初始干密度、含水率對無荷膨脹率影響試驗(yàn)

曾娟娟+文暢平+白銀涌+蘇偉

摘要：為了研究婁益高速路基膨脹土的初始干密度、含水率與無荷膨脹率之間的關(guān)系，進(jìn)行了膨脹土的室內(nèi)無荷膨脹率試驗(yàn)。結(jié)果表明：在初始含水率一定時(shí)，婁益高速路基膨脹土的無荷膨脹率會(huì)隨干密度的增大而增大；在干密度一定時(shí)，無荷膨脹率隨含水率的增大而減小。根據(jù)結(jié)果建立了婁益高速路基膨脹土的無荷膨脹模型和時(shí)間函數(shù)模型，并給出了針對婁益高速路基膨脹土的模型參數(shù)。

關(guān)鍵詞：膨脹土；無荷膨脹率；初始含水率；干密度

中圖分類號：U416.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Experimental Study of Impact of Initial Dry Density and Water Content on Free Swell Ratio of Expansive Soil

ZENG Juanjuan， WEN Changping， BAI Yinyong， SU Wei

（School of Civil Engineering and Mechanics， Central South University of Forestry and Technology， Changsha 410004， Hunan， China）

Abstract： In order to study the relationship between the initial dry density， water content and free swell ratio， the indoor test on free swell ratio of expansive soil in the subgrade of Louyi expressway was carried out. The results show that when the initial water content is constant， the free swell ratio of expansive soil will increase with the increase of dry density； when the dry density is constant， the free swell ratio diminishes with the increase of water content. The free swell model and time function model were established for the expansive soil in the subgrade of Louyi expressway based on the results， and the model parameters were given.

Key words： expansive soil； free swell ratio； initial water content； dry density

0引言

膨脹土由親水黏性礦物組成，形成于天然地質(zhì)過程中，具有突出的吸水膨脹和失水收縮特性的黏性土[14]。隨著中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，由膨脹土的脹縮特性，尤其是膨脹變形特性所引發(fā)的工程實(shí)際問題日益增多[511]。其中，膨脹土在無荷條件下的膨脹變形問題更是工程實(shí)際中關(guān)注的熱點(diǎn)。

國內(nèi)外學(xué)者通過對膨脹土進(jìn)行無荷膨脹試驗(yàn)[1214]，研究了膨脹土無荷膨脹特性，且已取得了諸多成果。在對南陽中膨脹土進(jìn)行試驗(yàn)后，饒錫保等[15]得到：當(dāng)含水率大于最優(yōu)含水率可以有效抑制膨脹土的膨脹。張婷等[16]采用擊實(shí)樣進(jìn)行試驗(yàn)，研究了壓實(shí)度、上覆荷載、初始含水率和膨脹特性的之間關(guān)系。Poulos H G等用線性函數(shù)擬合了無荷狀態(tài)下膨脹土的膨脹變化過程。黃斌等[17]建立了膨脹土的膨脹率與初始含水率、壓實(shí)度、上覆荷載之間的膨脹率公式。章為民等[18]提出了關(guān)于初始干密度、初始含水量、上覆荷載對膨脹變形的綜合影響的膨脹模型。譚羅榮等[19]用公式描述膨脹壓力p在50 kPa下的膨脹率、含水量、干密度及飽和度的關(guān)系。以上這些研究主要是針對膨脹土膨脹特性與物理指標(biāo)之間關(guān)系開展的，并沒有提出初始干密度、初始含水率與無荷膨脹率的膨脹模型。且專門針對膨脹土無荷膨脹率與初始干密度、初始含水率影響試驗(yàn)研究仍是空白。

本文通過對湖南省婁底至益陽高速公路路基膨脹土進(jìn)行室內(nèi)無荷膨脹特性的試驗(yàn)研究，得到影響膨脹率的各因素，建立膨脹土的膨脹模型，該模型可反映初始干密度、初始含水率對無荷膨脹率的綜合影響。同時(shí)本文建立了膨脹土的時(shí)間函數(shù)模型。

1試驗(yàn)土樣與試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)對象土取自婁益高速公路，取樣深度為5 m，塊狀、呈灰白色，其物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）可以判別該膨脹土為中膨脹土。

當(dāng)初始含水率一定時(shí)，膨脹土的無荷膨脹率隨著干密度的增加呈上升趨勢，如圖2所示。增大干密度反而會(huì)增大無荷膨脹量或積蓄更多的膨脹潛勢能。從中還可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)初始含水率較低時(shí)，曲線變化幅度較陡，無荷膨脹率快速增加；隨著初始含水率的增加，曲線變化幅度趨于平緩，無荷膨脹率緩慢增加。

研究表明：增大初始含水率可抑制無荷膨脹率；增大初始干密度可以促進(jìn)無荷膨脹率。這是由于膨脹土中蒙脫石礦物較多，小于0002 mm的黏粒占較多比重，遇水顯示出強(qiáng)烈的脹縮性，從而增大初始含水率恰好可以提前釋放其膨脹潛勢能，在制作試樣過程中，初始含水率越大，燜料24 h后使膨脹土顆粒充分吸水膨脹，土顆粒逐漸達(dá)到飽和，殘留的膨脹潛勢能較小，因此隨著初始含水率的增加，無荷膨脹率變化反而減小。增大初始干密度可以增加蒙脫石礦物，增加親水礦物，因此隨著初始干密度的增加，無荷膨脹率增加。endprint

2.3膨脹土的無荷膨脹模型

通過查閱已有文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，對無荷膨脹率的研究中所考慮的影響因素不是單一的。試驗(yàn)表明：在同一干密度下，婁益高速膨脹土的無荷膨脹率與初始含水率呈良好的線性關(guān)系；同一含水率下，婁益高速膨脹土的無荷膨脹率與初始干密度也呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。因此，可以將初始含水率、初始干密度對無荷膨脹率的影響關(guān)系表示為

δ=aω0+bρ0+c（2）

式中：a、b、c均為與土種類相關(guān)的系數(shù)；ω0為初始含水率（%）；ρ0為初始干密度（g·cm-3）。

根據(jù)式（2）所提出的無荷膨脹率計(jì)算方程，再利用實(shí)測的婁益膨脹土無荷膨脹率數(shù)據(jù)，基于MATLAB的多元擬合功能，婁益膨脹土無荷膨脹率可修正為

δ=10.298ω0-81.665ρ0+8.501 3

R2=0.933 2（3）

將無荷膨脹率試驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果進(jìn)行比較分析，結(jié)果如圖3所示。

最終的擬合結(jié)果中，調(diào)整后的決定系數(shù)達(dá)到了0.933 2。且從圖3看出試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)大部分都落在擬合平面上。由此可知，所建立的計(jì)算模型是符合實(shí)際情況的。

2.4初始含水率及初始干密度對膨脹時(shí)程的影響

以干密度為1.4、1.5、1.6、1.7、1.8 g·cm-3在不同初始含水率條件下的土樣進(jìn)行試驗(yàn)。探究不同初始含水率及不同干密度對婁益膨脹土膨脹時(shí)程的影（1）初始階段膨脹土試樣體積迅速膨脹，測得的無荷膨脹率增大，且增長速度快而明顯，之后無荷膨脹率增長速度變緩慢。分析原因可知，初始階段膨脹土中親水礦物吸水中離子較多，從而使土顆粒之間的距離增大，之后膨脹土中空隙慢慢被水分充滿，試樣吸水速率變小，無荷膨脹率增長幅度趨于平緩，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）分析曲線可以明顯的觀察到無荷膨脹過程的3個(gè)階段（快速膨脹階段、減速膨脹階段和穩(wěn)定階段）。初始含水率越小，這3個(gè)階段越明顯，尤其是加速膨脹階段。隨著初始含水率的增加，無荷膨脹率曲線趨于平緩，無荷膨脹的3個(gè)階段漸漸沒有那么明顯。

（3）土樣無荷膨脹基本達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間受到初始含水率的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：干密度為14、15、16、17、18 g·cm-3的試樣在24 h后基本達(dá)到穩(wěn)定階段，其無荷膨脹量占總膨脹量的80%以上。而含水率為29%的試樣在24 h后，其無荷膨脹量占總膨脹量分別為785%、77.3%、75.3%、67.2%、66%，都小于80%，在48 h后才能基本達(dá)到穩(wěn)定階段。

2.5無荷膨脹率與時(shí)間公式的建立

可知無荷膨脹率隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線可知，無荷膨脹率隨時(shí)間的增長逐漸增大，最終達(dá)到穩(wěn)定，采用半對數(shù)函數(shù)擬合，所得的回歸方程為

δ=aln t+b（4）

式中：a、b（a>0，b>0為常數(shù)）與土體的初始含水率和初始干密度有關(guān)。

應(yīng)用Origin數(shù)學(xué)軟件對婁益高速公路中膨脹土膨脹率隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行擬合（以ρ=16 g·cm-3為例），擬合曲線見圖4（c），可以發(fā)現(xiàn)：無荷膨脹率和膨脹時(shí)間之間的關(guān)系可以用擬合曲線很好的表達(dá)。因此，在已知含水率情況下，可以用時(shí)間函數(shù)模型對婁益高速中膨脹土無荷膨脹率與時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行預(yù)測。其中，參數(shù)a、b及相關(guān)系數(shù)見表3。以擬合參數(shù)a、b為縱坐標(biāo)，試樣初始含水率為橫坐標(biāo)，可以繪出參數(shù)a、b隨初始含水率變化的關(guān)系圖，如圖5、6所示。

可見，擬合參數(shù)a、b與試樣初始含水率變化均呈良好線性關(guān)系，線性回歸方程分別為

a=-0.1607ω+4.7931R2=0.970（5）

b=-0.2345ω+7.077R2=0.996（6）

膨脹土的膨脹率一般受到土的礦物成分、顆粒組成、土體結(jié)構(gòu)的影響，對于同種類型的膨脹土主要與初始含水率、干密度及土壤上部荷載等條件相關(guān)。通過本次試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)初始含水率是影響a、b的主要因素，a、b值與初始含水率的強(qiáng)相關(guān)關(guān)系正好驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

將a、b代入式（4）可得

δ=（-0.160 7ω+4.793 1）ln t+

（-0.234 5+7.077）（7）

從式（7）可以驗(yàn)證：在時(shí)間趨于無窮大，初始干密度一定情況下，初始含水率是影響無荷膨脹率的主要因素。同時(shí)該函數(shù)可以作為預(yù)測婁益無荷膨脹率隨時(shí)間的變化情況的依據(jù)。

3結(jié)語

（1）在初始含水率一定時(shí)，增大干密度反而會(huì)增大無荷膨脹量或積蓄更多的膨脹潛勢能；在初始干密度一定時(shí)，增大含水率能有效地削弱無荷膨脹率。

（2）根據(jù)無荷膨脹率與初始含水率、初始干密度之間變化規(guī)律，建立了婁益膨脹土的無荷膨脹二元計(jì)算模型。

（3）通過對婁益膨脹土的膨脹時(shí)程曲線分析發(fā)現(xiàn)，膨脹變形分為3階段：快速膨脹階段、減速膨脹階段和穩(wěn)定階段。初始含水率是影響無荷膨脹達(dá)到穩(wěn)定的主要因素。

（4）婁益高速中膨脹土無荷膨脹率與膨脹時(shí)間的關(guān)系用對數(shù)函數(shù)擬合，呈強(qiáng)相關(guān)關(guān)系。其中參數(shù)a、b與含水率呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。

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[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]endprint