南宁灰白重塑膨胀土三向膨胀室内试验研究

谭 波,徐 良,李亚奇

(1.桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室,桂林 541004；2.桂林理工大学土木与建筑工程学院,桂林 541004)

膨胀土边坡失稳分析有别于一般黏土[1-2],其特点是不能仅从滑体强度不足来考虑。包承纲[3]、程展林等[4]通过室内试验和模型试验,认为膨胀土吸水膨胀造成坡体内水平应力增加从而使得坡体有更大的下滑趋势。目前对于膨胀土胀缩特性的研究大多开展一维固结条件下的试验,获得的是一维有侧限的竖向胀缩规律[5-8],适用于地基工程分析,而对于具有临空面的坡体变形分析则无法提供侧向膨胀规律,且研究表明,膨胀土横、竖向膨胀规律差异明显。

通过改进原有的仪器或研制新仪器,中外专家学者开展了膨胀土三向胀缩试验[9-12]。刘祖德等[13]最早采用改装后的应力控制式三轴仪进行了不同压力条件下三向膨胀试验。Avsar等[14]研制了一种针对圆柱形试样的三向膨胀仪,探讨了安哥拉膨胀土的膨胀各向异性。张锐等[15]以常规单轴固结仪为基础,研制了用来测侧向膨胀力的试验装置。研究了广西隆百高速公路附近膨胀土侧向膨胀力及其对重力式挡墙的作用。以上试验所采用的是非立方体试样,实际上是开展了两向膨胀试验。张颖均[16]最早研制出了针对立方体膨胀土试样的三向胀缩仪,发现原状土的水平膨胀力与竖向膨胀力的平均比值是0.49,而击实土的竖直膨胀力与水平向膨胀力平均比值约为0.65；之后,谢云等[17]、秦冰等[18]也改进了该仪器,并扩大了其膨胀力的量测范围,进行了一系列不同初始吸力和不同干密度的三向膨胀力试验。但该仪器测力等压梁施加力的大小会随着膨胀土的变形而变化,从而不能稳定的测力,需要在过程中不断地调整。王海龙等[11]采用自制的岩土三向膨胀力测量仪进行试验,但该装置施加三向荷载的大小无法控制,故也存在一定的局限性；池泽成等[19]采用中科院武汉岩土所研制的三向胀缩仪。研究了合肥重塑膨胀土,获得了不同初始含水率与干密度的三向膨胀力。

在前人的基础上,研制了针对立方体的三向胀缩仪。以广西南宁灰白膨胀土为研究对象,开展了不同条件下的三向膨胀率和膨胀力试验,揭示了干密度、初始含水率和外部荷载对于膨胀率和膨胀力的影响规律,以期为膨胀土边坡分析提供理论参考。

1 试验方法

1.1 三向胀缩仪

在前人的基础上,研制了膨胀土三向胀缩仪。该仪器是一种可以对正方体土样(制样尺寸为2.5 cm×2.5 cm×2.5 cm)施加三向荷载,并能够测试三向胀缩变形和三向膨胀力的装置(图1)。仪器通过堆载盘、传导装置与施压板施加三向荷载,3个百分表测试膨胀变形,3个测力环测试膨胀力,采用竖向滴水的方式进行增湿。

1.2 土样和制样方法

所取南宁灰白膨胀土位于南宁在建的城市道路渠道边坡处,处于地面以下3～5 m。南宁灰白膨胀土的主要物理指标见表1。根据中国现有的判别方法,该膨胀土为中等膨胀势。

表1 南宁灰白膨胀土主要物理指标Table 1 Main physical indexes of Nanning gray white expansive soil

取一定量的土样,锤碎后过0.5 mm的筛进行筛分,放置于105 ℃的烘箱中烘至8 h以上,根据试验要求配置出不同含水率的土样,并且装入塑料袋闷置24 h,之后取塑料袋中3个不同位置处的土样测其含水率,要求误差不超过2%[20]。采用重塑土制备器制样，如图2(a)、图2(b)所示,该仪器通过底座平台和成土框成土；通过自由下落的4 kg重锤施力从而使土能够分3层压实；直接旋转螺栓可使螺杆顶着推土板从而推出取得土样。制成的土样6个面表面均平整无破损,且长度误差不超过0.2 mm,则为满足要求的试样。制好土样如图2(c)所示。

1为水平挡板；2为集水底座；3为施压板；4为传压框；5为水平导轨；6为滑轮；7为百分表；8为量力环；9为吊钩；10为堆载盘；11为工作平台；12为旋转螺栓；13为储水容器；14为支撑架；15为输水管；16为阀门；17为滴水板；18为透水石；19为尼龙绳图1 三向胀缩仪结构Fig.1 Three-way expansion instrument

1为底座平台；2为成土框等装置；3为重锤；4为击实小锤；5为导杆；6为导杆固定框；7为旋转螺栓；8为螺杆；9为土样尺寸控制器；10为推土板图2 重塑土制备器及重塑土试样示意图Fig.2 Schematic diagram of remolded soil preparation device and remolded soil sample

1.3 试验方案

1.3.1 无荷三向膨胀率试验

试验三向荷载为0,测试膨胀土的三向自由膨胀数据。

(1)初始含水率不变,干密度改变的膨胀率试验。土样初始含水率为13.55%,采用自制的膨胀土三向胀缩仪通过不同的击实工配置出1.65、1.70、1.75、1.80 g/cm34个不同干密度的土样。探究不同干密度与膨胀率的关系以及不同干密度与横竖向膨胀率的关系。

(2)干密度不变,初始含水率改变的膨胀率试验。土样干密度为1.70 g/cm3,配制出11.10%、13.55%、16.55%、18.70% 4个不同含水率的土样。探究初始含水率与膨胀率的关系以及不同初始含水率与横竖向膨胀率的关系。

1.3.2 一向加荷膨胀率试验

试验采用两向荷载为0,一向变压的施荷方式。施荷的方式为:在竖向施加荷载,其余方向荷载为0,荷载等级为5、30、55、80 kPa。测试得到三向膨胀率,分析单向荷载对于三向膨胀率的影响规律。

1.3.3 三向等压膨胀力试验

采用平衡加压法测试三向膨胀力,先通过量力环施加5 kPa的初始压力使试样与压力板完全接触,然后对试样滴水增湿使其膨胀,整个试验过程中不断调整3个方向量力环后的旋钮以施加反力压缩试样使其3个方向的膨胀量始终为0,当试样吸水不再发生膨胀时,此时量力环的读数即为膨胀力大小。

(1)初始含水率不变,干密度改变的膨胀力试验。土样初始含水率为15.40%,采用自制的膨胀土三向胀缩仪通过不同的击实次数制成1.65、1.70、1.75、1.80 g/cm34个不同干密度的土样。探究不同干密度与三向膨胀力的关系以及不同干密度与横竖向膨胀力之比的关系。

(2)干密度不变,初始含水率改变的膨胀力试验。土样干密度为1.70g/cm3,制成11.10%、13.55%、16.55%、18.70% 4个不同含水率的土样。探究初始含水率与膨胀率的关系以及不同初始含水率与横竖向膨胀力的关系。

1.3.4 控制横向变形的横向膨胀力试验

本次试验制作一组试样,初始含水率为10.6%,初始干密度为1.75 g/cm3,整个试验过程通过调整3个方向量力环后的旋钮以施加反力,使得所有试样竖向膨胀量始终为0,每个试样水平两方向控制其膨胀变形分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%…6.0%,测试各试样在控制横向变形下的横向膨胀力。

2 三向膨胀率试验结果

2.1 初始干密度对三向膨胀率的影响

由表2数据绘出在相同初始含水率条件下三向膨胀率与干密度的关系(图3)。可以看出:①干密度一定时,两个水平向膨胀率基本相同,且竖向膨胀率比水平向膨胀率大；②初始含水率相同时,干密度越大,膨胀土三向膨胀率越大,且呈现较好的线性关系，回归线性式见式(1)。同时由表2数据可以绘出横竖向膨胀率之比与干密度的关系(图4)。可以看出，干密度越大,横、竖向膨胀率之比越趋近于1。可解释为:由于试样采用分层击实法成型,击样过程中,对土颗粒水平向和竖直向的作用力不一样,故颗粒在横、竖向排列的紧密程度存在差异,这可能是造成膨胀土横、竖向膨胀差异的原因。且干密度越大,颗粒排列紧密程度越趋同。该结论对于膨胀土填土路堤的膨胀变形差异分析有一定的参考价值。

图3 干密度与三向膨胀率的关系曲线Fig.3 Relationship curve between dry density and three-dimensional expansion rate

图4 干密度与横、竖向膨胀率之比的关系曲线Fig.4 Relationship curve between dry density and horizontal and vertical expansion ratio

表2 不同干密度与三向膨胀率的关系Table 2 Relationship between different dry density and three-way expansion rate

δOi=aρd+b

(1)

式(1)中:a、b为参数;ρd为初始干密度;δOi为三向膨胀率。

2.2 初始含水率对三向膨胀率的影响

依据表3中数据可以绘出在相同初始干密度条件下的三向膨胀率与初始含水率的关系曲线(图5)。可以看出:干密度相同时,三向膨胀率随初始含水率的增大而减小,且三向膨胀率与初始含水率之间具有良好的线性关系。回归线性式见式(2)。这是因为试样初始含水率越大,其达到极限膨胀后所吸收的水量越少,致使最终膨胀率越小。同时由表3中数据可以绘出横、竖向膨胀率之比与含水率的关系(图6)。可以看出，干密度相同时,横、竖向膨胀率之比随着初始含水率的增大而增大。

图6 横、竖向膨胀率之比与初始含水率的关系曲线Fig.6 Relationship curve of the ratio of horizontal vertical expansion to rate water content

表3 不同干密度与三向膨胀率的关系Table 3 Relationship between different dry density and three-way expansion rate

图5 含水率与三向膨胀率的关系曲线Fig.5 Relationship curve between water content and three-way expansion rate

δOi=mW+n

(2)

式(2)中:m、n为参数;W为初始含水率。

2.3 外部荷载对三向膨胀率的影响

由表4中数据可以绘出三向膨胀率随外加荷载变化的关系曲线(图7),可以看出,三向膨胀率均与外部荷载呈现出良好的线性对数关系。该结论与固结仪的单向膨胀试验规律相类似[21-24]。线性对数式见式(3)。外部荷载对于膨胀土吸水膨胀的抑制作用表现为:一方面,土中有效应力相应增大,土颗粒表面的结合水膜变薄,从而阻碍了土中水分的增加；另一方面,土体吸水软化后外部荷载将对试样产生压缩。因此,试样在外荷抑制吸水膨胀和压缩的综合作用下随荷载的增加,三向膨胀率减小。

表4 不同上覆荷载下三向膨胀率Table 4 Three-way expansion rate under different overlying loads

图7 三向膨胀率与外加荷载的关系曲线Fig.7 Relationship curve between three-way expansion rate and external load

δOi=ulnP+v

(3)

式(3)中:u、v为参数；P为外部荷载。

3 三向膨胀力试验结果

3.1 初始干密度对三向膨胀力的影响

由表5中数据绘出在相同初始含水率条件下三向膨胀力与干密度的关系(图8)。可以看出:①干密度一定时,两个水平向膨胀力基本相同,且竖向膨胀力比水平向膨胀力大；②初始含水率相同时,干密度越大,膨胀土三向膨胀力越大。同时由表5数据可以绘出横、竖向膨胀力之比与干密度的关系(图9)。试验规律与三向膨胀率规律相同,与池泽成[18]对于合肥膨胀土试验研究结果基本一致。

表5 不同干密度与三向膨胀力的关系Table 5 Relationship between different dry density and three-dimensional expansion force

图8 三向膨胀力随干密度的变化曲线Fig.8 Change curve of three-way expansion force with dry density

图9 横、竖向膨胀力之比与干密度的关系曲线Fig.9 Relationship curve between ratio of horizontal and vertical expansion forces and dry density

3.2 初始含水率对三向膨胀力的影响

由表6中数据绘出在相同初始干密度条件下三向膨胀力与初始含水率的关系曲线(图10)。可以看出:在相同初始干密度条件下三向膨胀力随初始含水率的增大而减小；三向膨胀力与初始含水率之间具有良好的线性关系。回归线性式见式(4)。试验规律与三向膨胀率规律相同。

表6 不同初始含水率与三向膨胀力的关系Table 6 Relationship between different initial water content and three-dimensional expansion force

图10 三向膨胀力随初始含水率的变化曲线Fig.10 Change curve of three-way expansion force with initial moisture content

POi=gW+h

(4)

式(4)中:g、h为参数。

3.3 控制横向变形的横向膨胀力试验

由表7绘出横向膨胀力随控制横向膨胀率变化的关系曲线(图11)可以看出,横向膨胀力与控制横向膨胀率呈现出良好的指数关系,指数关系式见式(5)。膨胀土横向膨胀力随着控制横向膨胀率增大而大幅减小,当允许试样横向膨胀6%,其膨胀力将降为原来的1/5。这与张锐等[15]在广西百色膨胀土侧向膨胀力随上覆荷载的变化规律一致。从而可以考虑,实际工程中,在修建膨胀土地区的隧道、涵洞、挡墙等结构物时,可以使用可压缩的回填料作为膨胀土与支挡结构之间的缓冲层,允许膨胀土吸水后发生一定的变形,从而可以有效降低横向向膨胀力,以减少膨胀土对于结构物的破坏作用。

图11 横向膨胀力与控制横向膨胀率关系曲线Fig.11 Relationship curve between lateral expansion force and released lateral expansion rate

表7 控制横向变形的横向膨胀力Table 7 Lateral expansion force to control lateral deformation

P=cedδ

(5)

式(5)中:c、d为参数；δ为膨胀率；P为横向变形力。

4 结论

利用三向胀缩仪对南宁灰白重塑膨胀土的胀缩特性进行了研究,通过上述试验和分析,可以得出以下结论。

(1)在相同初始干密度条件下,三向膨胀率和膨胀力均表现为:两个水平方向基本一致,竖向大于水平方向；均随初始含水率的增大而减小,且具有良好的线性关系。因此,在使用膨胀土填筑路堤时,要适当增加含水率,以减小膨胀土膨胀潜势。

(2)在相同初始含水率条件下,三向膨胀率和膨胀力均表现为:两个水平方向基本一致,竖向大于水平方向；均随初始干密度的增大而增大横、竖向比值均随干密度的增大越趋近于1。该规律可解释为:由于试样采用分层击实法成型,击样过程中,对土颗粒水平向和竖直向的作用力不一样,故颗粒在横、竖向排列的紧密程度存在差异,竖向大于横向,而干密度越大,颗粒横、竖向排列紧密程度越趋同。

(3)外部荷载对三向膨胀率的影响试验表明，三向膨胀率均与三向荷载呈对数线性关系,荷载对膨胀具有抑制作用,主要原因是,荷载对土体吸水量的抑制作用和对土体吸水软化后的压缩作用,该试验规律与固结仪上的单向膨胀试验规律类似。

(4)控制横向变形的横向膨胀力试验表明，横向膨胀力与控制横向膨胀率呈良好的指数关系,横向膨胀力随着控制横向膨胀率增大而大幅减小。在实际工程中,允许膨胀土有一定量的横向膨胀变形,可以有效降低横向膨胀力,以减少膨胀土对于结构物的破坏作用。