贵广高铁某区域大桥桥墩下覆岩土体膨胀特性研究

朱海峰, 李 林, 王金淑, 吴 光, 姜永杰

(西南交通大学, 四川成都 611756)

新建贵广高铁，自2010年起，通过对某区域大桥桥墩的监测数据显示(图1)，桥墩在夏季多雨季节会出现异常抬升，夏季过后桥墩又会发生明显的沉降，超出了高铁设计规范，这种现象使得高铁经过该区域时要降速，这不仅增加了运营成本还影响了铁路的行车安全，经研究发现这种现象是由于桥墩下覆膨胀岩土造成的。

膨胀岩土是一种特殊岩土，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等不良特性，性质极不稳定。因此开展对膨胀岩土的研究对铁路工程具有重要意义。

图1 桥墩沉降监测

1.1 岩土膨胀特性研究现状

2013年，欧孝夺[1]等人以重塑样为研究对象，分别对他们进行不同变形量的膨胀力试验，从而得到规律，判断出主要影响因子。

2013年，QY Fan[2]等人研究了在不同含水率下，岩样膨胀变形与蠕变的耦合规律。

2015年，Vergara[3]等人主要研究了膨胀岩膨胀力的影响因素，主要通过了膨胀岩试验装置获得的结果，进行比较。

2016年，H Zhou[4]提出了通过控制各向异性应力来控制椭圆腔膨胀的理论。

2017年，鲍硕超[5]等人对研究区膨胀土采取了宏观和微观相结合的研究方式，根据实验结果得到了孔隙分布模型，得到了膨胀土的孔隙分布和膨胀特性的强弱有直接关系。

于琳茗[6]等人和郭永春[7]等人都通过土体吸水膨胀，得到土体初始含水率和膨胀力之间的关系规律。

江凯[8]分析了委内瑞拉北部铁路膨胀土的膨胀特性。薛新华[9]等针对膨胀土的改良进行了室内试验研究，说明掺加水泥对改善崩解性效果较好。

1.2 膨胀仪研究现状

1992年，袁聚云[10]等人研制了一套新型仪器—三轴仪，该套仪器受到的干扰较小，适用性强，操作简单，并详细介绍了试验的一些规程和方法。

2003年，崔凤娥[11]等人通过对膨胀仪内部结构的调试，将其控制系统进行升级，能更好的研究温度的改变对岩样膨胀变形的影响，使膨胀数据更加灵敏。

2008年，罗爱忠[12]改进了一套三轴仪，通过对不同物理性能状态下重塑土的试验，得到了不同的变化规律。

2008年，Simon[13]采用膨胀仪进行了不排水膨胀性能试验研究，并针对试验结果对经验公式进行了验证。

2009年，邵生俊[14]等人研发了一套新兴的三轴仪，该仪器最大的特别之处在于真正的实现了三个方向加压的独立性，互不干预。

1.3 小结

岩土的膨胀特性国内外学者有很多研究，对于测试岩土体膨胀应力应变的仪器也很多，但每种仪器都有适用性。针对贵广高铁某区域大桥下覆岩土体的试验需要一种不仅能准确得到膨胀岩土的变形特征和膨胀力学性质，还能够模拟岩土样真实受力状态的仪器，通过得到的桥基覆盖层下膨胀岩土的变形特征和膨胀力学性质，为膨胀岩土的研究和今后该地区的勘察设计提供帮助。

2 膨胀仪试验装置

2.1 膨胀仪的研究背景与意义

目前膨胀力学性质的研究主要通过室内试验完成，然而膨胀力学试验仪器市场上种类很少，主要以动三轴仪(图2)和高压固结仪为主，且不具有规范性和针对性。由于大桥下覆岩体的膨胀性能和特殊性，这两个仪器难以满足本文试验要求(动三轴仪的研究对象以土体为主，高压固结仪难以满足模拟桥墩下覆岩土体的受力情况)。针对上述困难，本论文组根据实际情况及项目需求，自主研发了一套符合实际操作的一套PZY-1膨胀仪(图3)，通过仪器，能有效的测出膨胀岩土在吸水膨胀过程中的一些参数，如任意时刻的含水率和膨胀力以及吸水量等。该套仪器能够真实的模拟岩样在受到荷载和渗透水压的作用下的变形情况，并且该装置测出的准确性高，误差小。

PZY-1膨胀仪主体部分主要由3个装置构成(图4)。

图2 动三轴仪

图3 PZY-1膨胀仪构造

图4 PZY-1膨胀仪装置

2.2 膨胀仪装置

2.2.1 装载室

钻孔取样获得的岩样为圆柱形，为了方便制样，采取圆柱形护筒作为试验装置。根据试验要求，选取了护筒尺寸直径为(50+2) mm,高度选取100 mm(图5)。

图5 装载护筒

2.2.2 压力装置

该压力装置和三轴仪的不同之处在于三轴仪是通过在计算机输入，然后系统自动加压，属于数字化加压。而此装置为人工加压，加压系统的来源是氮气瓶。

2.2.3 膨胀应力与吸水量测装置

变形测量装置主要是由形变千分表、承压筒、桶盖连接处的活塞以及活塞上的移动杆组成(图6)。产生的膨胀变形，会通过千分表上数字采集信号传递到计算机上， 可以实时监控岩样的膨胀变形情况。

图6 膨胀应力装置

吸水量测主要由100 ml储水瓶，长颈玻璃管(带有刻度)以及录像机组成。

2.2.4 数据采集系统

该装置主要是由压力传感器(图7)、形变千分表、计算机组成。操作界面主要显示了轴压、内压以及位移的变化曲线(图8)，为了方便查看曲线变化规律，该系统还有可以调节坐标范围等优点(图9)。

图7 传感器

图8 参数收集

图9 参数调节

2.2.5 恒温系统

恒温系统主要是由恒温箱构成，它的操作原理类似于内置小空调。根据试验要求，可以自行设置温度。这个装置有效的降低了温度对试验的影响，确保在试验过程中有一个相对稳定的气压值(图10)。

图10 恒温箱

该装置下方由可控开关、调节冷热装置以及LED灯光组成。

2.2.6 抽真空系统

该系统主要是由真空泵、干燥剂和卸压阀组成。当试验开始前，将真空泵安装在泄压阀上，进行抽真空试验，该目的是防止装置内的气体对试验造成的误差，以及保证装置的密闭性。

3 膨胀试验

膨胀试验主要包含在PZY-1膨胀仪装置下进行的膨胀变形试验、平衡膨胀力试验。除了获得岩样的膨胀力以及位移外，还获得了吸水量与体积变化的关系以及干密度、初始含水率对试验结果的影响。

3.1 膨胀变形试验

实验设备主要为PZY-1型膨胀仪、带有数据采集系统的千分表(量程10 mm,分度值0.001 mm)、电子天平、透水石、石英砂、氮气瓶等。

其试验操作步骤主要为：制样、仪器的安装、查漏、抽真空、试验开始、数据采集，试验结果处理。

3.1.1 试验结果

3.1.1.1 时间与位移关系

将所得到的试验结果绘制成时间—位移关系曲线，如图11所示。

图11 时间—位移曲线

从曲线关系可以看出，岩样变化主要经过了6个过程：(1)加速压缩阶段：在抽真空基础下，岩样在轴压作用下加速压缩；(2)压缩缓慢：经过了加速压缩，岩样压缩速率降低；(3)压缩稳定：岩样基本压缩到最大值，基本稳定；(4)加速膨胀阶段：该阶段岩样在遇水时产生快速膨胀；(5)膨胀缓慢：在此阶段，岩样经过了前面的加速膨胀，膨胀只能降低，膨胀速率减小；(6)膨胀稳定：经过了前面两个阶段，该阶段岩体大致饱和，膨胀趋于稳定。

3.1.1.2 时间与吸水量之间的关系

在试验过程中不仅获得了时间-位移间的关系还获得了时间-水量之间的关系,吸水量的确定通过量筒示数采集获得，下表1为部分原始数据，并根据此数据绘制了时间-吸水量曲线，如图12所示。

从上图中看出岩样膨胀过程的吸水量也是先快速吸收然后缓慢最后趋于稳定，这个结论从侧面反映了岩样膨胀的三个过程。

通过试验数据分析，还可以得到在实验过程中岩样的吸

初始高度 61.78mm 初始含水率 4%

初始直径 52mm 初始干密度 1.83

表1 时间-吸水量关系

图12 时间—吸水量曲线

水量和体积的变化值，对变化值进行对比，绘制如下吸水量与体积变化曲线，如图13、图14所示。

图13 ω0=4%吸水量和体积变化曲线

图14 ω0=10%吸水量和体积变化曲线

从试验曲线可以看出：(1)ω0=4%的吸水量高于ω0=10%。(2)岩样在实验过程中的吸水体积和增长的体积都是快速增长—增长缓慢—趋于平稳。但是岩样吸水体积总是大于体积膨胀量，这是因为当试验进行一段时间后，岩样膨胀潜势下降，此时有少量水和岩体发生膨胀作用变成结合水，还有部分水以自由水的形式存在于岩样的孔隙中。

本文还研究了针对不同含水率，不同干密度的土样，在不同荷载作用下的膨胀应变曲线，发现其中的规律。本次实验选取初始含水率为5 %和20 %，干密度为1.7 g/cm3,以及初始含水率为20 %，干密度为1.85的岩样在膨胀仪内进行竖向应力与膨胀应变关系试验，试验结果如图15～图17所示，并根据此数据得到不同含水率、干密度下轴向应力与膨胀应变的变化曲线，如图18、图19所示。

图15 w=5%,pd=1.7g/cm3应力应变

图16 w=20%,pd=1.7g/cm3应力应变

图17 w=20%,pd=1.85g/cm3应力应变

图18 不同含水率下轴向应力与膨胀应变曲线

图19 不同干密度下轴向应力与膨胀应变曲线

从图18、图19中可以看出，随着轴向应力的增加，膨胀应变以指数型减小。当轴向应力达到400 kPa时，此时含水率和干密度对岩样的影响变化不大。

相同干密度下，初始含水率越大对应的膨胀应变越小。相同含水率下，干密度越大对应的膨胀应变越大。

3.2 平衡膨胀力试验

PZY-1膨胀仪测平衡膨胀力采用的试验方式是通过加压使千分表示数不变的方法—加压平衡。其试验操作步骤主要为：制样、仪器的安装、查漏、抽真空、试验开始、加载、数据采集、试验结果处理。

实验结果。将制好的初始含水率分别为5 %、12 %、20 %、25 %，干密度为1.68 g/cm3的18组试样进行平衡膨胀力试验。通过相同干密度，不同初始含水率的试验，可以得到膨胀力随着初始含水率的变化规律.，如图20所示。

图20 初始含水率—膨胀力曲线

从图20拟合曲线中可以看出相同干密度下，随着初始含水率的增加，岩样的膨胀力也随着减小，二者呈现负相关关系。

前面验证了相同干密度，不同含水率对膨胀力的变化规律。接下来本文又进行了24组关于在相同初始含水率情况下，不同的干密度对膨胀力的变化关系。本文选取了初始含水率分别为5 %、20 %、25 %三组试验，将实验结果绘制如下关系曲线，如图21～图23所示。

图21 w=5%干密度—膨胀力曲线

图22 w=20%干密度—膨胀力曲线

图23 w=25%干密度—膨胀力曲线

从图21～图23可以看出在相同初始含水率的情况下，膨胀力随着干密度的增大而增大，变化趋势以指数型增长。其中三张图的R2均大于0.95，拟合度较高，为了更好的比较初始含水率干密度对膨胀力的影响，将三种曲线拟合到一张图中，如图24所示。

图24 不同初始含水率干密度—膨胀力曲线

从图24三种拟合曲线中可以得到：(1)在同一干密度下，初始含水率越大膨胀力越小。(2)在同一初始含水率下，膨胀力随干密度的增大而增大，并且初始含水率越小的，膨胀力的变化趋势越大。

传统平衡膨胀力通过试验获得施加的荷载，然后在通过公式计算得到岩样的膨胀应力，这个过程比较繁琐，比较容易出现误差。而PZY-1膨胀仪可以直接测得岩样的膨胀力，不需要通过计算，准确性比较高。

4 结论

通过本文对桥墩下覆膨胀岩土的试验研究，得到如下结论：

(1)从仪器的研制目的及后期的调试，该PZY-1膨胀仪可用于进行如下试验研究：膨胀应力试验、膨胀变形试验、无荷膨胀力试验、蠕变试验等，该套仪器能够真实的模拟岩样在受到荷载和渗透水压的作用下的变形情况，能有效的测出膨胀岩土在吸水膨胀过程中的一些参数，如任意时刻的含水率和膨胀力以及吸水量等。并且该装置测出的准确性高、误差小、用途广泛。

(2)通过膨胀变形试验得到了时间和位移关系曲线，当岩样在压缩过程中，经历了三个阶段：加速压缩，压缩缓慢，压缩稳定。当岩样压缩后遇水膨胀也经历了三个阶段：加速膨胀，膨胀缓慢，膨胀稳定。

(3)膨胀变形试验发现吸水量大于岩样体积的变化量,这是因为一部分水和岩样发生反应形成结合水产生膨胀，而另一部分水以自由水的形式填充到岩样的孔隙中。

(4)随着轴向应力的增加，膨胀应变以指数型减小。当轴向应力达到400 kPa时，此时含水率和干密度对岩样膨胀的影响不大。相同干密度下，初始含水率越大对应的膨胀应变越小;相同含水率下，干密度越大对应的膨胀应变越大。

(5)通过平衡膨胀力试验得到：在同一干密度下，初始含水率越大膨胀力越小;在同一初始含水率下，膨胀力随干密度的增大而增大，并且初始含水率越小的，膨胀力的变化趋势越大。