理力学特性，对各个区域膨胀土的研究是必不可少的。在南水北调中线引汉总干渠的南阳段普遍遇到了膨胀土深挖路堑、渠道边坡稳定、地基处理等问题。因此，对该地区膨胀土的一系列试验研究，得出该地区膨胀土的基本特性是工程得以顺利施工的必要前提。

含水量、干密度是影响膨胀土胀缩特性非常重要的指标，文章通过控制膨胀土的含水量和干密度，进行了一系列膨胀特性试验研究，并对试验结果进行了比较与分析。

2 试验材料

膨胀土在我国大部分地区均有分布。膨胀土的胀缩性直接影响到建筑物的安全性，它不仅造成房屋成群开裂，公路、铁路塌方，而且可导致膨胀土边坡产生浅层滑坡现象，造成农田水利设施的破坏，影响人们的正常生活。膨胀土的主要特性是膨胀和收缩。膨胀和收缩是一个十分复杂的问题，不仅仅是遇水膨胀和失水收缩。要鉴别某种土是否属于膨胀土，应根据本身的固有属性进行区分，只有内在的主要固有属性才是控制膨胀土工程特性的主要决定性因素。至于在膨胀土地区各种建筑物的稳定程度，只能作为辅助的判别。

对膨胀土的判别分类原则，首先应从工程地质观点出发，分析土体的裂隙特征，概括出能反映膨胀土工程性质的实际情况，能代表膨胀土规律的主要指标。自由膨胀率的分类标准是，40≤Fs＜60为弱膨胀土，60≤Fs＜90为中膨胀土，Fs≥90为强膨胀土。塑性指数的分类标准是，15≤Ip＜28为弱膨胀土，28≤Ip＜40为中膨胀土，Ip≥40为强膨胀土。

膨胀土的涨缩特性主要受其矿物成分的影响，通常膨胀土由蒙脱石和伊利石等膨胀矿物组成，吸水后体积膨胀，失水干缩。这与土体的水分迁移密切相关，土体的存在状态，对于土体的水分迁移有重要影响。

膨胀土的涨缩特性除了受土体自身矿物成分及含量控制外，土体的存在状态（含水率、干密度）的变化也是重要因素。本试验所用土料选自南阳膨胀土区，自由膨胀率为49%。根据《膨胀土地区建筑技术规范GBJ112-87》中依据自由膨胀率进行的膨胀土涨缩潜势分类方法，试验所用土样为弱膨胀土。其基本物理力学指标。天然含水率4.6%。采用标准击实得出得出最大干密度1.58g/cm3，对应的最优含水率为23.70%。液限52.60%，塑限25.60%，塑性指数27，塑性指数＞17，为粘土。颗粒分析采用比重计法，试验结果显示土壤粘粒含量31.60%,可以评判为弱膨胀土。

3 试验方案

为了研究膨胀土的初始状态与涨缩特性的关系，文章从初始含水率、初始干密度等方面展开试验。初始含水率的控制通过制样时的反复测量，由于烘干法测试时间周期长，文章采用的是酒精燃烧法。通过反复调整，最终的含水率控制在19.60，21.60，24.60%，允许误差为0.20%。文章再用静压法制成干密度为1.59，1.66，体积60 cm3的试样，干密度允许误差为0.01 g/cm3。

试验项目主要包括两组试验：第一组为不同初始含水率下，不同干密度的膨胀力试验；第二组为竖向压力分别为0 kPa、25 kPa，不同初始含水率下，不同干密度的膨胀率试验。通过试验，可以得出膨胀力与含水率、干密度的关系，以及膨胀率与含水率、干密度和竖向压力的关系。对于工程建设中，控制压实干密度和含水率至关重要。

4 试验结果及分析

4.1 膨胀力与含水率、干密度的关系

膨胀力是指土体吸水膨胀时所产生的内应力，文章所指的膨胀力是指试样保持体积不变时，吸水膨胀而产生的最大内应力。膨胀力的试验方法有三种，膨胀反压法、加压膨胀法和平衡加压法，文章采用加压平衡法。对于膨胀土的许多研究表明，膨胀力会随初始含水率的增加而减小，随初始干密度的增大而增大。膨胀力的试验在杠杆式固结仪上进行，膨胀力按照×10的公式来计算。其中，pe为膨胀力，单位kPa。W为总平衡荷载，单位N。A为试样面积，单位cm2。K为固结仪杠杆比，10为单位换算系数。

膨胀力试验结果如图1所示：从图中可以看出，在同一含水率下，膨胀力随着干密度的增大而增大，而且其增长趋势随着含水率的增大而减缓。对于同一干密度而言，初始含水率越大则膨胀力越小。随着初始含水率的减小，膨胀力与干密度增大关系的斜率逐渐增大。

图1 膨胀力、干密度与含水率关系曲线图

4.2 膨胀率与含水率、干密度的关系

膨胀率是指在有侧限条件下膨胀的增量与初始高度之比值。通常我们所说的膨胀率是指最大膨胀率，即土样吸水饱和后达到的最大膨胀率。根据加载条件，膨胀率试验可以分为无荷膨胀率和有荷膨胀率。膨胀率的计算按照公式进行，其中δe为膨胀率，单位%，V为膨胀稳定后试样的体积，单位cm3，V0为试样初始体积，单位cm3。

膨胀率试验结果如图2、图3所示：从图中可以看出，在同一含水率下，膨胀率随着干密度的增大而增大，而且其增长趋势随着含水率和竖向压力的增大而减缓。对于同一干密度而言，膨胀力随着含水率的增大而减小。而对于同一干密度和含水率而言，膨胀率随着竖向压力的增大而减小。

图2 0K pa下膨胀率、干密度和含水率关系曲线图

图3 25K pa下膨胀率、干密度和含水率关系曲线图

5 结论

对于膨胀土来说，最大的问题就是如何保证工程的安全与稳定。比如南水北调工程中膨胀土渠坡的稳定问题，实际上就是膨胀土的涨缩与强度问题。文章通过试验，研究了膨胀土的初始状态与涨缩特性的关系，得到以下结论：一是，该地区膨胀土的膨胀力随着干密度的增大而增大，随着初始含水率的增大而减小。而且其增长趋势随着含水率的增大而减缓。二是，膨胀率随着干密度的增大而增大，随着初始含水率的增大而减小，随着竖向压力的增大而减小，而且其增长趋势随着含水率和竖向压力的增大而减缓。

（责任编辑：李乐乐）

TU 443

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1673-8853（2016）10-0097-02

2016-08-02