含水率對中膨脹土力學性質的影響分析

王 歡,楊立功*,趙玉田,劉曉強

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所,天津 300456;2.上海交通建設總承包有限公司,上海 200136)

膨脹土是一種特殊土,富含親水性礦物,如蒙脫石、伊利石等,具有吸水膨脹、失水收縮的特性[1-4]。吸水膨脹是膨脹土顯著特性之一,其實質就是水膜形成并加厚,在黏土顆粒表面形成一種“楔”力,進而使土顆粒之間的距離增大,孔隙變大[5-8]。因此,為避免膨脹土地基上構筑物的損壞,同時能科學合理地處理膨脹土地基,對膨脹土吸水膨脹的發展規律及吸水膨脹后其力學性質的變化研究極為重要[9-12]。

針對膨脹土吸水后的力學特性變化,許多學者做了相關探討。郭從潔等[13]通過建立不同初始含水率的膨脹土邊坡模型,對多次凍融循環下坡體溫度、含水率、土壓力以及位移進行實時監測,研究了凍融循環下,不同初始含水率膨脹土邊坡坡體各指標的變化規律,進而探究初始含水率對膨脹土邊坡穩定性的影響。李甜果等[14]開展了不同含水率下膨脹土的室內共振柱試驗,表明含水率對膨脹土剪切模量影響顯著,剪切模量G隨著含水率的增加而減小。楊立功[5]以不同初始含水率、不同干密度和無上覆荷載條件下,研究膨脹土吸濕膨脹率與含水率之間的關系,研究結果表明在天然初始含水率和干密度條件下,中膨脹土吸濕膨脹率與后續含水率之間雖然呈非線性關系,但在很大含水率范圍(約50%)內,中膨脹土膨脹率與含水率之間近似呈線性關系。李進前[15]研究膨脹土增濕過程中的膨脹規律,取某高速鐵路地基膨脹泥巖土樣,研究其無荷膨脹率隨含水率增大過程中的變化規律,試驗結果表明膨脹土無荷膨脹率隨含水率變化過程分為3個階段,分別為快速膨脹階段、緩慢膨脹階段和趨于穩定階段,得到3個變化節點含水率。KONG等[16]研究了溫度和相對濕度對工程膨脹土微觀結構影響,干燥過程顯著影響膨脹土的工程特性,隨著干燥溫度的降低,材料線收縮率和強度增加,在較高的干燥速率下,容易發生不均勻變形,從而進一步促進裂紋的發展。ZHENG等[17]討論了粘聚力和摩擦強度的物理意義,解釋了膨脹土的力學特性,研究了膨脹土強度參數隨含水量的變化規律。通過與直剪試驗和三軸試驗的結果相吻合,分析了粘聚力和彈性模量的變化特征得到了摩擦角與含水量的關系。MOHAMMED等[18]在不同初始含水量和干容重下建立了一個大型土壤模型顯示含水量隨時間對土壤膨脹的影響,在同一土壤的膨脹試驗中,膨脹率從大比例尺模型得到的結果高于從固結儀得到的結果。膨脹勢隨著土壤吸力的增加而降低經受不同的飽和期。

以上學者對膨脹土不同含水率的力學性質研究較單一,沒有系統的分析膨脹土吸水膨脹后對各力學參數的影響。膨脹土在我國有廣泛分布,而安徽地區是膨脹土的主要分布省份之一[19]。文章土樣來自引江濟淮工程深切嶺段現場的中膨脹土,通過室內試驗研究不同初始含水率時吸濕后膨脹土的力學參數變化,可用于膨脹土地區在土體吸濕條件下力學性能的計算分析,為工程項目施工提供參考。

1 含水率與膨脹率的關系

膨脹率是膨脹土膨脹特性的外在體現,是膨脹土脹縮變形計算中的重要參數,因此,對膨脹土的研究首先要分析其膨脹率。其次,在初始狀態一定的情況下,為研究膨脹土在不同含水率條件下的力學性質,首先要確定含水率與膨脹土的關系。例如：無荷條件下,試驗測定初始含水率15%、干密度1.45 g/cm3的力學指標,先配置含水率15%的膨脹土土樣,控制其干密度為1.45 g/cm3,進而開展相關的試驗測定其各項力學指標。當后續含水率為20%時(初始含水率15%條件下含水率增加到20%),由于不能預測其吸水膨脹變形,土體的干密度未知,無法進行土樣制定,因此,通過測定初始含水率15%、干密度1.45 g/cm3的土樣在不同后續含水率條件下的膨脹率,進而可以預測其膨脹變形,通過膨脹變形,計算含水率20%的土樣體積,最后制作該含水率條件下的土樣。

1.1 試驗內容

自由膨脹率為65%～90%時為中膨脹土,文章對同一批典型原狀中膨脹土(自由膨脹率70%)進行重塑,控制其初始含水率、干密度(表1)。

表1 試驗方案Tab.1 Experiment scheme

(1)每組編號制作10個以上初始條件相同(初始含水率、干密度相同)的膨脹土環刀土樣;(2)在有側限、無荷載的條件下對這批土樣浸水,且每個土樣的含水率不同;(3)浸水同時用百分表測定土樣的高度變化,24 h后記錄百分表最終讀數;(4)將土樣取出放進烘箱;(5)24 h后取出土樣,測定土樣質量;(6)計算每個土樣含水率;(7)繪制土樣(初始條件相同)含水率與膨脹率之間關系曲線。

1.2 含水率與膨脹率關系分析

不同初始條件下,膨脹土含水率與側限、無荷載膨脹率關系如圖1所示?？梢钥闯?膨脹率與含水率之間基本呈線性關系。隨初始含水率增大,同一后續含水率的土體膨脹率逐漸降低;隨著干密度增大,同一后續含水率的土體膨脹率增大。

1-a 初始含水率15%,干密度1.45 g/cm3 1-b 初始含水率15%,干密度1.53g/cm3 1-c 初始含水率17.5%,干密度1.45 g/cm3

另對比圖1-a與圖1-b、圖1-c與圖1-d及圖1-e、圖1-f與圖1-g可以看出,初始含水率相同時,干密度大,膨脹土吸濕膨脹率與含水率關系曲線的斜率越大,膨脹土在密實狀態下吸水膨脹變形也越大;對比圖1-a、圖1-c、圖1-e可以看出,干密度相同時,初始含水率越大,膨脹土膨脹率與初始含水率關系曲線的斜率越小,這表明初始含水率越大,膨脹土吸濕膨脹能力越小。

2 物理力學試驗

2.1 試驗方案

確定一定初始含水率、干密度狀態下土體膨脹過程中各狀態物理力學性質的變化。

根據含水率與膨脹率的關系曲線,分別制作干密度為1.45 g/cm3與1.53 g/cm3土體指定初始含水率15%、17.5%、20%狀態下,不同階段含水率的試樣,試驗方案如表2所示。

表2 試驗方案Tab.2 Experiment scheme

2.2 試驗內容

依據GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》分別對初始狀態的膨脹土及吸水膨脹后的土體做密度試驗、固結試驗、直剪試驗、膨脹力試驗。

3 結果分析

3.1 密度分析

初始含水率相同的條件下,繪制不同干密度時土體吸濕后的密度變化曲線如圖2,虛線為各曲線的擬合線,各初始含水率的擬合公式為y=a+bx,含水率與密度的關系曲線為線性關系。同一初始含水率條件下土體干密度越小,吸濕后其濕密度變化速率越快,前期土體干密度越大,相同含水率條件下的濕密度越大,當含水率大于40%時,干密度1.45 g/cm3的膨脹土其濕密度大于干密度1.53 g/cm3的膨脹土,隨著含水率繼續增大,干密度1.45 g/cm3的膨脹土濕密度大于干密度1.60 g/cm3的膨脹土。

2-a 初始含水率15% 2-b 初始含水率17.5% 2-c 初始含水率20%圖2 不同初始條件密度與后續含水率關系Fig.2 Relationship between density and subsequent moisture content under different initial conditions

干密度大的土體吸濕膨脹率大,土體體積變化大,相對于干密度小的土體,濕密度會變小。因此,對于控制土體干密度的施工,要結合土體允許變形的條件注意控制土體干密度的范圍,降水不強的地區可以提高土體干密度,降水較強的區域要適當降低土體干密度,以保持較高的密度要求。

3.2 壓縮性影響分析

(1)壓縮系數。

初始含水率相同的條件下,繪制不同干密度時土體吸濕后的壓縮系數變化曲線如圖3,虛線為各曲線的擬合線。初始含水率為15%及17.5%的擬合方程為y=a×exp{-exp[-k*(x-xc)]},初始含水率20%的擬合方程為y=v×xn/(kn+xn),可見隨著初始含水率的增高,壓縮系數的變化趨勢發生改變,初始含水率越大,壓縮系數增長越快。吸水后土體隨含水率的增加壓縮系數逐步增加,相同初始含水率條件下,土體干密度越小,壓縮系數越大。當含水率達到25%～30%時,壓縮系數變化逐漸減緩,當土體含水率達到30%以上時壓縮系數變化較小。

3-a 初始含水率15% 3-b 初始含水率17.5% 3-c 初始含水率20%圖3 不同初始條件壓縮系數與后續含水率關系Fig.3 Relationship between compressibility and subsequent moisture content under different initial conditions

壓縮系數增大不利于土體穩定性,尤其是干密度越小的土體吸水膨脹后壓縮系數變化更大,控制地基的變形并了解變形與時間的關系,對設計、施工都非常有利。工程現場土體要控制在小壓縮系數、較大干密度、較小含水率變化范圍內。

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(2)壓縮模量。

初始含水率相同的條件下,繪制不同干密度時土體吸濕后的壓縮模量變化曲線如圖4,虛線為各曲線的擬合線,各初始含水率的擬合公式為y=A2+(A1-A2)/{1+exp[(x-x0)/dx]},吸濕后土體隨含水率的增加,其壓縮模量迅速降低,前期土體干密度越大,相同含水率條件下的壓縮模量越大,當含水率達到25%～30%時,壓縮模量變化逐漸減緩,當土體含水率達到30%以上時壓縮模量變化趨于穩定,變化幅值很小,可見后期土體的應力、應變比例穩定為彈性關系。

4-a 初始含水率15% 4-b 初始含水率17.5% 4-c 初始含水率20%圖4 不同初始條件壓縮模量與后續含水率關系Fig.4 Relationship between compression modulus and subsequent moisture content under different initial conditions

降雨量隨季節出現明顯變化,土中含水率也有明顯差異,研究含水率變化對地基土體壓縮模量的影響,對不同含水量情況的地基土施工有著積極的指導意義,土體初始干密度的影響對后續不同含水率土體的壓縮模量影響不顯著,施工時可主要參考后續含水率對壓縮模量的影響變化。

3.3 抗剪性影響分析

(1)黏聚力分析。

初始含水率相同的條件下,繪制不同干密度時土體吸濕后的黏聚力變化曲線如圖5,虛線為各曲線的擬合線,各初始含水率的擬合公式為y=A2+(A1-A2)/{1+exp[(x-x0)/dx]},吸濕后土體隨含水率的增加黏聚力迅速降低,土體粘聚力的減小速率與干密度影響不顯著,前期土體干密度越大,相同含水率條件下的黏聚力越大,當含水率達到25%～30%時,黏聚力變化逐漸減緩,當土體含水率達到30%以上時黏聚力變化趨于穩定,變化幅值減小,可見后期土體隨含水率的增加,土粒內部空間逐漸被水填滿,黏聚力變化不大。

5-a 初始含水率15% 5-b 初始含水率17.5% 5-c 初始含水率20%圖5 不同初始條件黏聚力與后續含水率關系Fig.5 Relationship between cohesion and subsequent moisture content under different initial conditions

開展不同工況條件下含水率對土體粘聚力的影響分析,對比施工現場的環境變化,尤其是土體含水率較大時粘聚力下降明顯,對于有抗拉、抗滑等施工要求的土體要控制含水率的范圍,為工程施工提供依據。

初始含水率相同的條件下,繪制不同干密度時土體吸濕后的內摩擦角變化曲線如圖6,虛線為各曲線的擬合線,各初始含水率的擬合公式為y=A2+(A1-A2)/{1+exp[(x-x0)/dx]},吸濕后土體隨含水率的增加,其內摩擦角迅速降低,前期土體干密度越大,相同含水率條件下內摩擦角越大,當含水率達到25%～30%時,內摩擦角變化逐漸減緩,當土體含水率達到30%以上時內摩擦角變化幅值減小。

6-a 初始含水率15% 6-b 初始含水率17.5% 6-c 初始含水率20%圖6 不同初始條件內摩擦角與后續含水率關系Fig.6 Relationship between internal friction angle and subsequent moisture content under different initial conditions

含水率增大,土體內摩擦角減小,內摩擦角減小容易使土體滑動而造成邊坡不穩,對于工程安全不利,控制土體含水量或采用注漿加固等手段可提高內摩擦角,經檢測可將內摩擦角控制在一定安全范圍內。

3.4 膨脹力分析

初始含水率相同的條件下,繪制不同干密度時土體吸濕后的膨脹力變化曲線如圖7,虛線為各曲線的擬合線,各初始含水率的擬合公式為y=A2+(A1-A2)/{1+exp[(x-x0)/dx]},吸濕后土體隨含水率的增加,其膨脹力迅速增高,含水率在15%～30%范圍內時,由于土體干密度越大則膨脹率越大,相同含水率條件下膨脹力越大,當含水率達到25%～30%時,膨脹力變化逐漸減緩,當土體含水率達到30%以上時膨脹力變化幅值減小。

7-a 初始含水率15% 7-b 初始含水率17.5% 7-c 初始含水率20%圖7 不同初始條件膨脹力與后續含水率關系Fig.7 Relationship between expansion force and subsequent water content under different initial conditions

膨脹土地層滲水后土體膨脹變形,膨脹力增大,施工時應控制建筑物的局部上浮,結合監測數據分析,確保既有建筑處于安全穩定狀態,排除擬建工程的安全隱患問題,保證施工方案合理可靠。

4 結論

本文開展了含水率對中膨脹土力學性質的影響,分析一定初始含水率、干密度狀態下土體膨脹過程中各狀態力學性質的變化規律,得出以下結論：

(1)不同初始條件下,膨脹土膨脹率與含水率近似呈線性關系,可以根據膨脹率與含水率的關系控制相應初始含水率條件下的土樣體積,進行膨脹土吸濕后的各項力學試驗,進而得到在該含水率條件下土體的力學指標;

(2)隨初始含水率增加,土體膨脹率與含水率線性關系的斜率降低,隨干密度增加,膨脹土膨脹率與含水率線性關系的斜率增加;

(3)隨含水量增加,膨脹土密度增加,壓縮模量、黏聚力及內摩擦角減小,壓縮系數、膨脹力增加。在含水率達到30%～40%時,膨脹土的壓縮系數、壓縮模量、黏聚力、內摩擦角及膨脹力會出現拐點,在該含水率范圍內,膨脹土接近飽和,含水率繼續增大時,各試驗參數變化緩慢;

(4)隨初始含水率增加,膨脹土初始強度降低,隨著后續含水率增加,初始含水率較高時,其強度、膨脹力變化相對較緩;隨初始干密度增加,膨脹土初始強度增加,隨著后續含水率增加,初始干密度較高時,其強度、膨脹力變化相對較快。