南水北调禹州段压实膨胀土膨胀性试验研究

王 征，周 进，黄志全

(华北水利水电学院 资源与环境学院，河南 郑州 450011)

我国是膨胀土分布最广的国家之一，在分布地区由于大量使用人工压实膨胀土作为公路、水利和土木建筑等工程方面的施工材料，由此引起了大量的建筑物破坏，导致了巨大的经济损失，从而引起了许多专家对膨胀土的变形和强度开展了大量的研究工作。人工压实膨胀土与原状膨胀土性质有所不同，由于在压实过程中的结构再排列，使得其膨胀性较原状膨胀土大几倍甚至更多［1-2］。

膨胀土主要是由强亲水性的黏土矿物组成，其中伊利石，蒙脱石等黏土矿物使膨胀土具有失水收缩、吸水膨胀的特性。膨胀土吸水产生体积膨胀是由膨胀土中水分子在黏土矿物颗粒周围形成具有一定排列方向的水膜引起的，是自由水渗入矿物颗粒间转化为结合水，并在土粒间产生结合力，随着结合水膜的厚度增加，使土粒间的净距离增加，从而导致土体的膨胀［3］。本文对河南禹州膨胀土进行了相应的试验研究，得到了人工压实膨胀土的膨胀变形与干密度、含水率和竖向荷载这三个因素的变化规律，以及膨胀力与初始含水率和干密度的变化规律。

1 膨胀土的膨胀变形规律

试样取自河南禹州地区，其自由膨胀率为42%，相对密度为2.72，属于弱膨胀土。

膨胀变形试验是在轻便固结仪上完成的，为了研究不同状态下压实膨胀土的膨胀变形规律，将膨胀土制成干密度分别为 1.45 g/cm3，1.53 g/cm3，1.60 g/cm3，1.70 g/cm3和含水率分别为12%，15%，18%，21%的土样，总共进行48个土样的无荷单向膨胀率试验，试验结束后试样均已达到饱和状态，其试验结果见表1。

表1 无荷膨胀率的试验数据 %

1.1 膨胀率与初始含水率的相关性

膨胀土的吸水膨胀是膨胀土的主要特点，其单向膨胀率 δH为

式中，ΔH是土样膨胀后高度变化量，H0是膨胀土样浸水前的高度。

根据表1的试验结果，在试验结果分析中发现土样的干密度不变，膨胀土的浸水膨胀变形与土样的初始含水率密切相关，初始含水率越大膨胀率越小。对无荷膨胀变形与含水率进行回归分析，河南禹州膨胀土膨胀变形回归分析结果见表2，图1为不同干密度膨胀土无荷膨胀率与初始含水率相关分析图。

图1 无荷膨胀率与含水率的关系

表2 无荷膨胀率与初始含水率的回归分析式

1.2 膨胀率与干密度的相关性

在试验结果分析中发现初始含水率不变，膨胀土的浸水膨胀变形与土样的干密度密切相关，干密度越大膨胀率越大。表3为不同初始含水率土样的干密度与膨胀变形回归分析的结果。图2为不同初始含水率膨胀土样无荷膨胀率与干密度的相关分析图。

表3 无荷膨胀率与干密度的回归分析式

图2 无荷膨胀率与干密度的关系

对表2、表3进行二元回归分析，可总结出河南禹州膨胀土膨胀变形与土样初始含水率、干密度的关系

其中，a= －2.065，b=2.512，c=51.621，d= －61.48。

从式(2)可看出，膨胀率随土样干密度的增加而增加，式(2)右边第一项当γd≥1.22 g/cm3时，这一项为负值，说明这时无荷膨胀率随初始含水率的增加而降低。

1.3 膨胀率与竖向荷载的关系

膨胀土遇水后发生自由膨胀变形，当有竖向荷载作用时，膨胀土的变形将受到压制。不同荷载条件下浸水膨胀变形试验是在轻便固结仪上完成的，土样初始含水率为18%，干密度为1.66 g/cm3，土样膨胀时所受的竖向荷载分别为 0，12.5 kPa，25.0 kPa，50.0 kPa，75.0 kPa。试验中竖向压力是在试验前一次加上的，加压稳定后土样开始浸水膨胀，膨胀变形稳定后的土样都已达到饱和。试验结果见表4。

表4 不同竖向荷载的膨胀率Vhp试验数据

目前已经有很多学者提出了很多关于膨胀率与竖向荷载的计算公式，本次试验采用文献［4］提出的膨胀率与竖向荷载的关系式

式中，A，B为试验参数;pa为大气压力;σz为竖向压力。

式(3)将压力通过与大气压力的比值使之无量刚化，且可以反应出压力为0时膨胀量的情况［5］，故本文用(3)式对膨胀率与竖向荷载进行拟合。当竖向荷载为0时，参数A的值为无荷膨胀率，而参数 B的值随初始含水率、干密度的变化而不同，由试验确定。用式(3)对本次试验结果进行拟合，如图3所示，其中A=7.63，B=6.091 6，表明式(3)可以很好地拟合试验结果。

图3 不同竖向荷载下的膨胀量试验值的拟合曲线

1.4 膨胀率的计算模式

将式(2)、式(3)联立，就可以得到考虑初始含水率、干密度和竖向荷载耦合作用的膨胀率计算公式

式中，a，b，c，d，B 为试验参数。

2 膨胀土的膨胀力变化规律

膨胀力按《岩土工程基本术语标准》中定义，是土体在不允许侧向变形下充分吸水，使其保持不发生竖向膨胀变形所施加的最大压力值［6］。卢肇均在研究非饱和膨胀土膨胀力与吸力的关系中认为膨胀力是吸力的反作用力［7］。影响膨胀土的膨胀力的因素有很多，主要有膨胀土的矿物成分、孔隙比、结构、含水率、干密度、饱和度、应力历史等［8-11］。本文就膨胀土样的含水率、干密度对膨胀土的膨胀力的影响进行相应的试验研究。膨胀土的膨胀力的测定是在轻便固结仪上进行的，使用的方法是平衡加压法。其方法是将膨胀土及环刀一同压入固结钢环内，土样上下均用干燥滤纸及透水石覆盖并逐步浸水，为了试验时加荷准确方便，用铁砂子代替砝码和吊盘保持土样的体积不变直至稳定，如此测得膨胀土浸水后产生的膨胀力。其试验过程不会引起土体结构破坏，也符合膨胀力的物理意义［8］。不同初始含水率和干密度土样的膨胀力是不一样的。表5为几种土样膨胀力的测试结果。

2.1 膨胀力与初始含水率的关系

对表5进行分析，可以看出相同干密度土样的初始含水率与其膨胀力的对数存在相关性。图4为lnp－ω0的相关分析图，表6为土样膨胀力与初始含水率相关分析的结果。

图4 lnp—ω0关系曲线

2.2 膨胀力与干密度的关系

研究发现，相同含水率土样的干密度与其膨胀力的对数存在相关性。分析结果见图5和表7。

表6 lnp－ω0相关分析式

图5 lnp—γd相关分析

表7 膨胀土样lnp－γd相关分析式

对表6、表7进行二元回归分析，可总结出膨胀力与干密度和初始含水率的关系

从式(5)可看出，膨胀力随土样的干密度的增加而增加，随初始含水率的增加而降低。

3 试验结果验证

为了验证以上计算公式的正确性，用式(4)对竖向荷载为25 kPa下的计算膨胀率与实际试验的数据进行比较如表8所示;用式(5)计算的膨胀力与实际试验的数据进行比较如表9所示。

表8 膨胀率计算结果与试验结果比较

表9 膨胀力计算结果与试验结果比较

从表8、表9可以看出，膨胀率和膨胀力的最大误差分别为5.516%和9.811%，符合试验误差要求，证明本文提出的计算公式是正确的。

4 结论

1)对于特定的人工压实膨胀土，其竖向膨胀率随土样干密度的增加而增加，随土样初始含水率的增加而减少，随竖向荷载的增加而减小。

2)膨胀土的膨胀力随初始含水率的增加而减小，随干密度的增加而增大。

3)本文提出了考虑初始含水率和初始干密度和竖向压力三个因素的膨胀变形计算公式，以及考虑初始含水率和干密度两个因素的膨胀力计算公式。在实际工程中可以依据本文提出的计算公式，预测膨胀土体可能产生的变形。

［1］ 杜红伟，谢玉辉，张池．南阳地区中弱膨胀土的试验研究［J］．铁道建筑，2010(8):107-109．

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