砂-膨潤(rùn)土-石膏混合材料脹縮特性試驗(yàn)研究

胡金山

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司地質(zhì)路基處，陜西西安710043）

膨脹土具有裂隙性、超固結(jié)性等性質(zhì)，主要分布于我國(guó)中部、東部省份，具有遇水膨脹、失水收縮的特殊性質(zhì)。膨脹土地基工程事故頻繁發(fā)生，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。例如鐵路、公路等路基沉降、隆起、開裂；邊坡坡面隆起、溜坍；建筑物及地坪開裂變形；圍巖失穩(wěn)等工程事故［1-2］。

目前，膨脹性材料脹縮特性研究逐步增多［3-8］，砂-膨潤(rùn)土-石膏混合物膨脹性材料研究較少，本文結(jié)合土工試驗(yàn)探索研究不同配比的砂、膨潤(rùn)土、石膏混合物脹縮特性及變形機(jī)理，為研究膨脹土脹縮變形機(jī)理、裂隙性提供參考，也為工程中如何更好的處理膨脹土地基提供好的思路。

1 試驗(yàn)研究

1.1 材料

試驗(yàn)采用細(xì)砂經(jīng)過(guò)洗滌、干燥，過(guò)0.5 mm篩，模擬膨脹土中主要礦物成分。采用石膏加強(qiáng)砂顆粒間的粘結(jié)，主要化學(xué)成分是硫酸鈣（CaSO4·1/2H2O）。

1.2 試樣制備

準(zhǔn)備砂、膨潤(rùn)土、石膏材料，按質(zhì)量比7∶6∶1比例進(jìn)行配置混合材料，配制不同含水率多組試樣，實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)徑為61.8 mm高為20 mm環(huán)刀制取試樣。每一種含水率混合材料制取3～5組試樣。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

1.3.1 無(wú)荷膨脹變形試驗(yàn)

采用WZ--2型膨脹儀進(jìn)行無(wú)荷脹縮對(duì)比試驗(yàn)，如圖1所示。通過(guò)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，獲取含水率17.3%、干密度1.76 g/cm3試樣。烘干透水石，放入試樣，注水，記錄膨脹變形量隨時(shí)間變化讀數(shù)，注意觀測(cè)膨脹儀中水位，并及時(shí)注水，保證試樣上下同時(shí)浸水，測(cè)讀百分表，直至試樣不再膨脹為止。

1.3.2 無(wú)荷收縮變形試驗(yàn)

無(wú)荷載收縮試驗(yàn)采用自制的底座板、百分表、透水底板及透水蓋板組成，如圖2所示。膨脹試驗(yàn)完成后，去掉試樣刀環(huán)，進(jìn)行收縮試驗(yàn)。放置試樣，進(jìn)行自然風(fēng)干失水試驗(yàn)，記錄變形量隨時(shí)間變化讀數(shù)，測(cè)讀百分表，直至試樣不再收縮為止。

圖1 無(wú)荷膨脹試驗(yàn)

圖2 無(wú)荷收縮試驗(yàn)

1.3.3 膨脹力試驗(yàn)

采用YYW--2應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓力儀進(jìn)行材料膨脹力試驗(yàn)，如圖3所示。通過(guò)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，獲取含水率13%試樣。按自制的裝置組裝，試樣上下部為透水石，下部構(gòu)件應(yīng)帶孔，保證試樣上下同時(shí)浸水，組裝高度略低于茶杯口。裝置放入壓力儀，調(diào)整百分表，進(jìn)行注水，通過(guò)調(diào)整試樣上下位置使百分表穩(wěn)定在初始數(shù)值，保證試樣體積不變，記錄膨脹力隨時(shí)間變化讀數(shù)，注意觀測(cè)膨脹儀中水位，并及時(shí)注水，測(cè)讀百分表，直至試樣不再膨脹為止。

圖3 膨脹力測(cè)定儀

采用下式計(jì)算膨脹力

式中，Pc為膨脹力，kPa；A為試樣面積，cm2；G為試樣上部所受力，N。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 無(wú)荷膨脹試驗(yàn)

無(wú)荷條件下膨脹、收縮量隨時(shí)間變化不斷增大，初期脹縮快，后期逐漸趨緩；最大膨脹量2.1 mm，線膨脹率10.6%；最大收縮量1.6 mm，線收縮率8.3%，如圖4所示。

2.2 40 h收縮特性

40 h收縮變形觀測(cè)顯示：試樣沿邊沿收縮開裂，裂縫逐漸增大，收縮13 h達(dá)最大，約3.2 mm。隨后裂縫寬度逐漸縮小，約40 h裂縫消除［9］。

2.3 膨脹力試驗(yàn)

制取含水率13%試樣，擊實(shí)，測(cè)定膨脹力。

膨脹力隨著時(shí)間逐漸增大，初期增長(zhǎng)速率快，后期逐漸減緩；干密度越大，膨脹力越大，如圖5所示。

圖4 脹縮變形——時(shí)間關(guān)系曲線

圖5 膨脹力與時(shí)間的關(guān)系曲線

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1 脹縮變形機(jī)理

膨脹曲線及數(shù)據(jù)說(shuō)明砂-膨潤(rùn)土-石膏混合物具有遇水膨脹，失水收縮特性，且膨脹與收縮并非一個(gè)完全可逆過(guò)程。脹縮變形曲線可由下列公式表示［10］

式中，δ為膨脹率或收縮率，t為時(shí)間，α、β為常數(shù)。

2.4.2 膨脹疲勞現(xiàn)象

40 h收縮變形試驗(yàn)說(shuō)明脹縮非可逆過(guò)程。

陳浮華等在進(jìn)行粘土試驗(yàn)中得出：粘土試樣浸水完全膨脹，再干燥收縮至初始含水量，再浸水飽和，進(jìn)行多次循環(huán)試驗(yàn)，干濕循環(huán)試驗(yàn)顯示出疲勞現(xiàn)象［11］，膨脹疲勞曲線如圖 6 所示［12］。

2.4.3 膨脹力與初始干密度關(guān)系

浸水初期膨脹力增長(zhǎng)快，然后逐漸減緩。這是因?yàn)樵嚇咏蛎?，逐漸破壞顆粒間分子力，顆粒間密實(shí)性逐漸減弱。

初始干密度越大，顆粒間越密實(shí)，膨脹潛勢(shì)越大，膨脹力越大。

圖6 膨脹疲勞曲線

3 結(jié)論

（1）砂-膨潤(rùn)土-石膏混合材料具有遇水膨脹、失水收縮特性，裂隙性是在收縮過(guò)程中產(chǎn)生的。

（2）砂-膨潤(rùn)土-石膏混合材料收縮量小于膨脹量，膨脹與收縮不是可逆過(guò)程，脹縮具有疲勞衰減的特性。

（3）砂-膨潤(rùn)土-石膏混合材料遇水膨脹產(chǎn)生膨脹力，膨脹潛勢(shì)與初始干密度密切相關(guān)，初始干密度越大，膨脹力越大。

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