壓實弱膨脹土變形干濕循環(huán)效應(yīng)試驗研究

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 路橋與港航工程學(xué)院，南京 211188)

壓實弱膨脹土變形干濕循環(huán)效應(yīng)試驗研究

邊加敏

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 路橋與港航工程學(xué)院，南京 211188)

為研究干濕循環(huán)對弱膨脹土用于路堤填筑變形性能的影響，在對路堤內(nèi)部和表面2種工作環(huán)境進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，通過模擬2種工作環(huán)境土體的干濕循環(huán)試驗，對干濕循環(huán)后土樣變形特征進(jìn)行分析。結(jié)果顯示：由干濕循環(huán)造成的膨脹土脹縮變形過程并不完全可逆，土樣在第2次浸水膨脹時產(chǎn)生的膨脹量最大，而第1次干燥收縮時的收縮量最大；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土樣的膨脹及收縮變形均逐漸減小并趨于穩(wěn)定；穩(wěn)定后的高度比原始高度有所變化；上覆荷載及含水量的變化對土樣的干濕循環(huán)變形特征具有十分重要的影響。試驗結(jié)果表明，干濕循環(huán)對用于路堤內(nèi)部膨脹土的變形影響均小于路堤表面的工作狀態(tài)，判斷膨脹土路堤填筑的可行性及處治方式時應(yīng)結(jié)合膨脹土的路堤填筑位置。

弱膨脹土；路堤填筑；上覆壓力；干濕循環(huán)；脹縮變形

1 研究背景

膨脹土是一種特殊的黏性土，具有失水收縮、吸水膨脹的特征，對公路路基具有十分嚴(yán)重的破壞作用，被視為公路建設(shè)中的“癌癥”。路基設(shè)計規(guī)范規(guī)定強(qiáng)膨脹土不得用于路堤填筑，中、弱膨脹土經(jīng)過處理后可以用于路堤填筑。長沙理工大學(xué)的楊和平等[1]根據(jù)膨脹土的變形特性提出采用工程包邊法將中、弱膨脹土用于路堤填筑，成功應(yīng)用于國內(nèi)多條高速公路的建設(shè)中，取得了較好的效果，節(jié)約了工程造價。

由干濕循環(huán)造成土樣變形性能的降低是膨脹土路堤破壞最主要的原因，吳珺華等[2-3]、P.Delage[4]和黃珂等[5]均對極端狀態(tài)下的干濕循環(huán)特性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，土體的變形性能逐漸降低且逐漸趨于穩(wěn)定。這些研究對用于路堤填筑的弱膨脹土不完全適用，主要存在2個方面的問題：①弱膨脹土一般用于路堤內(nèi)部，表面常采用性質(zhì)良好的土體包裹，因此，土體的干濕循環(huán)作用在一定的上覆壓力下進(jìn)行；②在大氣影響深度范圍內(nèi)，含水率變化隨著深度的增加逐漸較小[6]，與極端含水率變化范圍不符，為此，唐朝生等[7]進(jìn)行了控制含水率變化幅度的干濕循環(huán)試驗，但其試驗條件的設(shè)定沒有考慮上覆荷載的作用。

本文通過模擬路堤內(nèi)部及表面的上覆壓力及含水率變化，設(shè)置土體的干濕循環(huán)條件，對2種工作環(huán)境下膨脹土干濕循環(huán)的變形進(jìn)行對比分析，并通過研究成果分析土體用于路堤填筑的干濕循環(huán)變形特征。

2 試驗概況

2.1 試驗材料的基本性質(zhì)

圖1 土體顆粒級配Fig.1 Particle size distribution of test soil

試驗用土取自南京蕪申線東壩鎮(zhèn)航道段某邊坡，取土深度為1 m左右，根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》的方法獲得土樣的液限為56%，塑限為25%，塑限指數(shù)為31，土體的自由膨脹率為50，土體重型擊實的最大干密度為1.83 g/cm3，最優(yōu)含水率為16.5%。土體的顆粒級配見圖1，按照文獻(xiàn)[5]，判斷為高液限弱膨脹土。

2.2 試驗儀器

試驗儀器采用河海大學(xué)自行設(shè)計研制的溫控氣壓固結(jié)儀，固結(jié)儀內(nèi)部裝有電熱片，同時與溫度傳感器、溫度測控儀相連；豎向荷載采用氣壓施加。進(jìn)行膨脹試驗時直接往固結(jié)儀內(nèi)注入純水，當(dāng)進(jìn)行收縮試驗時，插入溫度傳感器，接通電源，溫度測控儀開始工作，調(diào)整試驗溫度至40 ℃。溫控氣壓固結(jié)儀實物圖見圖2，上部主體部分結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖2 溫控氣壓固結(jié)儀實物Fig.2 Photos of temperature and air pressure control consolidation apparatus

圖3 溫控氣壓固結(jié)儀上部主體部分結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the main upper part of temperature and air pressure control consolidation apparatus

2.3 試驗方案

2.3.1 上覆荷載

楊和平等[1]及余飛等[8]對路堤的處治深度進(jìn)行了研究，提出了不同的路堤處治深度確定方法，結(jié)論顯示按此方法確定路堤處治深度均>1 m，本文試驗選擇路堤表面及2 m深度處土樣的上覆荷載進(jìn)行干濕循環(huán)試驗。根據(jù)路基設(shè)計規(guī)范[9]對路堤2 m深度處的壓實度要求，確定試驗土樣的干密度為1.74 g/cm3，據(jù)此選擇2 m深度土樣的上覆壓力為35 kPa，路堤表面的上覆荷載選擇0 kPa。

2.3.2 含水率

李雄威[6]對不同深度處的含水率進(jìn)行了檢測，表明隨著土體深度的增加，含水率的變化幅度逐漸減小，土體表面的含水率變化范圍處于縮限至飽和含水率附近，在不考慮地下水作用的情況下，大氣影響深度的含水率變化為0，按土工試驗規(guī)范方法確定土樣的平均縮限為16.5%。采用無荷膨脹儀進(jìn)行土樣的飽和含水率試驗，加水至膨脹穩(wěn)定后測定土樣的平均含水率為37%，基于此，確定本文試驗的2種工作狀態(tài)為：①路堤內(nèi)部采用姚海林等[10]關(guān)于路堤不同深度的含水率變化線性擬合方法，確定路堤2 m深度處的含水率變化為20%～27%;②土體表面含水率變化幅度采用初始含水率為16.5%直接加水至膨脹穩(wěn)定。

2.4 試樣制作

將土樣風(fēng)干后過2 mm篩并測定其含水率，按照試驗方案要求的初始含水率分別向土樣中加入剩余水，放入塑料袋中養(yǎng)護(hù)24 h使其水份分布均勻，取出測定土樣的含水率，與試驗要求含水率差值為0.05%時認(rèn)為含水率符合要求，將養(yǎng)護(hù)完成的土樣分別壓制成干密度約為1.74 g/cm3、初始含水率分別為20%及16.5%的小環(huán)刀樣，放入溫控氣壓固結(jié)儀中按照試驗方案進(jìn)行干濕循環(huán)試驗。

3 試驗方案及控制

試驗的含水率控制按圖4進(jìn)行，干濕循環(huán)的次數(shù)為 1～6次，其中含水率由最小值增濕至最大值時為1次增濕過程，而由最大值脫濕至最小值時為1次脫濕過程，1次增濕與1次脫濕過程為1次干濕循環(huán)。采用含水率控制法進(jìn)行干燥收縮變形的控制，即控制收縮后的含水率為初始含水率±0.5%時停止收縮試驗，而膨脹變形時的加水方法按照試驗方案進(jìn)行。

圖4 干濕循環(huán)過程Fig.4 Process of wetting and drying cycles

3.1 極端狀態(tài)下膨脹變形的含水率控制

極端狀態(tài)下膨脹變形的含水率控制采用直接加水飽和至膨脹穩(wěn)定，收縮試驗的目標(biāo)含水率控制采用質(zhì)量控制的方法進(jìn)行。

3.2 控制含水率變化幅度的含水率控制

李振等[11]對不同初始干密度及初始含水率的膨脹土進(jìn)行了分級浸水和1次浸水膨脹變形試驗，表明不同浸水方式對最終膨脹量影響不大,這說明可以采用分級加水的方式對土體的含水率進(jìn)行控制。因采用1次加水的方法較難控制20%～27%的干濕循環(huán)幅度，本試驗加水過程采用分級加水的方式進(jìn)行，并對此干濕循環(huán)幅度下的含水率進(jìn)行控制，收縮過程采用質(zhì)量控制法控制土樣的含水率，具體試驗步驟如下：

(1) 按照20%的含水率拌制土樣，并將拌制好的土樣和已經(jīng)烘干的透水石放入塑料袋中，密閉一晝夜，使透水板含水率與試樣含水率保持一致。

(2) 按照要求將土樣壓制成小環(huán)刀樣，并裝入溫控氣壓固結(jié)儀中，依次安裝好上透水板、傳力板和測桿，將百分表對準(zhǔn)測桿中心，記錄百分表的初始讀數(shù)，稱取固結(jié)儀上部土樣的質(zhì)量。

(3) 調(diào)節(jié)氣壓調(diào)壓筒，施加35 kPa的豎向荷載，土樣產(chǎn)生壓縮變形，每1 h記錄1次百分表讀數(shù)，相鄰2次百分表讀數(shù)差值不超過0.01 mm，視為固結(jié)穩(wěn)定。

(4) 計算需要加入水分的質(zhì)量，用吸管吸取相同質(zhì)量的水分，并緩慢自下而上加入土樣，待膨脹穩(wěn)定后，記錄百分表讀數(shù)，然后用吹風(fēng)機(jī)吹干儀器表面水分，并稱取儀器上部土樣的質(zhì)量。將土樣裝入儀器中，用滴定管補(bǔ)足所缺的水分，待膨脹穩(wěn)定后重復(fù)記錄百分表讀數(shù)并稱重，直至土體含水率處于(27±0.5)%時停止。注入純水后，記錄注入純水的開始時間，每隔2 h記錄1次百分表讀數(shù)，當(dāng)相鄰2次百分表讀數(shù)差值不超過0.01 mm，視為膨脹穩(wěn)定。

(5) 將膨脹穩(wěn)定的土樣裝入儀器中，插入溫度傳感器，接通電源，溫度測控儀開始工作，調(diào)整試驗溫度在40 ℃，每隔2 h記錄百分表讀數(shù)和固結(jié)儀上部土樣質(zhì)量，計算土樣含水率，直至土樣的含水率為(20±0.5)%時斷電，記錄土樣的含水率與百分表讀數(shù)。

(6) 如此重復(fù)完成試驗。

3.3 干濕循環(huán)過程中試樣的高度

圖5為2種控制條件下土體干濕循環(huán)后的高度變化。2種情況下試樣浸水膨脹后的高度均隨著浸水膨脹次數(shù)的增加先增大后減小，第2次浸水時土樣膨脹后的絕對高度最大，隨后隨著浸水膨脹次數(shù)的增大而逐漸減小，在第5次浸水膨脹后，土體的絕對高度逐漸趨于穩(wěn)定，分別達(dá)到20.8 mm及20.3 mm；對收縮后土樣的高度，初次脫濕收縮后的絕對高度最小，分別為19.7 mm及19.9 mm，土樣的收縮變形最大，隨著脫濕收縮次數(shù)的增加試樣穩(wěn)定后的絕對高度逐漸增大，并逐漸趨于穩(wěn)定，絕對高度值分別為20.036 mm及19.954 mm。

圖5 干濕循環(huán)后試樣的高度Fig.5 Heights of specimens after different wetting-drying cycles

為定量分析試樣在干濕循環(huán)過程中的脹縮變形規(guī)律，本文定義相對于起始點的膨脹率為絕對膨脹率，而相對于前1次收縮終點的膨脹率為相對膨脹率，相對線收縮率的定義方法以此相同，具體采用式(1)—式(4)表示。引進(jìn)4個變量，分別為絕對膨脹率δa、相對膨脹率δr、絕對收縮率ηa、相對收縮率ηr，分別定義如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：h0為試樣初始高度；hwi和hdi分別為試樣第i次膨脹和收縮穩(wěn)定后的高度；hpi和hsi分別為試樣第i次膨脹前和收縮前的高度。

4 試驗成果分析

4.1 土體的線膨脹率與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

將試驗得到不同干濕循環(huán)次數(shù)的絕對與相對線膨脹率繪于圖6。

圖6 干濕循環(huán)次數(shù)與線膨脹率關(guān)系Fig.6 Relationship between wetting-drying cycle number and linear swelling ratio

由圖6可以看出：

(1) 2種控制條件下，土樣的絕對與相對線膨脹率隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，第2次膨脹變形時土樣的絕對線膨脹率達(dá)到最大，隨后隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小，至第5次干濕循環(huán)時土樣的變形量基本穩(wěn)定，此試驗結(jié)論與楊和平等[12]試驗結(jié)論基本一致，所不同的是達(dá)到最大膨脹變形量的次數(shù)不同。本文為第2次而文獻(xiàn)[13]為第1次，本文結(jié)論與唐朝生等[7]全干燥試驗的最大膨脹變形的次數(shù)相同，這可能是土樣的初始干密度及含水率變化綜合作用的結(jié)果，也有可能是由干濕循環(huán)的試驗方式不同造成，具體還有待進(jìn)一步的研究。

(2) 在相同干濕循環(huán)次數(shù)下，極端狀態(tài)下土體的絕對及相對膨脹變形均大于控制含水率變化幅度時的膨脹變形，這表明上覆壓力及含水率變化對于土體膨脹變形的影響較大，將膨脹土用于路堤內(nèi)部填筑時土體的膨脹變形量明顯小于位于表面時的膨脹變形量。這主要是由于在不同的上覆壓力下土體干濕循環(huán)過程中塑性勢能的集聚及釋放不同，在極端狀態(tài)下，上覆壓力較小，含水率變化較大，土體脫濕時的塑性勢能集聚較多，而增濕時的釋放徹底。

工程上對膨脹性能的判定目前還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，公路工程中主要采用自由膨脹率、塑性指數(shù)及<0.002 mm顆粒含量來綜合判定，但并不唯一，土體的變形性能較差并不代表用于路堤填筑膨脹土的最終變形量大，土體的最終變形量還與干濕循環(huán)的外部環(huán)境密切相關(guān)，因此，對用于路堤填筑膨脹土的最終變形量主要由線脹縮總率eps及膨脹土的干濕循環(huán)變形特征綜合決定?！豆仿坊O(shè)計規(guī)范》(JTG D30—2004)[9]根據(jù)膨脹土eps的不同，給出了不同的處治方法，如何合理計算土體用于路堤填筑的eps，是判斷膨脹土能否及如何用于路堤填筑的重要指標(biāo)。文獻(xiàn)[13]給出了eps的定義，可以看出，eps確定土體在實際工作環(huán)境中的最大脹縮變形總量，因此，根據(jù)土體的使用環(huán)境合理確定eps對于判斷膨脹土能否用于路堤填筑及選擇恰當(dāng)?shù)奶幹畏椒ㄊ种匾?/p>

通常在eps的計算中采用土樣直接加水膨脹與直接脫濕收縮的變形量進(jìn)行計算，這默認(rèn)了土體第1次膨脹變形的膨脹量最大，但根據(jù)本文及文獻(xiàn)[7]的試驗結(jié)果，在一定的試驗條件下，可能在第2次膨脹時出現(xiàn)最大的膨脹量，采用第1次膨脹變形的膨脹量計算eps可能會減小線脹縮總率的計算值，因此，在計算土體的eps時，應(yīng)選擇干濕循環(huán)的最大膨脹量。

由上文的試驗結(jié)論可以看出，極端狀態(tài)下的變形量遠(yuǎn)大于控制含水率變化的變形量，2種狀態(tài)下的最大及穩(wěn)定變形量差值分別達(dá)到4.02%和2.48%，占控制含水率變化膨脹變形量的141%和187%，可見當(dāng)土體用于路堤內(nèi)部填筑時的膨脹變形量遠(yuǎn)小于路堤表面。考慮到弱膨脹土的路堤使用位置，在分析土體的干濕循環(huán)變形特性及確定eps時，應(yīng)采用實際工作環(huán)境的干濕循環(huán)變形特性及含水率變化更為合理。

4.2 土體的線收縮率與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖7給出了2種控制條件下土樣的相對及絕對線收縮率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化。

圖7 干濕循環(huán)次數(shù)與線收縮率的關(guān)系Fig.7 Relationship between wetting-drying cycle number and linear shrinkage ratio

由圖7可以看出：

(1) 2種控制條件下，土樣的絕對線收縮率均隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，第1次收縮時土體的絕對收縮變形最大，在控制含水率變化幅度的條件下，第3次收縮變形后出現(xiàn)收縮后試樣高度大于初始高度的現(xiàn)象，第4次收縮后土體的絕對收縮逐漸趨于穩(wěn)定。

(2) 2種控制條件下土體的相對線收縮率也呈現(xiàn)相似的規(guī)律，即第2次收縮時相對線收縮率達(dá)到最大，這是由于本次試驗土體第2次膨脹變形時的膨脹變形量最大，第2次至第3次干濕循環(huán)所對應(yīng)的相對線收縮率下降較快，第3次至第6次干濕循環(huán)所對應(yīng)的相對線收縮率逐漸減小，但減小幅度不大，表明土樣在經(jīng)過3次收縮后，相同含水率減小幅度下土體的收縮量逐漸趨于穩(wěn)定。

根據(jù)圖7絕對線收縮率計算結(jié)果，試樣干燥后的高度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加有遞增的趨勢，第6次試驗完成后2種狀態(tài)的試樣高度與初始高度分別變化約0.108 mm和0.360 mm，說明試樣在干濕循環(huán)過程中發(fā)生了不可逆的體積變形，與許多學(xué)者所觀察到的結(jié)論一致。這是由于干濕循環(huán)的過程中宏觀孔隙比的擴(kuò)大削弱了土中集聚體之間的相互限制狀態(tài)，土體的塑性勢能得到釋放，同時土樣干燥收縮過程也伴隨著土樣聚集體之間的崩解與重組2個方面原因綜合作用的結(jié)果。

(3) 將2種狀態(tài)下土體的收縮變形比較后發(fā)現(xiàn)，極端狀態(tài)下土體的最大及穩(wěn)定線收縮率(-1.34%和-0.32%)均大于控制含水率變化狀態(tài)下土體的收縮變形(-0.31%及0.17%)，占控制含水率變化膨脹變形量的332%及288%，可見用于路堤內(nèi)部填筑的膨脹土收縮變形量遠(yuǎn)小于路堤表面膨脹土的收縮變形量，計算上文2種工作環(huán)境下的最大線收縮系數(shù)分別達(dá)到0.065和0.045，差值為0.02，兩者之間差值較大，因此計算土體的eps時應(yīng)采用實際工作環(huán)境的線收縮率及含水率變化。

5 結(jié) 論

本文模擬路堤表面及內(nèi)部2種工作狀態(tài)的含水率及上覆壓力變化，研究2種工作環(huán)境下弱膨脹土土體的干濕循環(huán)變形性能，得出以下幾點結(jié)論：

(1) 2種試驗條件下，弱膨脹土的變形呈現(xiàn)相似的變形規(guī)律，土體的干縮濕脹變形不完全可逆，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的相對脹縮率和絕對脹縮率均逐漸減小，第2次循環(huán)過程中土體膨脹變形最大，隨后逐漸減小并逐漸趨于穩(wěn)定，而土樣第1次絕對收縮變形最大，隨后逐漸減小并趨于穩(wěn)定，相對收縮變形第2次最大。

(2) 將膨脹土用于路堤內(nèi)部填筑時，土體的上覆壓力較大,含水率變化較小，土體的變形量明顯小于路堤表面環(huán)境下的變形量，這表明膨脹土土體的變形在一定的工作條件下可以滿足路堤的變形要求，在確定弱膨脹土用于路堤鋪筑的位置或深度時，應(yīng)結(jié)合該位置的含水率及荷載狀態(tài)綜合確定。

(3) 應(yīng)結(jié)合膨脹土的使用環(huán)境，并根據(jù)使用環(huán)境條件確定土樣的線脹縮總率eps及干濕循環(huán)變形特性，判斷膨脹土能否用于路堤填筑及確定土樣的處治方式。

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(編輯：姜小蘭)

Effect of Wetting-drying Cycles on Deformationof Weak Expansive Soil

BIAN Jia-min
(Department of Road, Bridge and Port Navigation Engineering, Nanjing Vocational Institute of Transport Technology, Nanjing 211188, China)

The effect of wet-dry cycles on the deformation characteristics of compacted weak expansive soil used in subgrade was investigated by simulating two working conditions (changes in loading and changes in moisture content). Results revealed that the swelling-shrinkage deformation of expansive soil was not completely reversible. Thelinear swelling ratio in the second wetting cycle was the largest, while the linear shrinkage ratio in the first shrinkage cycle was the largest. With the increasing of wetting-drying cycles, the swelling and shrinkage of specimens both reduced and stabilized gradually. The height of stabilized soil was different from that of the origin specimen. Moreover, changes in loading and moisture content both had great effect on the deformation characteristic of expansive soil. The results suggest that the influence of wet-dry cycle on the deformation of expansive soil used inside subgrade is smaller than that of working conditions on the subgrade. The position of filling expansive soil should be considered when determining the feasibility and treatment measures of subgrade.

weak expansive soil; subgrade filling; loading; wetting-drying cycle; deformation

2016-06-06；

：2016-08-03

邊加敏(1979-)，男，江蘇南京人，副教授，博士，主要從事非飽和土的教學(xué)與科研工作，(電話)15951670241(電子信箱)1085972499@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160576

2017,34(9):127-131,136

TU443

：A

：1001-5485(2017)09-0127-05