湘西弱膨胀土的膨胀变形时程特性研究

屈祥

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

膨胀土具有失水收缩开裂、吸水膨胀软化等特性。膨胀土的变形主要是由内部膨胀矿物如蒙脱石、伊利石等所引起，膨胀矿物吸水时产生明显的双电层效应，矿物内部阳离子被水分子代替，晶体间距增大，颗粒间连接减弱，导致膨胀土产生变形。双电层效应的产生需要一定时间，因而膨胀土吸水变形不是一蹴而就，而是随时间增加逐渐产生的，膨胀土变形与时间的关系是研究膨胀土变形的重要工具之一。对此已有不少学者进行了研究，提出了相应模型，这些模型大多采用指定荷载的最终膨胀率和膨胀速率作为参数，研究膨胀土的变形和变形速率是进行模型预测的基础。湘西张家界—桑植高速公路高路堑膨胀土边坡，降雨后由于膨胀土的不均匀变形引起不同程度滑坡灾害，膨胀土的膨胀变形成为亟待解决的工程问题。该文开展不同初始含水率(8%～16%)下湘西膨胀土无荷载及有荷载膨胀试验，分析上覆荷载及含水率对膨胀土膨胀变形和膨胀速率的影响，采用负指数模型对膨胀土膨胀变形时程进行拟合，最后根据对数预测模型推导初始膨胀速率计算公式，并与归一化的应力比建立统一关系，为湘西地区膨胀土边坡变形控制提供参考。

1 试验材料及方法

试验所用膨胀土取自张家界—桑植高速公路高路堑边坡表层，土样多呈棕黄色，部分呈灰绿色，比重为2.65，自由膨胀率为43.6%，其他指标见表1。

表1 膨胀土试样的基本物理指标

将膨胀土中大块土通过碎土机碾碎，过1 mm筛，将所得细粒置于烘箱中烘干72 d，随后按照指定含水率配土(配制时将含水率增大0.5%)。配土完成后装袋密封静置48 h，重新测定材料的含水率，若含水率与目标含水率差值超过0.5%，则重新进行配土。将静置后的土样按照指定质量采用静压法进行碾压，速率为0.5 mm/min。碾压完成后采用环刀取样，试样高度为20 mm，直径为61.8 mm。将试样用保鲜膜包裹，装袋后静置3 d，待内部水分分布均匀后开始试验。根据现场取样结果，该边坡表层土样的孔隙比约为0.61，天然含水率为14%，饱和含水率为22.6%。在孔隙比为0.6的条件下开展8%、10%、12%、14%、16%含水率下膨胀试验，每个含水率设置上覆压力σv为1 kPa(代表无荷载膨胀，试验时在托盘上放置重量为10 g的砝码)、25 kPa、50 kPa、75 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。

2 试验结果及分析

2.1 膨胀变形随时间的变化

图1、图2分别为不同含水率下湘西膨胀土的膨胀时程曲线和对数膨胀时程曲线。

图1 不同含水率w下湘西膨胀土的膨胀时程曲线

图2 不同含水率w下湘西膨胀土的对数膨胀时程曲线

从图1可看出：相同含水率下，以含水率8%为例，无荷载膨胀的试样在短时间内产生非常大的膨胀变形，随后迅速达到稳定状态，说明无荷载条件下水分与膨胀矿物的反应非常迅速，最终能达到的膨胀变形也大于有荷载膨胀试样；有荷载膨胀下试样在初始阶段的变形低于无荷载膨胀，达到稳定变形所需的时间也高于无荷载膨胀。根据双电层理论，膨胀土遇水后，水分子进入膨胀土晶体层中，使晶层间的距离增大，离子引力降低，在宏观上表现为试样膨胀软化；施加上覆压力限制了水分与膨胀矿物的反应速率及膨胀矿物晶层间的相对移动变形。

从图2可看出：有荷载膨胀下，湘西膨胀土的膨胀时程主要分为初始膨胀区、主要膨胀区和次膨胀区。在初始膨胀区(1～20 s)，试样的膨胀变形和变形速率并不显著，膨胀矿物与水分未完全发生反应；随浸水时间增加，水分进入膨胀土晶层内部，试样变形明显增长，这一阶段为主要膨胀区；浸水时间进一步增长，水分已与膨胀矿物反应完全，试样膨胀变形逐渐趋于稳定，这一阶段为次膨胀区。无荷载膨胀的时程曲线几乎不存在初始膨胀阶段，而是浸水后迅速产生膨胀变形，在100～200 s时变形进入稳定状态，即次膨胀区。对比有荷载膨胀和无荷载膨胀，无荷载膨胀试验的变形大、速度快。实际边坡工程中，膨胀土边坡在降雨后发生浅层滑坡，原因之一就是边坡浅层土体受到的上覆压力小，与水分反应程度高，而深度大的土体变形小，与水分反应的速率慢，导致边坡产生不均匀变形甚至开裂垮塌。

2.2 膨胀变形与膨胀变形速率的关系

对于膨胀土的变形时程，蒋超等建议采用下式进行拟合：

δ=α(1-e-βt)

(1)

式中：α、β为模型参数。

图3为w=8%时膨胀拟合结果。从图3可看出：无论是在线性坐标还是在对数坐标中，式(1)均能取得较好的拟合效果，能作为定量分析膨胀土时程曲线的预测模型。

图3 w=8%时膨胀时程拟合曲线

令t→∞，有δ(t→∞)=α，即参数α代表试样的最终变形。参数α随上覆压力的变化见图4，拟合结果见式(2)。从图4可看出：不同含水率试样的最终膨胀变形随上覆压力增加呈对数减小趋势，试样最终膨胀变形为零的值即为膨胀力；随含水率增加，试样的膨胀力ps逐渐减小。

图4 不同含水率及上覆压力下最终膨胀率

α=A+Blnδv

(2)

图5为w=8%时试样膨胀速率随时间的变化，图6为w=8%时试样膨胀速率随膨胀率的变化。从图5可看出：对于有荷载膨胀，在初始膨胀区，膨胀速率基本不变，超过初始膨胀区后膨胀速率迅速降低；而无荷载膨胀10 s后膨胀速率就迅速降低；随上覆应力增大，试样的膨胀速率降低。从图6可看出：试样膨胀速率开始降低时，不同上覆应力试样的膨胀变形均已完成95%以上，说明水分进入膨胀土内部后，对于无荷载膨胀，在极短时间内土样就发生显著膨胀；即使对于有荷载膨胀，其完成95%变形所需的时间也较短。因此，在边坡工程中做好排水防水措施非常重要。

图5 膨胀速率随时间的变化

图6 膨胀速率随膨胀率的变化

在式(1)中，对时间t求导，得：

(3)

在式(3)中，令t=0，得：

(4)

根据式(4)，膨胀土变形的初始速率同时由最终变形α和速率参数β的乘积控制。结合图5、图6，初始膨胀速率是表征膨胀土膨胀能力的重要参数。不同含水率试样的初始膨胀速率与归一化上覆压力的关系见图7，ps根据图4求取。从图7可看出：不同含水率下，初始膨胀速率随归一化上覆压力增加迅速衰减，衰减曲线可用负指数表征。归一化应力比值超过0.2时，初始膨胀速率发生显著衰减，说明即使较小的上覆压力增加也能显著限制膨胀土的膨胀变形。因此，可以在边坡表层适当种植树木或采取其他防护措施,防止边坡表层土体发生显著膨胀变形。

图7 不同含水率下初始膨胀速率的归一化曲线

3 结论

通过对湘西膨胀土进行一维有荷载及无荷载膨胀试验，分析不同含水率下湘西膨胀土的膨胀变形时程及速率特性，得到以下结论：

(1) 对于同一含水率，随上覆荷载增加，试样膨胀变形逐渐减小，直到上覆荷载超过某一特征值时，试样不再发生膨胀；在同一上覆荷载下，试样含水率越高，膨胀变形越小。含水率为8%时，试样的无荷载膨胀率约为14%；含水率为16%，试样的无荷载膨胀率仅为6%。

(2) 有荷载膨胀下，湘西膨胀土的膨胀时程主要分为初始膨胀区、主要膨胀区和次膨胀区。在初始膨胀区，试样的膨胀变形并不显著；随浸水时间增加，试样变形明显增长，这一阶段为主要膨胀区；浸水时间进一步增长，水分已与膨胀矿物反应完全，试样膨胀变形逐渐趋于稳定，进入次膨胀区。无荷载膨胀的时程曲线几乎不存在初始膨胀区，而是浸水后迅速产生膨胀变形。

(3) 有荷载膨胀下，初始膨胀区的膨胀速率基本不变，超过初始膨胀区后膨胀速率迅速降低。而无荷载膨胀仅在10 s后膨胀速率就迅速降低。此外，随上覆压力增大，试样的膨胀速率明显降低。对于有荷载膨胀与无荷载膨胀，试样膨胀速率开始降低时，膨胀变形均已完成95%以上。

(4) 不同含水率下初始膨胀速率随归一化上覆压力增加而迅速衰减，衰减曲线可用负指数表征。归一化应力比值超过0.2时，初始膨胀速率发生显著衰减，即使较小的上覆压力增加也能显著限制膨胀土的膨胀变形。