邵陽膨脹土膨脹特性試驗(yàn)研究

吳小山,梁 橋,周文權(quán)

(1.衡陽公路橋梁建設(shè)有限公司,衡陽 421000；2.湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院,湘潭 411104)

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邵陽膨脹土膨脹特性試驗(yàn)研究

吳小山1,梁 橋2,周文權(quán)2

(1.衡陽公路橋梁建設(shè)有限公司,衡陽 421000；2.湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院,湘潭 411104)

為探究邵陽膨脹土對(duì)該地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不利影響，開展了一系列基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn).分析了浸水時(shí)間、壓實(shí)度、上覆荷載大小、含水率對(duì)膨脹量的影響.結(jié)果表明：膨脹變形在浸水初期發(fā)展較快，后期發(fā)展緩慢；浸水穩(wěn)定后膨脹系數(shù)隨壓實(shí)系數(shù)增大呈線性增加；膨脹變形隨上覆荷載和含水率增加分別表現(xiàn)為對(duì)數(shù)減小和線性減小關(guān)系.該結(jié)論對(duì)膨脹土路基邊坡等工程的設(shè)計(jì)與施工提供了試驗(yàn)依據(jù).

膨脹土；含水率；壓實(shí)度；膨脹量

膨脹土是在自然地質(zhì)過程中形成的一種多裂隙并具有顯著脹縮性的地質(zhì)體，是一種吸水膨脹軟化、失水收縮開裂的特種粘性土，并能反復(fù)脹縮變形的高塑性粘土；同時(shí)具有超固結(jié)性和多裂隙性，其礦物成分以強(qiáng)親水的蒙脫石和伊利石為主[1].引起脹縮主要原因是膨脹土的黏粒成分中含有大量親水性強(qiáng)的蒙脫石和伊利石等礦物，遇水發(fā)生膨脹隆起，失水產(chǎn)生收縮下沉和干裂.其次是膨脹土地區(qū)的地下水多為上層滯水和裂隙水，因而隨季節(jié)性氣候變化，土中水分發(fā)生劇烈變化而引起地基不均勻脹縮變形.

膨脹土變形特性研究主要是通過對(duì)膨脹土進(jìn)行試驗(yàn)，獲得膨脹土的基本物理力學(xué)參數(shù)，從而為理論計(jì)算提供依據(jù).國內(nèi)外學(xué)者對(duì)膨脹土膨脹特性做了大量的研究.馬少坤等[2]對(duì)南寧膨脹土的長期壓縮特性開展了研究，結(jié)果表明，南寧膨脹土的壓縮指數(shù)與次壓縮系數(shù)呈線性關(guān)系；與其他黏土相比，膨脹土次壓縮特性較低.周葆春等[3,4]對(duì)荊門膨脹土的膨脹特性及本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了研究.徐彬[5]開展了膨脹土的強(qiáng)度影響因素與規(guī)律的試驗(yàn)研究.李雄威[6]以廣西膨脹土為研究對(duì)象，考慮植被的影響，進(jìn)行了現(xiàn)場滲透和植被根系加筋作用力學(xué)試驗(yàn)，并在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)膨脹土塹坡的植被防護(hù)作用進(jìn)行數(shù)值模擬.

膨脹土在我國分布廣泛，與其他土類不同的是主要成島狀分布.邵陽、湘西自治州等地區(qū)是湖南省膨脹土的典型分布地區(qū)[1].邵陽是湖南中部的一個(gè)重要地區(qū)，其交通地理位置非常重要.目前經(jīng)過邵陽的已經(jīng)建成的和在建的高速公路眾多，有上海-昆明高速的湘潭-邵陽高速和邵陽-懷化高速湖南段，二連浩特-廣州高速公路的安化-邵陽高速和邵陽-永州高速湖南段，包括衡陽-邵陽高速段的吉安-邵陽高速.另外，包頭-茂名高速也有部分路段從邵陽遂寧經(jīng)過.修建于膨脹土地區(qū)的公路，由于含水量的不均勻變化會(huì)引起不均勻脹縮，因此產(chǎn)生幅度很大的橫向波浪狀變形.雨季路面滲水，路基軟化，在行車荷載作用下形成泥漿，并沿路面裂縫、伸縮縫濺漿冒泥.現(xiàn)有的公路工程技術(shù)規(guī)范規(guī)定膨脹土不能直接用于路基填筑，如廢棄必然導(dǎo)致大量借土，并耗費(fèi)大量的用地堆放棄土，直接導(dǎo)致工程造價(jià)急劇上升，同時(shí)帶來環(huán)保方面的許多問題[1].因此有必要對(duì)膨脹土進(jìn)行研究，解決膨脹土地區(qū)路基及邊坡的常見病害，找到有效的治理和利用膨脹土的方法.本文針對(duì)邵陽近郊的膨脹土的膨脹特性開展試驗(yàn)研究，為膨脹土路基邊坡工程設(shè)計(jì)和施工，膨脹土地基加固與路基病害的防治提供試驗(yàn)依據(jù).

1 膨脹土的判別分類

膨脹土的判別方法，一般認(rèn)為應(yīng)采用現(xiàn)場調(diào)查鑒定與室內(nèi)物理性質(zhì)和脹縮特性試驗(yàn)指標(biāo)相結(jié)合的原則[7].即首先根據(jù)土體性狀及其埋藏、分布條件的工程地質(zhì)特征和已有建筑物的開裂情況作初步判斷，然后再根據(jù)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)一步驗(yàn)證，綜合判別[8].目前，對(duì)膨脹土的分類判別方法由于行業(yè)和地區(qū)不同而存在差異.1987年頒布執(zhí)行的《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GBJ112-87)根據(jù)自由膨脹率劃分膨脹潛勢，如表1所示.國外用得較多的是由A.卡薩格蘭德于1942年提出的塑性圖，它是以液限ωL為橫坐標(biāo),以塑性指數(shù)Ip為縱坐標(biāo)的細(xì)粒土分類圖，根據(jù)塑性圖聯(lián)合使用塑性指數(shù)Ip和液限ωL來判別膨脹土.如表2所示，我國《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)采用的也是該圖.此外，我國《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001-2005)在對(duì)細(xì)粒土填料進(jìn)行分類時(shí)，采用的也是塑性圖，但由于國外采用碟式液限儀，我國采用錐式液限儀，兩者測得的液限值不同，通過換算并結(jié)合我國情況，采用A線方程式為：Ip=0.63(ωL-20)，B線為ωL=40%，并增劃C線和D線，方程式分別為Ip=10和Ip=17.《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD30-2004)提出按自有膨脹率、塑性指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率進(jìn)行判別和分類,如表3所示.

表1 膨脹土膨脹潛勢類別

表2 細(xì)粒土分類(SL237-1999)

表3 膨脹土判別指標(biāo)

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)用土取自邵陽東郊公路路塹邊坡.新鮮土樣呈黃褐色,顆粒細(xì)小，手摸有滑膩感，可見蠟狀光澤的擠壓面，土樣中網(wǎng)狀裂隙發(fā)育，裂隙面上可見到有鐵質(zhì)淋濾，具有較強(qiáng)的濕水成泥巴,干時(shí)成硬塊的性質(zhì).按照《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD30-2004)對(duì)膨脹土的工程分類，根據(jù)其顏色可初步判斷為中等膨脹土或弱膨脹土.

圖1 試驗(yàn)取土現(xiàn)場

試驗(yàn)時(shí)選取一定數(shù)量的代表性土樣，經(jīng)碾碎、過篩，測定風(fēng)干含水率，按要求的含水率算出所需加水量，分別做擊實(shí)試驗(yàn)、力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)和物理指標(biāo)試驗(yàn).嚴(yán)格按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ051-93)進(jìn)行膨脹土的基本物理力學(xué)試驗(yàn),包括含水率試驗(yàn)、自由膨脹率試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、比重試驗(yàn)、無荷膨脹率試驗(yàn)、有荷膨脹率試驗(yàn).測得的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表4所示.

圖2 WZ-1型膨脹儀

表4 試驗(yàn)土體基本物理性質(zhì)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)儀器

無荷膨脹率試驗(yàn)所用儀器為WZ-1型膨脹儀，如圖2所示,百分表刻度0.01mm,試樣尺寸為直徑61.8mm,高20mm.有荷膨脹率試驗(yàn)所用儀器為WG型三聯(lián)中壓單杠桿固結(jié)儀,配套的附件及規(guī)格為環(huán)刀直徑79.8mm,高20mm;等直徑的環(huán)刀接環(huán),接高10mm;百分表量程10mm,最小分度值為0.01mm;吊盤;儀器杠桿比采用1∶10.

2.3 試驗(yàn)參數(shù)與方法

2.3.1 無荷膨脹率試驗(yàn)

試樣制備采用最優(yōu)含水率20.1%,最大干密度1.68 g/cm3進(jìn)行控制，壓實(shí)系數(shù)K分別為0.90、0.93、0.95、0.97、1.0.試樣在無荷載作用下,向水盒內(nèi)注入蒸餾水,使水自下而上浸入試樣,并保持水面高出試樣5mm.試驗(yàn)開始后按照5min、10min、20min、30min，1h、2h、3h、6 h、12h測讀并記錄百分表讀數(shù),當(dāng) 6 h內(nèi)變形量不超過0.01mm時(shí)即認(rèn)為膨脹穩(wěn)定，結(jié)束試驗(yàn).

2.3.2 有荷膨脹率試驗(yàn)

將試樣放到容器中，放上透水板和蓋板，安好量表，施加1kPa的壓力，使儀器各部分接觸，調(diào)整量表，記下初讀數(shù).根據(jù)要求一次施加荷載(本次試驗(yàn)荷載分別為25kPa、50kPa、100kPa、150kPa、200kPa),待每小時(shí)變形不超過0.01mm，即認(rèn)為變形穩(wěn)定，向水盒內(nèi)注入純水，使水自下而上進(jìn)入試樣，并保持水面高出試樣5mm，記下注水時(shí)間.浸水后每隔2h測計(jì)量表1次，當(dāng)2次讀數(shù)差值不超過0.01mm時(shí)穩(wěn)定，結(jié)束試驗(yàn).

以上試驗(yàn)每個(gè)試樣均在相同條件下重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取其平均值.

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3為不同壓實(shí)度時(shí)浸水時(shí)間與無荷膨脹率關(guān)系曲線，圖4為土樣膨脹穩(wěn)定后壓實(shí)度與無荷膨脹率關(guān)系曲線.從圖3可以看出在最初一段時(shí)間(約0～50min)的浸水過程中,壓實(shí)度(干密度)較小的試樣,其膨脹量增加較快,而壓實(shí)度較大的試樣其膨脹量增加則較慢;當(dāng)浸水時(shí)間很長時(shí),土樣膨脹率都比較穩(wěn)定，壓實(shí)度越大的土樣其穩(wěn)定膨脹率越大.其原因可解釋為壓實(shí)度越小的試樣孔隙率越大,在試驗(yàn)開始階段的浸水過程中,水容易浸入到試樣內(nèi)部,試樣在較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的膨脹變形,而壓實(shí)度較大的試樣,孔隙比較小,在最初階段,水難以浸入到試樣內(nèi)部,試樣不能充分吸水,從而其初始膨脹變形較小.此后，時(shí)間延長，水分不斷浸入到試樣內(nèi)部，試樣膨脹變形不斷增加，直到最終穩(wěn)定.壓實(shí)度越大的土樣，單位體積的土體里面土顆粒更多，吸收的水分也就越多，因此膨脹量也就越大.圖4反映了吸水穩(wěn)定后的膨脹率和壓實(shí)度近似呈線性關(guān)系.

圖3 浸水時(shí)間與無荷膨脹率關(guān)系曲線

圖4 壓實(shí)系數(shù)與無荷膨脹率關(guān)系曲線

圖5為壓實(shí)系數(shù)K=0.95時(shí)施加的上覆荷載與膨脹率關(guān)系曲線.從該圖可以看出，上覆荷載較小時(shí)，膨脹率較大；上覆荷載較大時(shí)，膨脹率越小，最終逐漸穩(wěn)定.荷載與膨脹率很好的符合對(duì)數(shù)關(guān)系.其原因可解釋為壓力有抑制土體膨脹的能力,壓力越小,抑制作用越弱,壓力越大，抑制能力越強(qiáng).這也就是膨脹土主要在地表產(chǎn)生膨脹的原因，深度越大,上覆壓力越大,膨脹越小.圖6為壓實(shí)系數(shù)K=1.0時(shí)不同上覆荷載對(duì)應(yīng)的含水率與膨脹率關(guān)系曲線.從該圖可以看出，有上覆荷載時(shí)，膨脹率隨含水率線性減??；相同含水率時(shí)，上覆荷載越大，膨脹率越小.

圖5 K=0.95時(shí)荷載與膨脹率關(guān)系曲線

圖6 K=1.0時(shí)含水率與膨脹率關(guān)系曲線

4 結(jié)論

(1)土體浸水膨脹時(shí)，膨脹變形在最初的0～50分鐘發(fā)展較快，后期發(fā)展緩慢，最終趨于穩(wěn)定.

(2)充分浸水后，壓實(shí)系數(shù)越大，膨脹變形越大，

穩(wěn)定后膨脹系數(shù)隨壓實(shí)系數(shù)增加線性增加.

(3)試樣上覆壓力對(duì)膨脹土膨脹率有顯著影響,上覆壓力越大，膨脹變形越小，上覆壓力與膨脹變形呈對(duì)數(shù)關(guān)系.

(4)土體含水率對(duì)土體膨脹性有很大影響，相同上覆荷載時(shí)，含水率越大，膨脹變形越小，含水率與膨脹變形近似呈線性關(guān)系.

[1] 楊果林，王永和，李獻(xiàn)明.湘潭-邵陽高速公路膨脹土工程特性試驗(yàn)研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005,2(1):62-67.

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[3] 周葆春,張彥鈞,馮冬冬,等.荊門非飽和壓實(shí)膨脹土的吸力特征及其本構(gòu)方程[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013,32(2):385-342.

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[8] 譚羅榮,孔令偉.特殊巖土工程土質(zhì)學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

Experimental Study on Expansive Characteristics of Expansive Soil in Shaoyang Area

WU Xiao-shan1,LIANG Qiao2,ZHOU Wen-quan2

(1.Hengyang Road & Bridge Co.,Ltd,Hengyang 421000,China;2.School of Architecture and Civil Engineering,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411104,China)

To study the adverse effect of expansive soil on the infrastructure in Shaoyang Area,a series of basic physical andmechanical property tests are carried out.The effect of expensive value caused by soaking time,degree of compaction,size of overlying load andmoisture content are analyzed.The results show that the expansion deformation develops rapidly at the beginning,develops slowly in the late; after immersion stability with the increase of compaction coefficient,the expansion coefficient increases linearly; and with the increase of overlying load andmoisture content,the expansion deformation decreases logarithmic and linearly respectively.The conclusion can provide experiment evidence for the design and construction of expansive soil subgrade and slope engineering.

expansive soil;moisture content; degree of compaction; expansive value

2015-11-20作者簡介：吳小山(1979-),男，工程師，研究方向：公路工程建設(shè).

TU443

A

1671-119X(2016)02-0083-04