不同壓實度荊門弱膨脹土的一維膨脹-壓縮特性

周葆春，張彥鈞，湯致松，馬全國，馮冬冬，梁維云

（信陽師范學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 信陽 464000）

1 引 言

膨脹土遇水膨脹軟化、失水收縮干裂，工程性質(zhì)復(fù)雜多變且不易把握，常造成膨脹土地區(qū)眾多的巖土工程災(zāi)害，因而被稱作特殊土、問題土、災(zāi)害性土，甚至被稱作巖土工程中的癌癥。膨脹性是膨脹土工程病害的主要根源之一[1]。土體膨脹性的大小即膨脹勢，一般用膨脹力與膨脹率表征。膨脹土遇水膨脹受約束時，表現(xiàn)為膨脹力；膨脹未受約束時，表現(xiàn)為膨脹變形（用膨脹率表征）；遇水膨脹所受約束較小而不足以完全抑制土體膨脹時，膨脹力與膨脹變形同時發(fā)生。膨脹勢與土體的外部約束條件、排水條件、應(yīng)力狀態(tài)相互作用[2]，表現(xiàn)為體變特征的復(fù)雜性。

目前，對膨脹力與膨脹變形[3－8]、膨脹時程[9－10]已有較多研究，膨脹勢與水化狀態(tài)、外部約束條件等因素的耦合效應(yīng)亦有初步研究[2,11－12]，但研究不同壓實度下膨脹土的體積變化受膨脹勢、外部荷載、濕度變化的耦合影響仍有必要。

為此，本文以荊門弱膨脹土為研究對象，在高壓固結(jié)儀上對6種制樣壓實度下的膨脹土開展一維膨脹-壓縮試驗?；谠囼灲Y(jié)果，試圖構(gòu)建物理意義明確的膨脹時程方程，探討固結(jié)屈服應(yīng)力、壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)、膨脹力與制樣壓實度、土體結(jié)構(gòu)性、膨脹勢、孔隙比的相關(guān)關(guān)系規(guī)律。最后，在試驗結(jié)果及其分析的基礎(chǔ)上，提出膨脹土體變機(jī)制的一種解釋：膨脹土體積變化是膨脹勢與外部荷載、濕度變化的耦合作用結(jié)果，具有強(qiáng)烈的水-力路徑依賴性。研究結(jié)果可加強(qiáng)對膨脹土體變特性的認(rèn)識，并為壓實膨脹土的工程應(yīng)用提供可靠依據(jù)。

2 試驗方案

為獲得水-力耦合狀況下不同制樣壓實度膨脹土的體變特征，在高壓固結(jié)儀上對6種制樣壓實度（95%、90%、85%、80%、75%、70 %）下的荊門弱膨脹土開展系統(tǒng)完整的一維膨脹-壓縮試驗。

2.1 試驗土樣

試驗用土取自湖北荊門，為弱膨脹土，呈黃褐色、硬塑狀態(tài)，含黑色鐵錳結(jié)核，局部有白色填充物，其物性指標(biāo)、礦物成分與顆粒組成參見文獻(xiàn)[13]；重型擊實試驗表明，其最優(yōu)含水率為15.5 %，最大干密度為1.86 g/cm3[13]；該土樣在塑性圖（見圖1）上位于A線以上，液限 wL大于40 %，且小于60 %，符合弱膨脹土在塑性圖上的分布特征[14]。

圖1 塑性圖Fig.1 Plasticity chart

試驗采用直徑為61.8 mm、高度為20 mm的壓實土樣，制樣控制指標(biāo)見表 1。試樣制備過程為：首先測定風(fēng)干含水率（測得w=7 %），根據(jù)控制含水率計算加水量，每次取過2 mm篩的風(fēng)干土2 kg，平鋪在不吸水的盤內(nèi)，用噴霧器噴灑預(yù)計水量，靜置30 min，裝入密封袋中，置于保濕缸內(nèi)濕潤7 d。根據(jù)控制干密度計算所需濕土質(zhì)量，將相應(yīng)質(zhì)量的濕土倒入預(yù)先裝好環(huán)刀的模具內(nèi)（見圖2），抹平土樣表面，以靜壓力將土壓入環(huán)刀內(nèi)。試樣制備完成后，采用游標(biāo)卡尺量測試樣高度（量測4次，取均值），直徑取61.8 mm，獲得制樣體積。用保鮮膜包好試樣，放入封口袋中，置于保濕缸中備用。

表1 制樣控制指標(biāo)Table 1 Controlling indices of sample preparation

圖2 制樣工具與模具Fig.2 Sampling apparatus and mould

2.2 一維無荷載膨脹試驗

為探討不同制樣壓實度下的膨脹特性，對6種壓實度下的膨脹土樣進(jìn)行一維無荷載膨脹試驗，即將壓制完成后的試樣置于固結(jié)容器中浸水飽和至體積不變?yōu)橹?，試驗過程中監(jiān)測各試樣的膨脹變形。試驗參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[15]中《無荷載膨脹率試驗》方法執(zhí)行，在南京土壤儀器廠有限公司生產(chǎn)的WG型單杠桿高壓固結(jié)儀（見圖 3）上完成，試樣的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為隔6 h百分表讀數(shù)不變。

圖3 高壓固結(jié)儀Fig.3 Oedometer apparatus

2.3 壓縮試驗

為獲得不同制樣壓實度下該膨脹土的壓縮特性，在高壓固結(jié)儀上對完成一維無荷載膨脹試驗的試樣進(jìn)行含一次卸載-再加載循環(huán)的壓縮試驗；壓力等級為 12.5、25、50、100、200、400、200、100、50、100、200、400、800、1600、3200、4000 kPa。試驗參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[15]中《標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗》方法執(zhí)行，每級荷載下的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為24 h。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 無荷載膨脹試驗結(jié)果分析

3.1.1 試驗結(jié)果

土樣壓制完成后的物性指標(biāo)與體積參數(shù)見表2；無荷載膨脹試驗結(jié)果見表 3，表中膨脹率是指試樣在有側(cè)限條件下膨脹的增量與初始高度的比值；無荷載膨脹試驗完成后的物性指標(biāo)與體積參數(shù)見表4。

表2 制樣完成后的物理指標(biāo)與體積參數(shù)Table 2 Physical properties and volume parameters after sample preparation

表3 無荷載膨脹試驗結(jié)果Table 3 Results of non-loading swelling tests

表4 無荷載膨脹試驗完成后的物理指標(biāo)與體積參數(shù)Table 4 Physical properties and volume parameters after non-loading swelling tests

3.1.2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)表3繪制單對數(shù)坐標(biāo)系內(nèi)的膨脹率δt-時間t關(guān)系（膨脹時程曲線）見圖4，可見：①即使土樣相對疏松如壓實度為70 %的試樣，也表現(xiàn)為濕脹；②制樣壓實度愈高，膨脹速率愈小，達(dá)到膨脹穩(wěn)定時間愈長；③最終膨脹量（體膨脹率）隨制樣壓實度的增大而增大；由表4可見，不同制樣壓實度試樣濕化膨脹穩(wěn)定后的孔隙比、含水率（膨脹含水率）的差異，這說明即使在無荷載條件下，壓實膨脹土并非存在著一個惟一的飽和狀態(tài)(e,w)，而是受到先期應(yīng)力歷史的影響，如文中的不同制樣壓實度。

圖4 膨脹時程曲線Fig.4 Time-swelling curves

此外，無論初始狀態(tài)較為致密還是較為疏松，6種壓實度下單對數(shù)坐標(biāo)系內(nèi)的膨脹曲線均呈現(xiàn)為S型，可劃分為初始膨脹段、加速膨脹段、緩慢膨脹段。這一點與袁俊平等[9]所獲棗陽膨脹土、李志清等[10]所獲蒙自膨脹土的膨脹時程曲線規(guī)律一致。袁俊平等[9]采用分段線性函數(shù)、李志清等[10]采用藥物反應(yīng)（does response）對數(shù)模型描述膨脹時程曲線均取得了較好的擬合效果，但上述方程尚未給出方程參數(shù)較為明確的物理意義。

在李志清等[10]建議的對數(shù)模型基礎(chǔ)上，經(jīng)嘗試，采用如式（1）的3參數(shù)Logistic函數(shù)描述膨脹時程曲線可取得很好的擬合效果，見圖4與表5。

0式中：δt為t時刻的膨脹率（%）；t為時間（min），是自變量；A1、p、t0均為土性參數(shù)；其中 A1為時程曲線的漸近線，與體膨脹率（見表4）相近（%）。

表5 膨脹時程曲線方程參數(shù)Table 5 Formula parameters of time-swelling curves

圖5 膨脹時程曲線方程參數(shù)分析Fig.5 Parameter analysis for formula of time-swelling curves

圖5是基于制樣壓實度為90 %試樣的試驗結(jié)果（表3）與方程（1）的擬合結(jié)果（表5）對p、t0所做的參數(shù)分析。圖5清晰表明，p為與加速膨脹段反彎點（斜率最大點）處斜率相關(guān)的土性參數(shù)，p越大，表明加速膨脹段的斜率越大，膨脹愈快達(dá)到穩(wěn)定；t0為與反彎點位置相關(guān)的土性參數(shù)（min），t0越大，反彎點位置坐標(biāo)值愈大，膨脹達(dá)到穩(wěn)定的時間較長。

對照表5與圖4可見，A1與體膨脹率正相關(guān)，且隨制樣壓實度的增大而增大，描述了體膨脹率隨制樣壓實度增大而增大的規(guī)律；p與加速膨脹段反彎點處斜率正相關(guān)，且隨制樣壓實度的增大而降低，描述了制樣壓實度小的試樣膨脹速率大、制樣壓實度大的試樣膨脹速率小的規(guī)律；t0與反彎點位置正相關(guān)，且隨制樣壓實度增大而增大，描述了制樣壓實度愈大的試樣愈晚達(dá)到膨脹穩(wěn)定的規(guī)律。以上分析表明，式（1）能夠很好地描述不同制樣壓實度下的膨脹時程規(guī)律，且其參數(shù)具有明確的物理意義。

膨脹時程曲線可劃分為3個階段，如圖6所示，劃分方法為：①采用式（1）對膨脹時程曲線進(jìn)行最佳擬合；②確定最佳擬合曲線上的反彎點，繪制該點的切線；③切線與時間軸的交點為特征點 1；④切線與時程曲線的漸近線的交點為特征點 2；⑤特征點1與2將時程曲線劃分為：初始膨脹段、加速膨脹段與緩慢膨脹段。由圖6可見，該方法可清晰明確地對膨脹時程曲線進(jìn)行分劃。理論上講，膨脹會隨時間一直持續(xù)下去，自由膨脹率是其上限。但對于實際工程而言，緩慢膨脹段影響不大，特征點2可視為一個分界。

圖6 膨脹時程曲線3階段劃分Fig.6 Three segments of time-swelling curve

3.2 一維壓縮試驗結(jié)果分析

3.2.1 試驗結(jié)果

6種制樣壓實度下膨脹穩(wěn)定后的壓縮試驗結(jié)果見表6與圖7，圖中e為孔隙比，σv′為豎向有效應(yīng)力。

3.2.2 固結(jié)屈服應(yīng)力

由圖7(b)可見：e-l gσv′坐標(biāo)系中，壓縮曲線發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，體現(xiàn)出固結(jié)屈服應(yīng)力σv′y的存在。

表6 一維壓縮試驗結(jié)果Table 6 Results of one-dimensional compression tests

分析σv′y產(chǎn)生的原因：試樣濕化飽和至穩(wěn)定狀態(tài)后，膨脹潛勢完全釋放，一旦受壓，σv′增大，e減小，仍然會產(chǎn)生膨脹勢。由于試樣受約束產(chǎn)生膨脹力，此膨脹力抵消了部分σv′，從而增大了土體的剛度，致使e-lgσv′曲線的前半段斜率較小；隨著σv′的繼續(xù)增大，膨脹勢被抑制，試樣具有更大的壓縮性，致使e-l gσv′曲線的后半段斜率較大，其轉(zhuǎn)折點即為σv′y。

本文采用雙對數(shù)坐標(biāo)方法確定σv′y，即在lnυlgσv′坐標(biāo)系中（比容 υ =1+e）固結(jié)屈服應(yīng)力由雙直線的交點確定[16]。圖8表明，lnυ-l gσv′坐標(biāo)系中6條壓縮曲線均可用兩直線準(zhǔn)確描述，且σv′y與制樣壓實度正相關(guān)，即制樣壓實度大的試樣具有更高的σv′y。其原因可用壓縮過程中產(chǎn)生的膨脹力與壓實過程中產(chǎn)生的土體結(jié)構(gòu)性來解釋，即一方面，制樣壓實度大的試樣具有更強(qiáng)的壓實過程中產(chǎn)生的土體結(jié)構(gòu)性；另一方面，制樣壓實度大的試樣具有較小的壓縮前孔隙比（見表7），土樣受壓后，再次產(chǎn)生的膨脹潛勢相對較大，膨脹受約束產(chǎn)生的膨脹力也越大，導(dǎo)致其σv′y較大。

3.2.3 壓縮指數(shù)

由圖7(b)可見，e-l gσv′坐標(biāo)系中6種制樣壓實度下的壓縮曲線后半段（σv′=100～4000 kPa區(qū)間內(nèi)）均呈現(xiàn)為直線段，且其斜率存在著較大差異，制樣壓實度大的試樣斜率較為平緩，表明其壓縮性低，制樣壓實度小的試樣斜率較為陡峭，表明其壓縮性高；該直線段的斜率即為壓縮指數(shù)Cc，相應(yīng)數(shù)值見表7。

圖7 一維壓縮曲線Fig.7 One-dimensional compression curves

此外，當(dāng)σv′達(dá)到4000 kPa時，6種制樣壓實度下的試樣會趨于一個穩(wěn)定的孔隙比，其值在0.49左右（見表6），高于該土樣最大干密度對應(yīng)的孔隙比0.462（相應(yīng)含水率為15.5 %）。試驗結(jié)果表明，對于該飽和膨脹土而言，此最終孔隙比0.49可視為與試樣的初始狀態(tài)無關(guān)。

3.2.4 回彈指數(shù)

圖8 固結(jié)屈服應(yīng)力Fig.8 Consolidation yield stress

表7 固結(jié)屈服應(yīng)力、壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)與膨脹力Table 7 Values of consolidation yield stress,compression index,swelling index and swelling pressure

圖7(c)為壓縮曲線從400 kPa卸載-再加載滯回環(huán)，其卸載段的斜率（回彈指數(shù) Cs）表示回彈膨脹性的大小。由圖可見，6種制樣壓實度下試樣的卸載段斜率差別不大，在0.0519～0.0593之間（見表7），其數(shù)值大小與制樣壓實度無規(guī)律性關(guān)系。

由表 7同時可看出，Cs/Cc值在 0.175～0.267之間，且隨制樣壓實度的增大而增大，表明制樣壓實度大的試樣回彈膨脹量相對較大。

壓實膨脹土的回彈膨脹性受應(yīng)力歷史、結(jié)構(gòu)性與膨脹勢的影響。文中試樣從400 kPa卸載，400 kPa對應(yīng)的孔隙比在0.700～0.761之間（見表6），差別不大，因此，其 Cs差別不大。試樣從更高或更低的豎向有效應(yīng)力下卸載后的回彈膨脹性有待進(jìn)一步研究。

3.3 一維膨脹-壓縮特性探討

3.3.1 膨脹力

膨脹土遇水膨脹受約束，便會產(chǎn)生膨脹力 Pe，其測試方法主要有膨脹-反壓法與恒體積法。文中通過一維膨脹-壓縮試驗獲得的膨脹率-豎向有效應(yīng)力關(guān)系見圖 9，取各曲線與豎向有效應(yīng)力軸的交點為膨脹力，各制樣壓實度下的膨脹力見表 7。將膨脹力與相應(yīng)制樣孔隙比繪制在圖 10中，同時繪制由恒體積法獲得的該壓實膨脹土的膨脹力-孔隙比關(guān)系[17]。

圖9 膨脹率-豎向有效應(yīng)力關(guān)系Fig.9 Relationships of swelling percentage and vertical effective stress

圖10 膨脹力-孔隙比關(guān)系Fig.10 Relationships of swelling pressure and void ratio

由圖10可見，一維膨脹-壓縮試驗與恒體積法獲得的 lg Pe-e關(guān)系均呈良好的直線關(guān)系，且二者大體平行。一維膨脹-壓縮試驗獲得的膨脹力明顯大于相應(yīng)孔隙比條件下恒體積法獲得的膨脹力。分析其原因，恒體積法是保持體積不變條件下浸水，試驗過程中孔隙比不變；膨脹-反壓法在浸水膨脹過程中孔隙比增大，相對恒體積法，有更多的水進(jìn)入土孔隙，再壓縮至初始孔隙比，勢必需要更大的壓力將多余（相對于恒體積法）的孔隙水?dāng)D出以達(dá)到膨脹前的孔隙比狀態(tài)。

3.3.2 體變特性

土體體積變化可用孔隙比變化表征。圖11為一維膨脹-壓縮試驗過程中的孔隙比變化，可見不同制樣壓實度下試樣無荷載膨脹穩(wěn)定后并非達(dá)到一個惟一的孔隙比狀態(tài)，而與初始孔隙比相關(guān)，即先期應(yīng)力歷史的影響；膨脹穩(wěn)定后壓縮至4000 kPa下各試樣方達(dá)到一個惟一的孔隙比狀態(tài)（0.49左右），這個狀態(tài)是外部荷載（4000 kPa）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越最大膨脹力（1662.5 kPa）所致。

圖11 一維膨脹-壓縮試驗過程中的孔隙比變化Fig.11 Void ratio changes during the whole test process

整個浸水膨脹-壓縮過程中，不同制樣壓實度試樣的孔隙比狀態(tài)不同，膨脹勢亦不同，膨脹勢與外部荷載相互作用，造成其固結(jié)屈服應(yīng)力、壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)、膨脹力等體變特性指標(biāo)的差異性。

膨脹土體變機(jī)制可用圖12解釋，圖中SP為膨脹勢（swelling potential），p1、p2代表外部荷載的影響（加/卸載），Δw代表濕度變化（脫/吸濕），ei、wi、S Pi分別代表孔隙比、含水率、膨脹勢狀態(tài)。

圖12 膨脹土體積變化機(jī)制示意圖Fig.12 Sketch map of volume change mechanism for expansive soil

圖12中，初始孔隙比狀態(tài)和持水狀態(tài)(e0,w0)決定了初始膨脹勢 S P0的大?。坏?級水-力作用下，外部荷載p1、濕度變化Δw1、膨脹勢SP0三者共同作用穩(wěn)定后，土體達(dá)到平衡狀態(tài)(e1,w1)，該狀態(tài)對應(yīng)一個新的膨脹勢 S P1；第2級水-力作用下，p2、Δw2、S P1又相互作用，土體達(dá)到第 2個平衡狀態(tài)(e2,w2)；當(dāng)然，第2個平衡狀態(tài)(e2,w2)又對應(yīng)著一個新的膨脹勢 S P2。該機(jī)制可直觀解釋圖11中6種制樣壓實度下的浸水膨脹與壓縮過程中的孔隙比差別（體變差別）。

此外，膨脹土的體積變化與水-力路徑相關(guān)，先加水還是先加力，抑或是水、力同時施加，會造成其體積變化的差別，其根源在于膨脹勢與外部荷載、濕度變化的耦合作用。圖 10中先浸水后壓縮（膨脹-反壓法）與浸水同時施加壓力（恒體積法）路徑上相同孔隙比下膨脹力的顯著差別，說明水-力路徑的差別會直接影響膨脹勢的大小，進(jìn)而影響土體的體積變化。

綜上所述，膨脹土體積變化是膨脹勢與外部荷載、濕度變化的耦合作用結(jié)果，且具有強(qiáng)烈的水-力路徑依賴性。這是膨脹土體變特征復(fù)雜性的根源之一。因此，在實際工程中預(yù)測膨脹力抑或膨脹變形時，需依據(jù)具體工況的水-力路徑選取相應(yīng)土性參數(shù)進(jìn)行分析計算。

4 結(jié) 論

（1）即使在無荷載條件下，壓實膨脹土并非存在著一個惟一的飽和狀態(tài)(,e w)，而是受先期應(yīng)力歷史的影響。本文建議的3參數(shù)Logistic函數(shù)可很好地描述膨脹時程曲線；參數(shù)分析表明，各參數(shù)均具有明確的物理意義。膨脹時程曲線可用文中建議的方法劃分為初始膨脹段、加速膨脹段與緩慢膨脹段。

（2）6種制樣壓實度下弱膨脹土膨脹穩(wěn)定后的壓縮曲線均顯示出固結(jié)屈服應(yīng)力的存在，且可用雙對數(shù)坐標(biāo)法準(zhǔn)確確定。制樣壓實度大的試樣具有更高的固結(jié)屈服應(yīng)力。其原因是制樣壓實度大的試樣具有更強(qiáng)的壓實過程中產(chǎn)生的土體結(jié)構(gòu)性和較小的壓縮前孔隙比；土樣受壓后膨脹勢相對較大，導(dǎo)致其固結(jié)屈服應(yīng)力較大。

（3）制樣壓實度大的試樣壓縮指數(shù)較小，表明其壓縮性較低。6種制樣壓實度下的回彈指數(shù)差別不大?；貜椫笖?shù)大小與卸載點對應(yīng)的孔隙比相關(guān)。

（4）當(dāng)豎向有效應(yīng)力達(dá)到4000 kPa時，6種制樣壓實度下的試樣會趨于一個穩(wěn)定的孔隙比，其值在0.49左右，這個孔隙比可視為與試樣的初始狀態(tài)無關(guān)。

（5） lg Pe-e坐標(biāo)系中一維膨脹-壓縮試驗獲得的膨脹力-孔隙比關(guān)系與恒體積法獲得的膨脹力-孔隙比均呈良好的直線關(guān)系，且大體平行。一維膨脹-壓縮試驗獲得的膨脹力明顯大于相應(yīng)孔隙比條件下恒體積法獲得的膨脹力。

（6）對試驗結(jié)果的分析表明，膨脹土體積變化是膨脹勢與外部荷載、濕度變化的耦合作用結(jié)果，且具有強(qiáng)烈的水-力路徑依賴性。這是膨脹土體變特征復(fù)雜性的根源之一。在實際工程中預(yù)測膨脹力抑或膨脹變形時，需依據(jù)具體工況的水-力路徑選取相應(yīng)土性參數(shù)進(jìn)行分析計算。

以上結(jié)論基于相同初始含水率的一維膨脹-壓縮試驗結(jié)果，對于不同初始含水率下的情況尚待進(jìn)一步研究。

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