南寧灰白膨脹土側向膨脹力室內試驗研究

韓濤， 譚明， 潘政安 ， 徐良

(1.廣西交投科技有限公司， 廣西 南寧 530213；2.桂林理工大學 土木與建筑工程學院， 廣西 桂林 541004)

膨脹土富含蒙脫石、伊利石及其混層等親水性礦物，吸水體積變化顯著。當遇水膨脹受限時，會對周圍結構物或土體產生較大膨脹力。膨脹土的豎向膨脹力對膨脹土地基及其上部結構有顯著影響，膨脹土的側向膨脹力與膨脹土邊坡及其支擋結構的穩定性密切相關。膨脹土邊坡支擋結構的穩定性不僅受到土壓力作用的影響，還受到側向膨脹力的影響，而側向膨脹力一般會大于主動土壓力，因此合理分析側向膨脹力對于膨脹土支擋結構穩定性有著決定性作用。前人大多在一維固結條件下開展試驗研究膨脹土的脹縮特性，得到的是一維側限的豎向脹縮規律，該規律僅適用于地基工程等特定條件的分析，對于具有臨空面的坡體變形分析無法獲得側向膨脹規律。對膨脹土進行三向測試有助于更全面地把握膨脹土脹縮規律。劉祖德等使用改裝后的可以控制應力的三軸儀研究了典型膨脹土的三向關系。Avsar E.等研制一種三向膨脹儀用于測試柱形膨脹土試樣，但其加力過程易對土樣造成破壞。張銳等在單軸固結儀的基礎上研制可以測出側向膨脹力的裝置，但沒有獲得側向膨脹力隨側向變形的變化規律。以上試驗研究采用非立方體試樣，僅局限于兩向。張穎鈞最早研制出針對立方體膨脹土試樣的三向脹縮儀，并利用該儀器研究了原狀土和擊實土水平膨脹力與豎向膨脹力之間的關系。之后，謝云和秦冰等使用改進后的儀器，研究了典型膨脹土在不同初始吸力和干密度下的三向膨脹力，所測膨脹力范圍比原儀器大大提高，但測試過程中土樣的不斷變形會導致儀器出現變化，需人工不斷調節。王海龍等使用自制三向膨脹力測量儀對典型膨脹土進行了試驗研究，但該裝置無法對三向荷載大小進行控制。本文基于可用于測試立方體土樣的三向脹縮儀，對廣西南寧灰白重塑膨脹土進行不同條件下三向膨脹力試驗，分析干密度、初始含水率和外部荷載對膨脹力的影響，研究允許變形條件下側向膨脹力隨土體側向膨脹率的變化規律。

1 試驗方法

1.1 三向脹縮儀

在前人研究的基礎上，筆者與桂林長海發展有限責任公司聯合研制膨脹土三向脹縮儀(見圖1)，對尺寸為2.5 cm ×2.5 cm×2.5 cm的正方體土樣進行三向脹縮率和三向膨脹力測試。該儀器能在三個方向施加荷載。它通過豎向滴水對試樣進行增濕，3個百分表和3個測力環分別測試三向膨脹變形和三向膨脹力，通過在堆載盤上添加砝碼來施加三向荷載。

1 水平擋板；2 集水底座；3 施壓板；4 傳壓框；5 水平導軌；6 滑輪；7 百分表；8 量力環；9 吊鉤；10 堆載盤；11 工作平臺；12 旋轉螺栓；

1.2 土樣選取及制樣方法

試驗所用南寧灰白膨脹土土樣取自在建期間的南寧城市道路邊坡，屬于中等膨脹土，其基本物理指標見表1。

表1 南寧灰白膨脹土的主要物理指標

制樣前，先把土樣錘碎過0.5 mm篩進行篩分，放置于105 ℃烘箱中烘烤8 h后取出，根據試驗要

求配制不同含水率的土樣。將土樣裝袋悶足24 h后，從塑料袋3個不同位置取出土樣進行含水率測試，3個位置土樣的含水率誤差不超過2%。采用自制重塑土制備器制樣時，把土倒入成土框中，用4 kg重錘自由下落施力使土分3層壓實，最后旋轉螺栓使螺桿頂著推土板，取得土樣。要求土樣6個面表面均平整、光滑、無破損，長度誤差不超過0.2 mm(見圖2)。

1 底座平臺；2 成土框等裝置；3 重錘；4 擊實小錘；5 導桿；6 導桿固

1.3 試驗方案

1.3.1 三向膨脹力試驗

要求三向平衡加壓，放入試樣后，先安裝量力環對試樣施加1 kPa初始壓力，使試樣與壓力板充分接觸，然后控制輸水閥門控制水流速度，對試樣進行滴水處理。試驗過程中不斷調整三向量力環后的旋鈕，使試樣受到反力壓縮，使3個方向的膨脹量保持為零。量力環停止轉動時，試樣不再發生膨脹，記錄量力環的讀數，通過換算得到膨脹力。

(1) 初始含水率不變、初始干密度變化的膨脹力試驗。采用不同擊實功把初始含水率為15.40%的土樣分別制成干密度為1.65 g/cm3、1.70 g/cm3、1.75 g/cm3、1.80 g/cm3的立方體土樣，通過三向脹縮儀探究相同含水率下試樣干密度與三向膨脹力及側、豎向膨脹力之比的關系。

(2) 干密度不變、初始含水率變化的膨脹力試驗。把干密度為1.70 g/cm3的土樣分別制成4個不同含水率的土樣，探究相同干密度下初始含水率與膨脹率及側、豎向膨脹力之比的關系。

1.3.2 控制上覆荷載的側向膨脹力試驗

制作一組試樣，初始含水率為10.6%，初始干密度為1.75 g/cm3，通過施加不同上覆荷載控制豎向變形，探究不同豎向變形條件下側向膨脹力的變化規律。將試樣置于三向脹縮儀中，在豎直方向施加1 kPa荷載，兩個水平方向分別放置一個量力環，膨脹土遇水后豎向產生膨脹時測定水平方向膨脹力。之后每次試驗在豎直方向逐次施加25 kPa荷載，直至豎直方向不再產生膨脹，得到側向膨脹力與豎向變形的關系。

1.3.3 允許側向變形的側向膨脹力試驗

制作一組試樣，初始含水率為10.6%，初始干密度為1.75 g/cm3，所加豎向荷載為豎向傳壓框的壓力20 kPa，探究在控制側向變形的條件下側向膨脹力的變化規律。將試樣置于三向脹縮儀中，兩水平方向分別放置一個量力環，但量力環與傳壓框不接觸。打開滴水閥門，當水平方向產生0.2%線應變時關閉滴水閥門，同時將量力環與傳壓框接觸。然后將百分表與量力環調零，再次打開滴水閥門測定釋放0.2%線應變后的側向膨脹力。依次釋放0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.5%、2.0%、...線應變，直至水平方向不再膨脹，得到允許側向變形時側向膨脹力的變化規律。

2 膨脹力試驗結果與分析

2.1 初始干密度對三向膨脹力的影響

初始含水率為15.40%時，不同初始干密度下三向膨脹力見表2、圖3。由表2、圖3可知：1) 相同干密度條件下，膨脹土的豎向膨脹力始終大于側向，且兩個水平方向的膨脹力相差不大。這是因為豎向受到的是重錘擊實壓力，而側向受到的是擠壓力，重錘擊實壓力遠大于擠壓力，豎向顆粒擠密程度越大，膨脹潛勢越大。2) 側、豎向膨脹力之比隨干密度的增大而增大(見圖4)，變化規律與三向膨脹率相同，與池澤成等對合肥膨脹土的分析結論基本一致。

表2 不同初始干密度下三向膨脹力

圖3 三向膨脹力與初始干密度關系曲線

圖4 側、豎向膨脹力之比與初始干密度關系曲線

2.2 初始含水率對三向膨脹力的影響

初始干密度為1.70 g/cm3時，不同初始含水率下三向膨脹力見表3、圖5。由表3、圖5可知：初始含水率與三向膨脹力之間具有良好的線性關系，擬合公式見式(1)；相同含水率下，豎向膨脹力始終大于側向，與三向膨脹率的變化規律相同，且三向膨脹力隨著初始含水率的增大而減小。

表3 不同初始含水率下三向膨脹力

圖5 三向膨脹力與初始含水率關系曲線

pi=gW+h

(1)

式中：g、h為參數；W為初始含水率。

2.3 上覆荷載對側向膨脹力的影響

初始含水率為10.6%、初始干密度為1.75 g/cm3時，不同上覆荷載下側向膨脹力見表4、圖6。由表4、圖6可知：上覆荷載的存在使土體更多向側向釋放膨脹壓力，膨脹土邊坡的坡面或擋墻埋深越大，其側向膨脹力越大。

表4 不同上覆荷載下側向膨脹力

圖6 側向膨脹力與上覆荷載關系曲線

2.4 允許側向變形對側向膨脹力的影響

初始含水率為10.6%、初始干密度為1.75 g/cm3時，不同允許側向變形下側向膨脹力見表5、圖7。由表5、圖7可知：側向膨脹力與控制側向膨脹率之間呈現良好的指數關系，擬合公式見式(2)；膨脹土側向膨脹力隨著控制側向膨脹率的增大而減小，且減小趨勢明顯，最小膨脹力僅為原來的1/5，與文獻[12]中廣西百色膨脹土側向膨脹力隨上覆荷載的變化規律一致。在膨脹土地區修建隧道、涵洞、擋墻等結構物時，可以在膨脹土與支擋結構之間設置可壓縮的回填料作為緩沖層，允許膨脹土吸水后發生一定變形，從而降低側向膨脹力，對結構物起到保護作用。

表5 不同允許側向變形下側向膨脹力

圖7 側向膨脹力與允許側向膨脹率關系曲線

p=cedδ

(2)

式中：c、d為參數；δ為膨脹率。

3 結論

(1) 相同初始含水率條件下，兩個水平方向的膨脹力基本一致，豎向膨脹力始終大于水平方向膨脹力。三向膨脹力隨初始干密度的增大而增大，且側、豎向膨脹力之比隨干密度的增大越趨近于1，說明擊實功越大，土體側、豎向差異越小。

(2) 相同初始含水率和初始干密度條件下，豎向膨脹力始終大于側向膨脹力，且兩個水平方向膨脹力基本相同。相同初始干密度下，三向膨脹力隨初始含水率的增大而減小，且呈良好的線性關系。

(3) 所受上覆荷載越大，側向膨脹力越大。膨脹土邊坡的坡面或擋墻埋深越大，其側向膨脹應力越大，可在膨脹土與支擋結構之間設置緩沖層。