膨胀土泥浆样K0固结压缩变形特性研究

赵立平，张德恒

（1江苏省有色金属华东地质勘查局，江苏 南京 211100；2南京工程学院建筑学院，江苏 南京 211167）

1 引言

膨胀土多形成于新生代第三纪至第四纪的晚更新世时期，在世界范围内的分布极广，遍及全球六大洲四十几个国家[1-2]。膨胀土具有多裂隙性、高压缩性、高塑性、吸水膨胀、失水干缩及水稳定性差等特性。因为膨胀土的工程特性每年造成的损失超过50亿美元[4]。

目前，高速公路建设中常见的膨胀土问题有沉陷、翻浆、塌陷及开裂等[5]。杨果林[6]通过室内模型试验发现膨胀土路基的侧向变形大于竖向变形，不同天气条件下膨胀土路基的变形规律不同。郑建龙等[7]根据一维有荷膨胀率的试验结果和膨胀土路基湿度平衡规律。龚文惠[8-9]结合一维固结试验及膨胀土路基沉降的特点，建立了膨胀土路基沉降模糊可靠度的数学分析模型。在膨胀土的微观结构分析上，国内外众多学者对膨胀土进行了压汞试验[10-13]，证明膨胀土的孔隙孔径和分布具有双峰性特征。徐永福等（1999）[14]对南京地区膨胀土进行压汞试验所得的膨胀土的孔隙分布特征，膨胀土的孔隙由集聚体之间的较大孔隙和集聚体内部的较小孔隙组成。由上述研究可以看出，目前膨胀土路基变形的研究成果主要建立在一维固结试验的基础上，但是这些方法的推广应用还需经过更广泛的工程检验。

为了探究膨胀土的孔隙分布特征对压缩变形特性的影响，对于饱和土采用泥浆样来模拟试样孔隙结构的变化。对于非饱和土，同一含水率条件下采用不同击实功来控制土体试样的孔隙率，模拟土体试样的孔隙分布特征。

2 膨胀土泥浆样的制备及试验过程

结合前人对膨胀土的研究成果，膨胀土由于矿物组成不同，其饱和含水量差异较大，因而针对本次试验所用膨胀土在泥浆样的制备过程中我们制备三组平行试样。膨胀土泥浆样的制备过程：①取足量膨胀土试样烘干、碾碎后过2mm筛，为避免试验用水与土体试样产生离子交换作用而影响土体的水力-力学特性，试验用水选取去离子水；②根据膨胀土质量计算膨胀土增湿至目标含水量所需的去离子水量，采用喷壶给膨胀土粉末加去离子水至目标含水量，用调土刀将试样充分拌和均匀成为泥浆样；③将调制成的泥浆样分层装入环刀，置于振动台上振动抹平后制备成高度为2cm，截面积为30cm2的饱和圆柱体试样，待测。

试验采用静止侧压力系数固结仪（见图1）进行测定，竖向位移的变化通过顶部的位移计进行测量，侧向压力的测定采用和固结仪相连的数据采集器进行量测，具体的试验过程如下：①将滤纸进行饱和后放置于上述制备好的膨胀土饱和泥浆样上下两面，然后将试样小心地压入固结仪，固结仪两端的透水石也要预先饱和；②将固结仪的侧向水压力大小调到和外部大气压值相等，将数据采集仪上侧向压力的数值置0；③施加竖向荷载至稳定状态，记录试样压缩变形稳定后产生的侧向应力数值和竖向位移；④上一级荷载作用下试样压缩稳定后，施加下一级荷载，直至试验结束，加载过程见表1。

图1 静止侧压力系数固结仪

膨胀土泥浆样压缩试验前物理性质指标及加载路径 表1

由于土样为泥浆样，属于完全未固结试样，模拟的是土体在沉积过程中未经历任何历史应力的极端情况，组成土体的矿物多呈片状平行排列，颗粒疏松，其孔隙结构均匀，孔隙比大。在很小的初始荷载作用下试样开始产生压缩变形，试样压缩后硬度增大，下一级荷载值也逐渐增大。试样上下两端均放置透水石，固结仪中充满脱气水，故而认定试样始终处于饱和状态。

3 试验结果分析

3.1 膨胀土泥浆样的试验结果分析

试验选取了3组膨胀土泥浆样进行压缩试验，试样编号记为 No.1、No.2、No.3，三组试样均进行了加载试验，No.2、No.3试样分别在不同荷载条件下进行卸载-再加载试验。三组泥浆样压缩试验前的物理性质指标和加载路径见表1，三组试样对应的加载压缩曲线见图2。No.2、No.3试样的回弹-再压缩部分曲线见图3。

图2 膨胀土泥浆样的加载压缩曲线

图3 No.2、No.3试样的回弹-再压缩部分曲线

从图2可以看出，三组膨胀土泥浆样的压缩曲线在压缩早期差距较大，随着竖向应力荷载的增大，当竖向压力大于100kPa时，三组试样的压缩曲线趋于一致。从图中还可以看出，当竖向应力增大至500kPa左右时，其压缩曲线的斜率变小，压缩曲线偏离原来的直线。在压缩前期，竖向应力小于500kPa时，膨胀土试样随着竖向荷载的增大，集聚体产生移动，集聚体之间的孔隙快速减少，土颗粒排列趋于致密，土体体积减小。随着竖向应力的进一步增大，当竖向压力大于500kPa时，集聚体间孔隙几乎消失，主要是集聚体内孔隙被压缩，这一阶段需要克服土颗粒之间的斥力，试样孔隙比减小变缓，土体压缩曲线变缓。

从图2还可以看出，三组膨胀土泥浆样的压缩曲线并没有出现明显的拐点，其屈服应力不明显，三组试样在施加较小竖向应力时，其试样孔隙比就出现了明显的减小，且试样初始含水率越高、初始孔隙比越大，孔隙比减小得越明显。这是由于泥浆样模拟的是土体在沉积过程中未经历任何历史压力的极端情况，其内部土颗粒多呈片状排列，土体结构松散，孔隙比大，压缩指数大，因此较小的竖向应力就会因此土体产生较大的变形。经计算，当竖向压力小于500kPa时，三组试样压缩指数分别为2.17、1.94和1.48，竖向压力大于500kPa时，三组试样的压缩指数约为0.84，其变化趋势和Marcial得到的KunigelV1钠基膨润土泥浆样的压缩曲线变化趋势一致。

从图3可知，NO.2和NO.3试样分别在300kPa和500kPa时卸载，其卸荷回弹和再压缩部分形成明显的回滞环，卸荷回弹指数分别为1.36和1.12，均小于土体试样的压缩指数。这是由于土体在卸荷回弹的过程中，土颗粒上覆荷载减小，土体颗粒吸水膨胀，土体在颗粒斥力和膨胀力的作用下产生竖向变形，土体体积增大，但是前期的荷载改变了土体的结构和土颗粒的空间排列特征，一部分集聚体之间的孔隙不可恢复，因此土体产生塑性应变，土体的回弹指数和再压缩指数均小于初始的压缩指数。从图3中可以看出，NO.3的回弹指数小于NO.2试样的回弹指数，一方面是由于NO.2试样竖向荷载卸荷至12.5kPa，此时土体的竖向荷载和试验用土的膨胀力相比很小，此时土体的膨胀性可以充分发挥，土体变形量大，而NO.3试样，卸荷的最小荷载为50kPa，对土体的膨胀变形具有限制作用。另一方面是由于NO.3试样卸荷时的竖向荷载较大，土体结构变化大，产生的塑性变形量大，其可恢复应变量相对比例较小。

在压缩过程中，我们通过和固结仪相连的数据采集器可以测得膨胀土泥浆样在每级竖向荷载下的侧向应力，通过数据分析可以得到土样静止侧压力和竖向应力的对应关系，见图4。

图4 膨胀土泥浆样侧向应力和竖向应力关系

由图4可知，本次试样所用膨胀土其泥浆样的静止侧压力和竖向应力呈良好的线性关系，且斜率和试样的初始状态无关。对三组泥浆样的静止侧压力和竖向应力的关系进行线性拟合，可得到三组试样的斜率在 0.63～0.68 之间，斜率即为NO.1～NO.3这三组试样的静止侧压力系数。通常我们假定黏土的静止侧压力系数为0.5，可见膨胀土的静止侧压力系数比普通黏土的大。为了对比不同种类的土在相同条件下压缩的静止侧压力系数差异，将周科等[15]测得的上海重塑黏土和孙文静[16]测得的KunigelV1钠基膨润土的静止侧压力和竖向应力的关系画到一张图上，见图5。

图5 膨胀土和上海黏土、钠基膨润土静止侧压力系数比较

从图5可以看出，此次试验所用膨胀土的静止侧压力系数介于一般黏土和钠基膨润土之间。周科[15]所测上海重塑黏土的静止侧压力系数约为0.52，孙文静[16]所测钠基膨润土的静止侧压力系数约为0.86，此次试验三组膨胀土泥浆样的静止侧压力系数平均值为0.65。这是由于在外界试验条件相近的情况下，纯钠基膨润土的压指数大于膨胀土的压缩指数，膨胀土的压缩指数大于一般普通黏土的压缩指数，而保水持水性方面，纯钠基膨润土的保水性最好，其次为膨胀土，一般黏土相对最差。在相同的竖向应力条件下，膨润土较易产生压缩变形，而土体中的水不易排出，因而其侧向应力较大，施加竖向荷载后变形稳定所需要的时间比普通黏土长得多。

4 结论

试验证明膨胀土泥浆样的静止侧压力和竖向应力呈良好的线性关系，且斜率和试样的初始状态无关，试样的静止侧压力系数在0.63～0.68；膨胀土的静止侧压力系数比普通黏土的大；膨胀土的压缩指数大于一般普通黏土的压缩指数;在相同的竖向应力条件下，膨胀土较易产生压缩变形，而土体中的水不易排出，因而其侧向应力较大，施加竖向荷载后变形稳定所需要的时间比普通黏土长得多。