变单向压力下重塑膨胀土膨胀试验研究

孙刚臣，刘 锋，刘宝臣

(1.长安大学 地质工程与测绘工程学院，陕西 西安710054;2.广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林541004;3.桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林541004)

0 引 言

膨胀土是具有明显失水收缩和吸水膨胀且富含亲水性矿物的高塑性黏质土。因其具有浸水后承载力衰减、湿胀干缩变形反复性以及失水干缩后裂隙发育等特点，致使其性质极其不稳定、对建筑物、构筑物及边坡等产生竖向或水平向的胀缩变形，进而造成位移、开裂甚至破坏等不良影响。又因为膨胀土在我国遍及广西、云南、河南、湖北、新疆、陕西、东北、内蒙、安徽等多省的山前、丘陵及阶地等。因此对膨胀土的胀限以及膨胀率的研究就显得更加重要了。

对膨胀土膨胀变形的研究经历了从单向膨胀变形(竖向)［1-2］到三向膨胀变形，这对膨胀土的描述更加确切，对实际中一些复杂工程地质中膨胀土的现场检测、实验室的模拟乃至模型试验［3］等都有了极大进展。同时关于轴向压力对膨胀土膨胀变形影响方面的研究也越来越多:杨和平等［4］开展了有荷条件下干湿循环作用对非饱和膨胀土的变形及强度试验研究，证明了荷载对膨胀土的干湿变形、干湿循环强度衰减有抑制作用。李振等［5］以安康重塑膨胀土为例，对不同初始状态的土进行试验证明了压力对膨胀土的膨胀变形具有抑制作用，并指出压缩变形变化率和减胀率两个指标的值越大，对膨胀土的抑制作用就越大。张爱军等［6］提出直接计算任意初始含水率、干重度的土体在任意压力下膨胀变形量的计算模式。

从对轴向压力的一维研究［7］到现在的三向等压下初始干密度、吸力、含水率等对膨胀土的影响，谢云等［8］对竖直向压力改变下各向因素对三向膨胀力影响程度的研究，以及对膨胀土石灰改良［9］、生物技术改良［10］方面的重大研究，使得对膨胀土的研究渐趋完善。在实际应用中，对建筑物地基及公路路基等所研究的以竖向力变化引起的胀缩变形规律为主，而对基坑、边坡等的研究则以水平向力变化引起的变形为重点。为了对膨胀土所受三向压力研究及应用更具普遍性，分别对变水平向与变竖直向压力下，对胀限、初始含水率、三向膨胀率等的影响放在一起研究也就显得非常必要了。

在试验设备方面，对于膨胀土三向胀缩测试仪器的研制还处于发展阶段，张颖钧［11］研制并使用“三向胀缩特性仪”进行六个典型膨胀土地区土样的三向膨胀力试验，得出重塑土的水平膨胀力小于垂直膨胀力，比值在0.65 左右。Elif Avsar 等［12］用圆柱状薄壁三向胀缩仪对安哥拉膨胀土进行研究，得出水平向膨胀力与垂直向之比在0.34 和0.98 之间。谢云等［8］通过重塑膨胀土的三向膨胀力试验等一系列试验，证明了竖向膨胀力与水平膨胀力之比随土的含水率和干密度不同而变化。秦冰等［13］改进了三向胀缩仪对高庙子膨润土的三向膨胀力特性进行研究，分析了水平膨胀力与竖直膨胀力受吸力、干密度的影响程度。还有研究者做出了重塑膨胀土三向恒定等压下三向膨胀量的研究，并得出竖向大于水平向膨胀率，且比值为1.21 ～1.27。并证明了该比值与三向压力、初始含水率无关［14］。

1 试验技术要求及试验方案

试验土料取自广西南(宁)友(谊关)高速公路宁明县出口处某工地，该地区膨胀土属于下第三系始新统那读组湖相黏土岩的残积-坡积土，母岩为下第三系那读组深灰色、灰褐色黏土页岩，受母岩结构的影响，天然残积膨胀土中广泛可见母岩残余结构，红色氧化铁富集［15］。该膨胀土是一种灰白色或棕黄色、斑纹状的残积型膨胀土，具有孔隙率高、含水量高、粘粒含量大、强度低以及CBR 浸水膨胀量大等特点［16］。本实验所用器材为桂林理工大学“膨胀土三向胀缩测试仪”(由谭波与桂林长海发展有限责任公司联合研制)，以平衡加压法为原理，通过机械传力装置对立方体试样直接、连续、稳定地施加三向恒压，通过滴水增湿，并用百分表直接测量三向变形，该仪器可以更稳定、简单、精确的施加三向压力［14，17］。对该膨胀土进行了变单向压力下的三向膨胀试验，设计了变X 向(水平向)压力和变Z 向(竖直向)压力两种试验。同时考虑到操作或外界环境等因素干扰，本实验采用平行试验。两组变单向压力三向膨胀试验六个测试，进行了四批，共计24 个试验。

三向膨胀试验前，将密封陈化的试样去除密封膜并称重，用游标卡尺测量立方体试样的尺寸。试验时，三向同时加载对应质量的砝码，并记录膨胀变形量，然后进行膨胀试验，并记录三向膨胀量。

在持续供水的前提下，当三向膨胀量均小于0.01 mm/2 h 时，认为膨胀完成，记录膨胀量后同时卸掉三向加压砝码，记录卸荷后回弹量，用干滤纸吸去试样表面的浮水，去掉各向湿滤纸并称重、测量各向尺寸、进行三向尺寸验证。

试验方案与试样的干密度、初始含水率见表1 所示，其中“ρ试验前”是密封陈化之后，进行试验前的干密度，而“ρ膨胀前”为了考虑试样加压收缩变形后的干密度，本处将各试样按照平行试样来处理。

表1 试验前试样的初始干密度和含水率Tab.1 The initial test specimen before the dry density and water content

2 变单向膨胀试验结果

将变单向压力三向膨胀试验结果联合三向等压试验中的各向压力均27 kPa 的膨胀试验结果，就得到了X 向压力和Z 向压力分别从27 kPa 增加到160 kPa 的三向膨胀率，三向膨胀率和试样胀限试验结果，如表2 所示。

表2 三向等压膨胀试验结果Tab.2 The expansion test results of three-directional Isobaric

3 试验成果的处理及分析

3.1 胀限与变单向压力和初始含水率的关系

对于变X 向压力膨胀试验，用同组四个试样的平均初始含水率作为该组试样的初始含水率，用四批次同级X 向平均压力作为该级X 向压力，根据表2 的测试结果，得到不同初始含水率ω0在各级变X向压力条件下的的胀限ωz，如表3 所示。

表3 变X 向压力试验的胀限Tab.3 The maximum water content of the variable X-directional pressure

根据表1 的试验结果，将三向压力相同，并以X 向压力为标签，初始含水率不同的各个试样的胀限绘制到图1 中，可以看出，相同压力下的胀限与初始含水率关系曲线基本呈直线状，这表明只要三向压力相同，无论初始含水率大小，胀限基本相等。该特征和三向等压试验时各向压力决定胀限大小，胀限与初始含水率无关的完全结论一致。

将三向压力相同，初始含水率不同试样的胀限取平均值，再和X 向压力比较，如图2 所示。

图1 不同ω0和P 下的ωzFig.1 ωz in different ω0and P situation

图2 平均胀限与X 向压力Fig.2 The average of the maximum water content and X-directional pressure

从图2 中分析可以看出试样的平均胀限与X 向压力的对数线性相关。即胀限ωz与X 向压力PX之间的关系为:

式中a、b 为拟合常参数，这也和三向等压，胀限与三向压力的关系相同。

对于变Z 向压力膨胀试验，用同组四个试样的平均初始含水率作为该组试样的初始含水率，用四批次同级Z 向平均压力作为该级Z 向压力，根据表2 的测试结果，得到不同初始含水率ω0在各级变Z向压力条件下的的胀限ωz，如表4 所示。

表4 变Z 向压力试验的胀限Tab.4 The maximum water content of the variable X-directional pressure

同样地，对于变Z 向压力膨胀试验，同样以Z 向压力为标签，将三向压力相同，初始含水率不同的各个试样的胀限绘制的图形如图3 所示。

从3 图分析中可以看出，相同压力下的胀限曲线呈基本直线状，这也表明只要三向压力相同，无论初始含水率大小，胀限基本一致的规律。

将三向压力相同，初始含水率不同试样的胀限取平均值，再和Z 向压力比较，得到图4。

图3 不同ω0和PZ下的ωzFig.3 ωz in different ω0 and PZ situation

图4 平均胀限与Z 向压力Fig.4 The average of the Maximum water content and Z-directional pressure

从4 图分析中可以看出试样的平均胀限与Z 向压力的对数线性相关。也就是胀限wz与Z 向压力pz的关系可以表示为:

式中a、b 为拟合常参数。

由式(1)，(2)可知，无论变X 向压力还是变Z 向压力，试样的胀限和该变向压力的对数线性相关，但还是由于另外两向的压力均为27 kPa，各级试验的胀限差异较小，对于变X 向压力和变Z 向压力，只要是三向总压力相等，试样的胀限就基本一致，胀限与初始含水率无关。

3.2 三向膨胀率与单向变压力的关系

根据表3 的试验结果，对于变X 向压力试验，可以分别得到不同初始含水率条件下的三向膨胀率与X 向压力的对应关系，如图5 所示。

图5 三向膨胀率与X 向压力Fig.5 The expansion rate of three-directional and X-directional pressure

同样地，根据表4 的试验结果，对于变Z 向压力三向膨胀试验，也可以分别得到不同初始含水率条件下Z 向压力与三向膨胀率之间的关系，如图6 所示。

图6 三向膨胀率与Z 向压力Fig.6 The expansion rate of three-directional and Z-directional pressure

由图5 和图6 可知，①无论对于变X 向压力，还是变Z 向压力三向膨胀试验，压力对于本向膨胀变形具有抑制作用，X 向或Z 膨胀率均可以与该向的压力的对数进行一次线性拟合;②对于变X 向压力三项膨胀试验，Y 向和Z 向的膨胀率随着X 向压力的增高而增大，这表明X 向压力对Y 向和Z 向的膨胀变形具有促进作用，X 向压力越大，对Y 向和Z 向膨胀变形的促进作用越大;③对于变Z 向压力三项膨胀试验，Z 向压力对X 和Y 向膨胀变形具有促进作用，Z 向压力越大，对X 向和Y 向膨胀变形的促进作用越大。

3.3 三向膨胀率与初始含水率的关系

为了研究三向膨胀率与初始含水率的关系，忽略各试样初始干密度的差异，将四个相同三向压力分别平均后作为该级膨胀的三向压力，根据表3 的试验结果。

将表1 和表2 中三向压力相同的各个试验，以每一个变化的X 向平均压力和Z 向平均压力为独立的数据组合，分别绘制出三向膨胀率和初始含水率之间的关系曲线，如图7 所示。

从图7、8 中可以看出，①各趋势线大致呈直线状，表明只要三向压力相等，各向膨胀率与试样初始含水率成反比，膨胀率与初始含水率呈一次线性负相关:②对于X 向变压力试验，Y 向Z 向的压力相等，但是Z 向膨胀率全部大于Y 向膨胀率，而X 向膨胀率最低，表明膨胀土在相同压力下，竖向膨胀率大于水平向的膨胀率;③对于变Z 向压力试验，水平X 向和Y 向的膨胀率曲线基本重合，两水平向的膨胀性相同，说明Z 向对X 和Y 向膨胀性的影响也相同。

从图7 中(d)中可以看出，当Z 向压力为水平向压力的2 倍时，三线基本重合。

其实图7 的数据忽略了试样干密度的影响，由于制样差异以及初始含水率为18%的试样本身含水率相对较高的因素，本批试验干密度偏小，所以，图7 中初始含水率为18%的个向膨胀率和其他三个点的趋势线相比较稍微偏小，但是这个不影响在相同三向压力条件下，各向膨胀率与初始含水率呈线性负相关的规律。

图7 三向膨胀率与初始含水率Fig.7 The swelling ratio of three-directional and initial water content

4 结 语

根据宁明灰白重塑膨胀土的变单向压力三向膨胀试验，可以得到如下几点规律:

①对于变单向压力三向膨胀试验，胀限可以与该向压力的对数进行线性拟合，胀限由三向压力决定，与初始含水率无关。

②对于变单向压力三向膨胀试验，无论水平向压力还是竖向压力，均会抑制该向的膨胀变形，该向膨胀可与该向压力的对数进行一次线性拟合;任意一向压力同时会促进另外两向膨胀变形，该向压力越大，对另外两向膨胀变形的促进作用越大。

③相同压力条件下，三向膨胀率均与初始含水率呈一次线性负相关;当竖直向压力为水平向压力的2 倍时，各向膨胀率与初始含水率关系曲线基本重合。

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