含水率對中膨脹土力學(xué)性質(zhì)的影響分析

王 歡,楊立功*,趙玉田,劉曉強(qiáng)

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,天津 300456;2.上海交通建設(shè)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(shí)質(zhì)就是水膜形成并加厚,在黏土顆粒表面形成一種“楔”力,進(jìn)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(gòu)筑物的損壞,同時(shí)能科學(xué)合理地處理膨脹土地基,對膨脹土吸水膨脹的發(fā)展規(guī)律及吸水膨脹后其力學(xué)性質(zhì)的變化研究極為重要[9-12]。

針對膨脹土吸水后的力學(xué)特性變化,許多學(xué)者做了相關(guān)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(huán)下坡體溫度、含水率、土壓力以及位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,研究了凍融循環(huán)下,不同初始含水率膨脹土邊坡坡體各指標(biāo)的變化規(guī)律,進(jìn)而探究初始含水率對膨脹土邊坡穩(wěn)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(nèi)共振柱試驗(yàn),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(guān)系,研究結(jié)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(xù)含水率之間雖然呈非線性關(guān)系,但在很大含水率范圍(約50%)內(nèi),中膨脹土膨脹率與含水率之間近似呈線性關(guān)系。李進(jìn)前[15]研究膨脹土增濕過程中的膨脹規(guī)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(guī)律,試驗(yàn)結(jié)果表明膨脹土無荷膨脹率隨含水率變化過程分為3個(gè)階段,分別為快速膨脹階段、緩慢膨脹階段和趨于穩(wěn)定階段,得到3個(gè)變化節(jié)點(diǎn)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(jié)構(gòu)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(qiáng)度增加,在較高的干燥速率下,容易發(fā)生不均勻變形,從而進(jìn)一步促進(jìn)裂紋的發(fā)展。ZHENG等[17]討論了粘聚力和摩擦強(qiáng)度的物理意義,解釋了膨脹土的力學(xué)特性,研究了膨脹土強(qiáng)度參數(shù)隨含水量的變化規(guī)律。通過與直剪試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)的結(jié)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(guān)系。MOHAMMED等[18]在不同初始含水量和干容重下建立了一個(gè)大型土壤模型顯示含水量隨時(shí)間對土壤膨脹的影響,在同一土壤的膨脹試驗(yàn)中,膨脹率從大比例尺模型得到的結(jié)果高于從固結(jié)儀得到的結(jié)果。膨脹勢隨著土壤吸力的增加而降低經(jīng)受不同的飽和期。

以上學(xué)者對膨脹土不同含水率的力學(xué)性質(zhì)研究較單一,沒有系統(tǒng)的分析膨脹土吸水膨脹后對各力學(xué)參數(shù)的影響。膨脹土在我國有廣泛分布,而安徽地區(qū)是膨脹土的主要分布省份之一[19]。文章土樣來自引江濟(jì)淮工程深切嶺段現(xiàn)場的中膨脹土,通過室內(nèi)試驗(yàn)研究不同初始含水率時(shí)吸濕后膨脹土的力學(xué)參數(shù)變化,可用于膨脹土地區(qū)在土體吸濕條件下力學(xué)性能的計(jì)算分析,為工程項(xiàng)目施工提供參考。

1 含水率與膨脹率的關(guān)系

膨脹率是膨脹土膨脹特性的外在體現(xiàn),是膨脹土脹縮變形計(jì)算中的重要參數(shù),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(tài)一定的情況下,為研究膨脹土在不同含水率條件下的力學(xué)性質(zhì),首先要確定含水率與膨脹土的關(guān)系。例如：無荷條件下,試驗(yàn)測定初始含水率15%、干密度1.45 g/cm3的力學(xué)指標(biāo),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(jìn)而開展相關(guān)的試驗(yàn)測定其各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)。當(dāng)后續(xù)含水率為20%時(shí)(初始含水率15%條件下含水率增加到20%),由于不能預(yù)測其吸水膨脹變形,土體的干密度未知,無法進(jìn)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(xù)含水率條件下的膨脹率,進(jìn)而可以預(yù)測其膨脹變形,通過膨脹變形,計(jì)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(yàn)內(nèi)容

自由膨脹率為65%～90%時(shí)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(jìn)行重塑,控制其初始含水率、干密度(表1)。

表1 試驗(yàn)方案Tab.1 Experiment scheme

(1)每組編號制作10個(gè)以上初始條件相同(初始含水率、干密度相同)的膨脹土環(huán)刀土樣;(2)在有側(cè)限、無荷載的條件下對這批土樣浸水,且每個(gè)土樣的含水率不同;(3)浸水同時(shí)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(shù);(4)將土樣取出放進(jìn)烘箱;(5)24 h后取出土樣,測定土樣質(zhì)量;(6)計(jì)算每個(gè)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(guān)系曲線。

1.2 含水率與膨脹率關(guān)系分析

不同初始條件下,膨脹土含水率與側(cè)限、無荷載膨脹率關(guān)系如圖1所示?？梢钥闯?膨脹率與含水率之間基本呈線性關(guān)系。隨初始含水率增大,同一后續(xù)含水率的土體膨脹率逐漸降低;隨著干密度增大,同一后續(xù)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(shí),干密度大,膨脹土吸濕膨脹率與含水率關(guān)系曲線的斜率越大,膨脹土在密實(shí)狀態(tài)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(shí),初始含水率越大,膨脹土膨脹率與初始含水率關(guān)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(xué)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

確定一定初始含水率、干密度狀態(tài)下土體膨脹過程中各狀態(tài)物理力學(xué)性質(zhì)的變化。

根據(jù)含水率與膨脹率的關(guān)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(tài)下,不同階段含水率的試樣,試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案Tab.2 Experiment scheme

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

依據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》分別對初始狀態(tài)的膨脹土及吸水膨脹后的土體做密度試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、膨脹力試驗(yàn)。

3 結(jié)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(shí)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(guān)系曲線為線性關(guān)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(dāng)含水率大于40%時(shí),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(xù)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(xù)含水率關(guān)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(jié)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(qiáng)的地區(qū)可以提高土體干密度,降水較強(qiáng)的區(qū)域要適當(dāng)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(shù)。

初始含水率相同的條件下,繪制不同干密度時(shí)土體吸濕后的壓縮系數(shù)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(shù)的變化趨勢發(fā)生改變,初始含水率越大,壓縮系數(shù)增長越快。吸水后土體隨含水率的增加壓縮系數(shù)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(shù)越大。當(dāng)含水率達(dá)到25%～30%時(shí),壓縮系數(shù)變化逐漸減緩,當(dāng)土體含水率達(dá)到30%以上時(shí)壓縮系數(shù)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(shù)與后續(xù)含水率關(guān)系Fig.3 Relationship between compressibility and subsequent moisture content under different initial conditions

壓縮系數(shù)增大不利于土體穩(wěn)定性,尤其是干密度越小的土體吸水膨脹后壓縮系數(shù)變化更大,控制地基的變形并了解變形與時(shí)間的關(guān)系,對設(shè)計(jì)、施工都非常有利。工程現(xiàn)場土體要控制在小壓縮系數(shù)、較大干密度、較小含水率變化范圍內(nèi)。

兩年前，我在MIT的迎新會上，當(dāng)時(shí)在場的校友驚訝地發(fā)現(xiàn)，被錄取的新生中來自北京的全都是女生！這是個(gè)令人擔(dān)憂的傾向，因?yàn)槔砉た埔恢币詠矶急灰暈槟猩瞄L的領(lǐng)域。我們的男孩到哪里去了？

(2)壓縮模量。

初始含水率相同的條件下,繪制不同干密度時(shí)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(dāng)含水率達(dá)到25%～30%時(shí),壓縮模量變化逐漸減緩,當(dāng)土體含水率達(dá)到30%以上時(shí)壓縮模量變化趨于穩(wěn)定,變化幅值很小,可見后期土體的應(yīng)力、應(yīng)變比例穩(wěn)定為彈性關(guān)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(xù)含水率關(guān)系Fig.4 Relationship between compression modulus and subsequent moisture content under different initial conditions

降雨量隨季節(jié)出現(xiàn)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(dǎo)意義,土體初始干密度的影響對后續(xù)不同含水率土體的壓縮模量影響不顯著,施工時(shí)可主要參考后續(xù)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(shí)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(dāng)含水率達(dá)到25%～30%時(shí),黏聚力變化逐漸減緩,當(dāng)土體含水率達(dá)到30%以上時(shí)黏聚力變化趨于穩(wěn)定,變化幅值減小,可見后期土體隨含水率的增加,土粒內(nèi)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(xù)含水率關(guān)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(xiàn)場的環(huán)境變化,尤其是土體含水率較大時(shí)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(jù)。

初始含水率相同的條件下,繪制不同干密度時(shí)土體吸濕后的內(nèi)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(nèi)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(nèi)摩擦角越大,當(dāng)含水率達(dá)到25%～30%時(shí),內(nèi)摩擦角變化逐漸減緩,當(dāng)土體含水率達(dá)到30%以上時(shí)內(nèi)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(nèi)摩擦角與后續(xù)含水率關(guān)系Fig.6 Relationship between internal friction angle and subsequent moisture content under different initial conditions

含水率增大,土體內(nèi)摩擦角減小,內(nèi)摩擦角減小容易使土體滑動(dòng)而造成邊坡不穩(wěn),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(nèi)摩擦角,經(jīng)檢測可將內(nèi)摩擦角控制在一定安全范圍內(nèi)。

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(shí)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(nèi)時(shí),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(dāng)含水率達(dá)到25%～30%時(shí),膨脹力變化逐漸減緩,當(dāng)土體含水率達(dá)到30%以上時(shí)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(xù)含水率關(guān)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(shí)應(yīng)控制建筑物的局部上浮,結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,確保既有建筑處于安全穩(wěn)定狀態(tài),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(jié)論

本文開展了含水率對中膨脹土力學(xué)性質(zhì)的影響,分析一定初始含水率、干密度狀態(tài)下土體膨脹過程中各狀態(tài)力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律,得出以下結(jié)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(guān)系,可以根據(jù)膨脹率與含水率的關(guān)系控制相應(yīng)初始含水率條件下的土樣體積,進(jìn)行膨脹土吸濕后的各項(xiàng)力學(xué)試驗(yàn),進(jìn)而得到在該含水率條件下土體的力學(xué)指標(biāo);

(2)隨初始含水率增加,土體膨脹率與含水率線性關(guān)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(guān)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(nèi)摩擦角減小,壓縮系數(shù)、膨脹力增加。在含水率達(dá)到30%～40%時(shí),膨脹土的壓縮系數(shù)、壓縮模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角及膨脹力會出現(xiàn)拐點(diǎn),在該含水率范圍內(nèi),膨脹土接近飽和,含水率繼續(xù)增大時(shí),各試驗(yàn)參數(shù)變化緩慢;

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