弱膨胀土增湿变形量试验及路堤填筑分析

(南京交通职业技术学院 路桥与港航工程学院，南京 211188)

1 研究背景

随着我国经济的快速发展，大量的道路路堤建设需要经过膨胀土分布地区，膨胀土的性质是造成路基破坏最重要的原因，膨胀土的增湿变形特征是研究膨胀土路基或边坡破坏的基础与核心，是当前研究的重点与难点。

文松松等[1]、刘清秉等[2]、边加敏[3]对膨胀土的增湿膨胀变形进行了研究，但这些成果均着力于研究土体在极端状态下的膨胀变形量，致力于建立极端状态下膨胀变形量与初始状态(初始含水率、初始干密度及上覆压力)的耦合关系，取得了较多的研究成果。但对于实际工程来说，极端含水率变化状态下的膨胀变形仅发生在路基的表面，随着工程包边法广泛应用于膨胀土路堤填筑中，路基表面被工程性质良好的土体包裹，对用于路堤内部填筑的膨胀土来说，不完全浸水是土体增湿的常态。因此，研究不完全增湿状态下的膨胀变形量，找出对土体膨胀变形影响最大的含水率变化区间，对于合理控制膨胀土的施工含水率，减小填筑后路堤的变形量具有十分重要的意义。

本文通过对不同初始含水率的膨胀土进行不同增湿量的膨胀量(线膨胀率及膨胀力)试验，研究含水率变化对膨胀量的影响。

2 试验概况

2.1 试验材料的基本性质

试验用土取自南京芜申线东坝镇航道段某边坡，取土深度为1 m左右，土样的液限为54%，塑限为27%，塑限指数为27%，土体的自由膨胀率为51%。土体重型击实的最大干密度为1.83 g/cm3，最优含水率为16.5%，蒙脱石含量为9.86%，比表面积为111.3 m2/g，土体粒径<0.002 mm颗粒的含量为31.5%，按照文献[4]，判断此土为高液限弱膨胀土。

2.2 试验参数的选择

2.2.1 干密度

当前对工程包边法的包裹厚度还没有统一的确定方法，规范[5]、杨和平等[6]、余飞等[7]均提出各自的包边厚度确定方法。总体而言包边厚度均>2 m,路堤设计规范规定高等级公路1.50 m以下的压实度要求为>93%，按此压实度确定试验土体的干密度约为1.70 g/cm3。工程包边法的路堤结构见图1。

图1 工程包边法的路堤结构Fig.1 Structure of subgrade constructed with wrapping method

2.2.2 含水率

路堤填筑膨胀土的施工含水率，当前有不同的确定方法，如干法重型击实的最优含水率、干法重型击实的最优含水率+3%、湿法击实的含水率、最大CBR(加州承载比)值所对应的含水率等。为反映膨胀土在不同初始含水率下的变形特征，选择3种典型的初始含水率进行试验，分别为干法重型击实的最优含水率、干法重型击实的最优含水率±3%作为试验初始含水率。

2.3 试验方法

考虑到采用同一土样较难完成不同增湿量的增湿变形试验，本次试验采用“等同”状态下的土样进行增湿变形试验，这里的“等同”是指在相同土质土性的情况下，按照相同的初始含水率及干密度制作土样。通过对“等同”土样进行增湿试验，测定土体在不同增湿量下的线膨胀率。

2.3.1 无荷线膨胀率试验

采用无荷膨胀仪进行无荷线膨胀率测定，制作若干初始干密度为1.70 g/cm3，初始含水率分别为13.5%，16.5%，19.5%的3种小环刀样。取初始含水率为13.5%的小环刀样若干组，每组2个试样，分别装入无荷膨胀仪中，用滴定管从第1组无荷膨胀仪的上部及下部滴入约为5%含水率的水量，在第2组仪器中加入约10%的水量，以此类推，直至加水饱和为止。试验中每隔1 h测定土样的膨胀变形量，膨胀稳定的判定标准为连续2 h测定的变形量<0.01 mm。试验分组的数量根据土体的初始含水率确定，待土体膨胀稳定后，取出环刀样测定土体的含水率。试验完成后采用相同的方法继续测定初始含水率为16.5%，19.5%土样在不同增湿量情况下的无荷线膨胀率。

2.3.2 膨胀力试验

制作与无荷线膨胀率相同的小环刀样，进行不同增湿量的膨胀力测定。取初始含水率为13.5%的土样若干组，分别装入固结仪中，用滴定管从第1组无荷膨胀仪的上部及下部滴入约为5%含水率的水，测定土体的膨胀力；待膨胀稳定后取出试样测定小环刀样的含水率，在第2组试样中加入约10%含水率的水，以此类推直至加水饱和为止。试验分组的数量根据试验用的初始含水率确定，待膨胀稳定时，取出土样测定含水率。试验完成后采用相同的方法进行初始含水率为16.5%，19.5%的膨胀力试验。

3 试验结果分析

3.1 不同初始含水率下的线膨胀率分析

将“等同”试样在13.5%，16.5%及19.5% 3种初始含水率下，进行不同增湿量膨胀变形后的线膨胀率列于图2。

图2 线膨胀率随增湿量的变化曲线Fig.2 Linear swelling ratio of test specimens against moistening degree

由图2可见，含水率与线膨胀率关系曲线在不同初始含水率下具有相似的变化规律。在含水率增加前期，线膨胀率增加迅速；当达到一定的含水率增量时，线膨胀率增湿变形曲线逐渐趋于平缓，曲线的转点含水率均在25%左右。这表明：

(1)线膨胀率受含水率变化的影响较大，含水率增加越多，线膨胀率增加越大。

(2)前期初始含水率的增加会引起较大的膨胀变形，而后期含水率的增加对膨胀变形的影响较小。

(3)线膨胀率大小与初始含水率密切相关，初始含水率越大，线膨胀率的增加越小；反之，线膨胀率增加越大。

造成上述(1)和(2)的主要原因是：土体的膨胀变形主要由晶格内部的膨胀变形及聚集体间的扩张变形造成，晶格内部的膨胀变形在膨胀土变形中占主要部分。当土体初次浸水时，首先进入晶格内部，晶格内的扩张作用得到了较好的发挥，此时的膨胀变形较大，在曲线上表现为前期曲线的增加速度较快，膨胀变形量较大。当晶格内部膨胀充分后，水分进入聚集体间，此阶段的膨胀变形主要由于含水率的增大导致土体颗粒间水膜厚度的增加造成，这是膨胀土浸水后期线膨胀率随含水率增加变化不大的主要原因。

造成上述(3)的主要原因为：根据图2膨胀土在无荷作用下的最终含水率在36%左右，初始含水率对土样的最终饱和含水率影响不大，而在较低的初始含水率下土样达到饱和时的含水率增量较大；而初始含水率越大，土样的含水率增量越小，含水率增量的减小导致了初始含水率较高情况下的线膨胀率较小。

膨胀土的膨胀变形是由晶格间的扩张、聚集体间的双电层作用及吸力势解除综合作用的结果，前期膨胀土膨胀的速度较快，主要是由于晶格间的扩张起主要作用，膨胀性能得到了较好的发挥。将土样在初始含水率状态下增湿至饱和时的线膨胀率与增湿至任意含水率时的线膨胀率差值定义换算线膨胀率，并记为式(1)。

(1)

将换算线膨胀率与含水率的关系列于图3。

图3 换算线膨胀率与含水率关系Fig.3 Relationship between converted linear expansive ratio and moisture content

从图3易得，对于不同初始含水率的土样，随着含水率的增加，土样的换算含水率呈非线性减小，增湿前期减小较大，而后期减小较少。当增湿至25%含水率时，土样的换算线膨胀率接近于0，且基本保持不变，这表明25%的含水率是晶格内扩张的极限含水率，超过25%的含水率后对膨胀变形起主要作用的为聚集体间的膨胀，由初始含水率增加至25%的含水率时，土体的膨胀变形量较大。

图3中的虚线为10.0%，13.5%，16.5%，19.5%及22.5% 5种初始含水率下加水至土样饱和时的无荷线膨胀率的变化规律，初始含水率为10.0%，22.5%的线膨胀率按照规范试验方法获得，可见：

(1)土体增湿至任意状态下的换算线膨胀率均小于相同初始状态的最大线膨胀率，这主要是由于膨胀土土体的最大线膨胀率受到多个因素的影响，而随着含水率增量的增大，晶格间扩张作用的影响逐渐减小，至25%含水率拐点后含水率的增加对晶格间的扩张作用的影响极小。

(2)随着初始含水率的增大，土体浸水饱和后的线膨胀率也呈线性减小。这一结论与其他学者的研究基本一致，这主要是由于膨胀试验所采用的初始含水率均<25%。

3.2 不同初始含水率下的膨胀力分析

将“等同”试样在13.5%，16.5%及19.5% 3种初始含水率下，进行不同增湿量的膨胀力试验后的膨胀力与含水率的关系列于图4。

从图4可见，对于相同初始含水率的土样，土样的膨胀力随含水率的增加逐渐增加，曲线的增加呈2段，前段增长较快，当土体的含水率增加至25%左右时，继续增加含水率对膨胀力变化的影响不明显。造成这一现象的主要原因为：土体的膨胀是由晶格间的膨胀及聚集体之间膨胀引起，单位含水率变化造成的晶格膨胀较大，而对集聚体之间的膨胀影响较小。膨胀力是由于荷载对2种膨胀变形的约束造成，相应于土体膨胀的2个阶段，膨胀力变化也必然分为2个阶段，前半阶段主要约束土体晶格间的膨胀，因此，土体的膨胀力增长较快。

对于不同初始含水率的膨胀土土样来说，初始含水率越大，膨胀力越小，这主要是由于在较高的初始含水率下，土体达饱和时的增湿量较小。文献[8]和文献[9]采用膨胀反压法进行试验得出土体的膨胀力与初始含水率无关，这可能是由于两者的试验方法不同造成。

(2)

式中：Psmax为干密度ρ0的土样在w0状态下增湿至饱和时的膨胀力(kPa)；Psi为干密度ρ0的土样在w0状态下增湿至过程含水率wd时的膨胀力(kPa)。

图5 换算膨胀力与含水率关系Fig.5 Relationship between converted swelling force and moisture content

图5为换算膨胀力与土体含水率之间的关系，图中虚线为在10.0%，13.5%，16.5%，19.5%及22.5% 5种初始含水率下加水至土样饱和时的膨胀力的变化规律，初始含水率为10.0%，22.5%的膨胀力按照规范试验方法获得。由图5可知对于相同初始含水率的膨胀土而言，土体的膨胀力均大于换算膨胀力，主要是由于造成土体产生膨胀力的因素较多，最大膨胀力包括了影响膨胀力变化的所有因素。

对比图5及图3可知，除初始含水率为19.5%土样的换算膨胀力外，其余各换算膨胀量均在25%的含水率附近产生转点，这表明对于本文试验土样来说，晶格间膨胀的极限含水率为25%。从初始含水率增湿至含水率25%时，土体的线膨胀率及膨胀力均存在较大的增长，此阶段土体的膨胀性能主要由晶格间的扩张决定。含水率>25%时，含水率的增加对土体膨胀性能的影响不明显。而对于初始含水率为19.5%土样的换算线膨胀率产生差异最可能的原因为在此初始含水率下试验过程没有增湿至25%左右含水率的试验土样。

4 膨胀土路堤的含水率变化分析

根据文献[4]的监测结果，土体表面30 cm深度为受大气影响较大的区域，在此区域内土体与环境的湿热交换明显。根据这一监测结论，结合工程包边的厚度一般在2 m以上,因此，用于路堤填芯素膨胀土含水率变化较小，最大含水率稳定于平衡含水率附近。

可见，用于路堤填芯膨胀土的含水率变化处于填筑含水率与土体的塑限附近。因此,对用于路堤填筑膨胀土的施工含水率及平衡含水率进行分析，研究路堤填筑中膨胀土的含水率变化区间，对于分析土体路堤填筑中的变形具有十分重要的意义。

4.1 膨胀土的平衡含水率

路堤破坏主要由于在温度及降雨作用下，内部的含水率发生变化，从而导致膨胀土路堤的破坏，路堤内部与大气进行的湿热交换使得路堤土体的工程性质不断变化，经过一定的时间(6～8 a) 后，土体的含水率逐步达到稳定状态。文献[10]对广西等省10种不同膨胀土的平衡含水率进行研究，研究结论显示达到稳定后的平衡含水率与土体的塑限基本一致(不计地下水作用)。为验证这一结论，笔者截取了相关文献[4，11-12]中位于路堤不同位置、不同路段的47种土样进行平衡含水率分析，结果如图6所示。

图6 不同土样的平衡含水率与塑限关系Fig.6 Relationship between equilibrium moisture content and plastic limit of specimens

由图6可以看出，47种膨胀土土样的平衡含水率与塑限的比值基本围绕1上下波动，表明膨胀土土样的平衡含水率与土样的塑限近似一致，与膨胀土土样的膨胀性能及取土位置关系不大(可见上覆压力对土体的平衡含水率影响不大)，验证了文献[9]的研究结论。

4.2 膨胀土路堤的施工含水率

路堤施工技术规范规定采用干法重型击实所测得的最大含水率作为路堤的压实含水率，但采用干法重型击实的最优含水率时存在以下几方面问题：

(1)膨胀土的最优含水率常处于15%～20%之间，但开挖土体的含水率常处于25%～30%,甚至更高，将弱膨胀土用于路堤填筑时含水率降低的幅度较大，需要的时间较长。

(2)采用干法重型击实的最优含水率进行路堤施工时的含水率偏小，土体增湿至平衡含水率时的变形量较大，强度衰减较大。鉴于此，近些年来，学者们提出了不同的膨胀土施工含水率确定方法，实际施工含水率处于干法击实的含水率与土体的塑限之间，一般比干法重型击实的最优含水率大3%～6%。

结合对膨胀土平衡含水率及施工含水率的分析可见，施工含水率及平衡含水率均为一确定值,可见上覆压力对路堤填筑的含水率变化区间影响不大,采用无荷膨胀量试验方法确定的含水率变化区间可以模拟路堤内部土体的含水率变化。

4.3 施工含水率变化对膨胀量影响

为进一步研究填筑含水率对膨胀土膨胀量的影响，考虑到用于路堤填芯膨胀土的最终平衡含水率在25%左右，将25%含水率以下土样的增湿变形特性进行研究，并将拟合结果列于图7。

图7 含水率增量对线膨胀率增量和膨胀力增量的影响Fig.7 Influences of moisture content increment on theincrements of linear expansive ratio and swelling force

由图7可见，土体的含水率在25%以下时，膨胀变形量(线膨胀率及膨胀力)增量与含水率增量表现出明显的线性相关性，再次表明当土体的含水率<25%时，含水率的变化对土体膨胀变形量的影响非常大。

因此，对于将膨胀土用于路堤填筑来说，在满足强度的前提下，适当增加施工含水率对于土体膨胀变形量减小的影响十分明显。结合现行研究中常采用的几种施工含水率，将土体的含水率增大3%～6%时，与采用干法重型击实的最优含水率进行施工时的膨胀变形量相比，土体的线膨胀率及膨胀力分别减小50%～60%及30%～55%。

结合上文的研究结论，用于路堤填芯素膨胀土的含水率变化范围较小，但对路堤的变形影响极大，在满足路堤强度要求的前提下，适当增加土体的施工含水率对于减小土体的膨胀变形作用非常明显。

5 结 论

通过对胥河某边坡弱膨胀土进行“等同”试样不同增湿量的增湿变形试验，结合工程包边法路堤的填筑内部的含水率分布，得出以下几点结论：

(1)弱膨胀土的膨胀变形量与初始含水率密切相关，初始含水率越小，土体的膨胀变形量越大。

(2)含水率的变化对弱膨胀土膨胀变形量的影响存在极限值，通过对3种初始含水率不同增湿量的线膨胀率及膨胀力研究得出含水率对试验用土膨胀变形量的影响的极限值为25%。

(3)对工程包边法路堤内部的含水率变化进行分析，得出用于工程包边法路堤填芯弱膨胀土的含水率变化处于对膨胀土膨胀变形量影响极大的含水率变化区间，在满足路堤强度要求的前提下，适当增加土体的施工含水率对于减小土体的膨胀变形量作用非常明显。