基于荷载作用的膨胀土工程特性试验研究

廖嵩隆

（马鞍山市水利工程建设管理中心，安徽 马鞍山 243000）

0 引言

膨胀土是一种具有明显胀缩性，且裂隙较多的特殊土质。随着季节的变化，膨胀土会反复出现膨胀、收缩、再膨胀的现象，使得建在膨胀土地基上的建筑物发生不均匀沉降，从而对建筑物产生不利影响［1］。 膨胀土的存在还会导致较严重的地质灾害， 如山体滑坡、地面塌陷等，对周围环境和人类生命财产安全造成危害［2-3］。 因此对膨胀土的研究具有重要意义。

目前， 针对膨胀土的研究已经有了一定的进展，包括对膨胀土力学特性、水文特性、改良方法等，均有一定的研究成果。徐凤琳等研究了膨胀土胀缩性的成因，包括土壤颗粒的类型、结构特征、矿物成分、吸附性能等，有助于人们深入理解膨胀土的特性和行为规律［4-5］。 陈永等针对膨胀土的胀缩性，通过添加石灰或水泥改良剂、排水处理等手段，减小了土壤的体积变化，提高了土壤的工程适用性［6-7］。 郭江峰等研究了膨胀土对地质环境和人类社会的危害［8］。 聂去尘等基于计算机模拟和试验研究，对膨胀土的行为机理和参数特性进行了分析［9-10］。然而，对膨胀土的研究仍然存在一些不足之处，主要表现在对膨胀土的多尺度、地下水作用机理、实际工程应用等几个方面，尤其是地下水对膨胀土的特性影响及其在水利工程中的应用研究仍不够深入［11-12］。 笔者通过试验，研究了在有水环境下，外部荷载对膨胀土胀缩性的影响，以期为水利工程建设提供参考。

1 膨胀土的定义和工程特性

1.1 膨胀土的定义

膨胀土是一种在受水或受压力作用下会发生体积膨胀或收缩变形的土壤。 膨胀土的特性受到多种因素的影响，包括土壤类型、含水率、压实度、矿物成分等。膨胀土通常在吸水后会发生显著的体积膨胀。这是因为水分的渗入使土壤粒子间的间隙增大，同时水分子与土壤颗粒表面的吸附作用也会导致土壤体积的扩大。当膨胀土中含水率降低时，通常会发生干缩现象。 这是因为土壤颗粒间的吸附水分逐渐减少，致使土壤颗粒之间的间隙减小，从而引起土壤体积的收缩。

1.2 膨胀土的工程特性

膨胀土在水利工程中具有一些特殊的工程特性，在工程设计和施工阶段，充分考虑这些特性，是确保水利工程结构安全和可靠的关键。 膨胀土在水利工程中的工程特性主要包括膨胀性、 收缩性和抗渗性。 （1）膨胀性。 膨胀土在吸水后会发生明显的体积膨胀，这对水利工程可能产生多方面的影响。膨胀性可能导致水坝、 堤坝和水渠等工程结构的变形和损坏。 因此，在设计这类工程时，需要进行膨胀土特性的评估及处理，以确保结构的安全稳定。 （2）收缩性。 膨胀土的收缩性同样会对水利工程带来一系列影响，需要在工程设计和施工中引起足够的重视，尤其是在需要控制水位变化的工程中。如，膨胀土的收缩性可能导致渠道、水坝和堤坝的表面开裂，降低工程的美观性，或影响工程的正常运行。 因此，在水利工程设计和施工中， 需要采取适当的土体水分控制或改良等措施，以减小膨胀土的收缩性。（3）抗渗性。膨胀土通常具有较好的抗渗性， 这在水利工程中可能是一个优点。然而，由于土壤膨胀后的孔隙结构可能变得较为疏松，进而对渗透性产生影响。 因此，在水利工程设计中，设计合理的排水系统，可以有效减小膨胀土的含水率变化，降低其对工程的不良影响。

2 试验设计

荷载作用下的膨胀土特性试验包括膨胀试验和收缩试验，膨胀试验是通过注水改变土样的水土比，并施加竖向荷载，分析相关膨胀指标的变化规律；收缩试验是通过控制土样温度（30 ℃）并施加竖向荷载，进行体积及相关收缩指标变化的研究［13］。

2.1 制备原状土样

用标准环刀（内径61.8 mm，环高20 mm）和钢丝锯从大块土样中取一小块土样， 再用环刀在小块土样上套取原状试验土样。在取样过程中，先记录环刀的自重，再对准土样较均匀位置垂直且匀速下压。下压的同时，用切刀辅助整理环刀周边土体，以减轻环刀下压时受到的侧身摩阻力。最后，将土样上下横断面修整与环刀齐平后， 记录原状试验土样的总重数据。

2.2 膨胀试验

原状样切好后，应尽快进行膨胀试验。 试验前，将透水板的含水率调整到与原状土样一致， 以减少试验器材对土样含水率的损耗。试验时，将土样固定在透水板上后，加设一块传力板和一个压力测杆，再搭配百分表。然后，采用温控气压固结仪向原状样施加气压荷载， 所施加竖向荷载分为4 级， 第一级为20 kPa，此后每级均在前一级基础上增加20 kPa。 每0.5 h 读取1 次土样变形情况，当土样连续2 次记录压缩变化量小于0.005 mm 时，可对土样从上到下进行注水操作。此时，读取土样变形的频率可改为1 h。同样， 当土样连续2 次记录膨胀变化量小于0.005 mm 时，停止注水，取下土样称重并作记录。 同一荷载试验条件下，重复10 次试验。最后，根据试验结果绘制相关分析曲线。

2.3 收缩试验

原状样切好后，应尽快进行收缩试验。 收缩试验同样采用温控气压固结仪向原状土样施加气压荷载，施加荷载的方案、土样固定装置、百分表安装位置均与膨胀试验相同。 记录仪器的相关初始数据后，开始逐级施加压力荷载， 并每0.5 h 读取1 次土样变形情况。 当土样连续2 次记录压缩变化量小于0.005 mm时，打开温度测控仪，开始记录土样重量，并测算相应含水率。 此时，读取土样变形的频率也可减缓为1 h。当土样测算至饱和含水率后，停止温控，取下土样，测定体积并作记录。同一荷载试验条件下，重复10 次试验。 最后，根据试验结果绘制相关分析曲线。

3 试验结果分析

3.1 无荷作用下土体膨胀率变化规律

研究土样未施加荷载时的膨胀性， 绘制相应膨胀率与试验时间的关系曲线，如图1 所示。由图1 可知，在无压状态下，土样的膨胀率随时间逐渐增大，且基本在1 d 后可处于膨胀稳定状态。 统计分析土样膨胀过程发现，在最初约6 h 内，其膨胀量约占总膨胀量的60%，为快速膨胀阶段。 之后，进入匀速膨胀阶段，通过约3 倍快速膨胀时间完成了约40%的膨胀量。最后发展到稳定阶段，此时的膨胀增长量几乎为零，可忽略不计。

3.2 有荷作用下土体膨胀率变化规律

研究土样被施加不同竖向荷载时的膨胀性，绘制相应膨胀率与竖向荷载的关系曲线，如图2 所示。由图2 可知， 土样的膨胀率与外部施加的竖向荷载呈反比变化，且在竖向荷载增加至20 kPa 时，土样膨胀率就已降低了约90%。在施加40 kPa 竖向荷载时，土样膨胀率已成为负值。通过曲线可找到膨胀率为0 时所对应的竖向荷载量， 该竖向荷载量即为土样的膨胀力（35 kPa）。

图2 膨胀率与竖向荷载的关系曲线Fig.2 Relation curve of expansion rate and vertical load

3.3 试验过程中物理指标变化规律

研究土样被施加不同竖向荷载时的物理指标变化情况，绘制土样膨胀稳定阶段的干密度、孔隙比与不同荷载的关系曲线，如图3 和图4 所示。

图3 土样膨胀稳定后的干密度与竖向荷载的关系曲线Fig.3 Relation curve of dry density and vertical load of stable soil sample expansion

图4 土样膨胀稳定后的孔隙比与荷载的关系曲线Fig.4 Relation curve of void ratio and load of stable soil sample expansion

由图3 和图4 可知，在不超过土样膨胀力的荷载范围内，施加的竖向荷载与土样的干密度近似呈线性正比关系，与孔隙比近似呈线性反比关系，且关系曲线均在35 kPa 膨胀力处存在一个较明显的拐点，该点对应指标为土样的初始干密度和初始孔隙比。

统计分析不同竖向荷载作用下土样膨胀稳定后的含水率和吸水率，结果如表1 所示。

表1 不同竖向荷载作用下土样膨胀稳定后的含水率和吸水率Tab.1 Mositure content and water absorption of soil samples after expansion and stabilization under differentvertical loads

由表1 可知， 施加的荷载与土样的含水率和吸水率均为反比关系， 变化的速率除了与施加荷载的大小有关之外，还与土样本身矿物成分含量有关。

4 荷载作用下的收缩试验结果分析

4.1 荷载作用下土体收缩率变化规律

研究土样被施加不同竖荷载时的收缩性。 试验结束后，间接测算土样的线收缩率、收缩系数和体收缩率，计算公式如式（1）～式（3）所示。

式中：δsi为某一时刻下土样的线收缩率，%；z0为百分表的初始读数，mm；zi为某一时刻下百分表的读数，mm；h0为土样的初始高度， 即为环刀的高度，20 mm。

式中：λs为土样的竖向收缩系数；Δω 为收缩曲线上两点的含水率之差，%；Δδsi为与Δω 相对应的两点线收缩率之差，%。

式中：δV为土样的体收缩率，%；V0为土样的初始体积，cm3；Vd为收缩稳定后测定的土样体积，cm3。

根据计算结果，绘制相应的线收缩率与含水率的关系曲线（如图5 所示），并统计分析不同竖向荷载作用下土样的收缩系数与体收缩率，结果如表2 所示。由图5 和表2 可知， 施加的竖向荷载与土样的线收缩率、收缩系数和体收缩率均为正比关系。

图5 不同竖向荷载作用下土样的线收缩率与含水率的关系曲线Fig.5 Relation curve of linear shrinkage and moisture content of soil samples under different vertical loads

4.2 荷载作用下土体胀缩变形规律

综合分析荷载作用下膨胀土的胀缩变形规律，结果如图6 所示。由图6 可知，设计允许膨胀变形量［δe］对应的荷载p1与设计允许收缩变形量［δs］对应的荷载p2可将膨胀土破坏状态划分为3 段：当膨胀土上覆压重小于p1时，为膨胀破坏；在大于p2时，为收缩破坏；大于等于p1小于等于p2时，为工程设计安全范围。对于不同的膨胀土，均能通过试验绘制出相关胀缩变形关系曲线， 这可为膨胀土工程处理方案提供设计依据。

图6 胀缩变形率与荷载的关系响应曲线Fig.6 Response curve of expansion and shrinkage deformation rate and load

5 结语

综上所述， 通过不同竖向荷载作用下的胀缩变形试验，可得到如下结论：膨胀率与竖向荷载成反比变化，土样的干密度与竖向荷载成正比变化。膨胀稳定后， 孔隙比和含水率与竖向荷载成反比变化。 因此，通过土样线收缩率与施加荷载关系曲线，可以根据实际工程设计的膨胀与收缩变形量， 反推出膨胀土层保持稳定所需上覆荷载的最小值， 为膨胀土换填或压重处理提供设计依据。