合肥地铁车站基坑膨胀土有荷条件下的变形规律研究

沈银斌，邵迅，吴军军，姚华彦，陈清

(1．机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安710043;2．合肥工业大学土木工程结构与材料安徽省重点实验室，安徽合肥230009)

合肥地铁车站基坑膨胀土有荷条件下的变形规律研究

沈银斌1，2，邵迅2，吴军军2，姚华彦2，陈清2

(1．机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安710043;2．合肥工业大学土木工程结构与材料安徽省重点实验室，安徽合肥230009)

为了考察合肥地区膨胀土的膨胀特性，选取合肥地铁车站基坑膨胀土进行了击实土样的有荷膨胀率试验，研究膨胀土的膨胀时程曲线特征及其有荷膨胀率与初始含水率、压实度、荷载的关系。试验结果表明:有荷膨胀时程曲线可分为等速膨胀、减速膨胀、缓慢膨胀阶段，初始条件不同膨胀时程曲线特征也不同;有荷膨胀率随初始含水率的增加而线性降低，有荷膨胀率与荷载的对数呈线性关系;压实度对有荷膨胀率的影响不显著。

膨胀土 有荷膨胀率 初始含水率 压实度 荷载

膨胀土具有吸水膨胀、失水收缩的特性，膨胀土的膨胀主要由内部和外部两方面因素导致。内部因素方面，膨胀土中主要矿物是蒙脱石、伊利石、高岭石等黏土矿物，这些矿物自身的胀缩导致了土宏观上的胀缩;而外部因素方面，上覆荷载、压实度、初始含水率等都可能影响膨胀土的膨胀特性。

国内外学者对于膨胀土的膨胀变形问题做了大量的研究，取得了很多成果。目前研究内容主要集中在以下两个方面:一是膨胀土的膨胀变形时程曲线特征。例如，文献［1-2］研究了无荷条件下膨胀土的膨胀时程曲线特征，文献［3-5］研究了荷载条件下的膨胀时程曲线特征。二是影响膨胀土膨胀特性的因素及其规律，如初始含水率、荷载、压实度等初始条件对膨胀特性的影响。文献［6-11］通过室内试验和数值拟合等方法得到了膨胀特性与上述因素的关系。但是对于不同地方的膨胀土，膨胀量计算公式中的参数均有所不同。

合肥地区因其长期遭受南淝河水流的侵蚀，逐渐发育成为膨胀土河谷阶地地貌［12］。合肥地铁1，2号线基坑、隧道开挖等均可能面临膨胀土的困扰，因此开展膨胀土膨胀变形特性的研究非常必要。本文依托合肥地铁1号线太湖路车站建设项目，进行了荷载条件下膨胀土的膨胀特性试验，以便为地铁施工提供参考。

1 有荷膨胀率试验

1.1 试验土样

土样取自合肥地铁1号线太湖路车站基坑内。土样主体呈淡黄色，含水率为20.5%，比重为2.47，液限为48.5%，塑限为23.0%，塑性指数为25.5，通过击实试验得到土样的最佳含水率为22%，最大干密度为1.58 g/cm3。根据《土的工程分类标准》(GB/T 50145—2007)［13］，所取土样属于低液限黏土(Ip≥10且ωL＜50%)。自由膨胀率为62%，而塑性指数在15～28，综合判定土样属于弱膨胀土。

1.2 试验方法

有荷膨胀率是指在一定荷载和侧限条件下，土样的膨胀量与初始高度之比，用百分比表示。试验土样按初始含水率分别为18%，20%，22%，压实度分别为90%，93%，96%，99%制样。

试验按照《土工试验规程》(SL237-002—1999)［14］进行。试验仪器采用固结仪，环刀试样装入固结仪后，立即加荷，荷载为200 kPa。在固结过程中，在试样周边缠上湿布条防止土样水分蒸发。固结稳定的标准为1 h内变形量不超过0.01 mm，固结稳定后自下而上向固结仪里注入蒸馏水，保持水面高出试样约5 mm。分200，100，50，25 kPa 4次卸载，并测定每次卸荷稳定后的膨胀量。膨胀稳定的标准为2 h内变形量不超过0.01 mm。各级荷载下的有荷膨胀率δ计算公式为

式中:Δh为每级荷载卸载前后的变形量，h0为试样初始高度。

2 试验结果与分析

不同初始含水率、压实度以及荷载下的有荷膨胀率试验结果见表1。

表1 有荷膨胀率试验结果

2.1 膨胀时程曲线特性

研究膨胀时程曲线的特性对于预测膨胀土的膨胀变形具有一定的工程意义。膨胀土的膨胀速度以膨胀率—时间关系曲线表征。图1为不同初始条件下的膨胀时程曲线。

如图1所示，有荷膨胀时程曲线可以分为3个阶段，即等速膨胀阶段、减速膨胀阶段和缓慢膨胀阶段。有荷膨胀曲线中第1阶段曲线接近直线，此时膨胀速度较快，第2阶段速度明显降低。试验中刚加入蒸馏水，由于土样吸力较大，吸水较快，膨胀量较大，但是由于荷载的存在，土样吸水渐渐变慢，膨胀速度降低。第3阶段，土样的有荷膨胀率基本趋于稳定。

不同初始条件下膨胀曲线的特征是有所区别的。由图1(a)可见，初始含水率与压实度一定，荷载较大时(如200，100 kPa)，等速膨胀阶段时间较长，主要膨胀量在此阶段完成。荷载的大小直接影响了等速膨胀阶段的速度，大荷载下本阶段的膨胀速度比小荷载下小，200 kPa荷载下等速膨胀阶段的膨胀速度明显小于其他3个荷载下。由大到小4个荷载下膨胀稳定的时间约分别为400，500，800，1 000 min。可见，荷载越大，膨胀稳定的时间越短。由图1(b)可知，初始含水率与荷载一定时，压实度小的土样开始阶段膨胀量大，膨胀速度快，膨胀稳定时间短，压实度大的土样减速膨胀阶段时间长，最后达到稳定的时间也较长。小压实度土样孔隙较多开始吸水量大，但吸水能力有限，大压实度土样恰恰相反，虽然开始进水困难，但是膨胀潜势大，最终膨胀量大。由图1(c)可见，压实度与荷载一定，初始含水率低时，土样等速膨胀阶段时间较长且膨胀速度快，膨胀稳定时间也较长，总膨胀量大;初始含水率较高时，土样等速膨胀阶段时间短，达到膨胀稳定的时间也短，总膨胀量小，说明大的初始含水率可以抑制膨胀速度，减少膨胀时间。这是因为含水率高的土样吸力较小，吸水量小，荷载进一步控制了土样的吸水，膨胀量小。

图1 不同初始条件下的膨胀时程曲线

2.2 有荷膨胀率与初始含水率的关系

图2为压实度一定时，不同荷载下有荷膨胀率随初始含水率的变化曲线。由图可见，压实度一定时，不同荷载下的有荷膨胀率随初始含水率的增加而降低，两者之间有着较显著的线性关系。有荷膨胀率与初始

含水率的关系可表示为

式中:δ为有荷膨胀率，w为初始含水率，a和b为一定压实度下与荷载相关的系数，a＜0。

荷载的大小也影响着两者之间的关系。压实度一定时，在200 kPa荷载下含水率对有荷膨胀率的影响较其他荷载更加显著。

由表1及图2可以看出，初始含水率为22%的土样在200 kPa的荷载下没有出现膨胀反而出现了湿陷现象。袁俊平等［3］认为，此时的土样在浸水后团粒结构塌陷，造成了土样的湿陷。出现这种高含水率大荷载下土体湿陷的原因，笔者认为是:在受到荷载作用时，土样克服外力表现出膨胀变形，在浸水的初始阶段，初始含水率高的土样吸水能力较低，水进入土样困难，从而抑制了土样膨胀量的增加，但土样在浸水过程中软化，故出现压密湿陷现象。

2.3 有荷膨胀率与荷载的关系

根据Bolt［15］的渗透理论，当土体受到外部荷载时，土体内水排出导致离子浓度升高，从而产生渗透压力。当渗透压力与外部压力相等时，达到平衡。当外部压力减小时，土体通过渗透压力吸收外部水分从而减小离子浓度，待渗透压力与外部压力再次相等时，达到新的平衡。所以，土体受到较大外部荷载时，土体的膨胀被抑制甚至出现压缩，而受到较小的外部荷载时，土体则可能出现较大的吸水膨胀。

图2 不同荷载下有荷膨胀率与含水率的关系

图3 不同含水率下有荷膨胀率与荷载的关系

图3为压实度一定时，不同初始含水率土样的有荷膨胀率随荷载的变化曲线。在4种压实度下，土样的有荷膨胀率与荷载的对数均有着显著的线性关系。有荷膨胀率随着荷载对数的增大而降低。

有荷膨胀率与荷载的关系可以表示为

式中:P为荷载;P0取1 kPa;c和d为压实度一定时与含水率相关的系数，c＜0。

因为参数c和d与初始含水率相关，尝试将c和d与初始含水率进行拟合，以压实度96%为例。发现c和d与初始含水率w有显著线性关系，如图4所示。

图4 参数c和d与初始含水率的拟合曲线

压实度为96%时，可将c和d与初始含水率w拟合为

式中:e1，e2，f1，f2均为拟合参数。

将式(4)和式(5)带入式(3)，可得压实度为96%时有荷膨胀率δ与荷载P和初始含水率w的关系式为

由图4的拟合结果得:e1=－0.062 5，e2=－0.015，f1=3.406 7，f2=－0.063 3，将其带入式(6)得到压实度为96%时有荷膨胀率δ的表达式

其他压实度下土样的有荷膨胀率亦可用上述方法推出。

2.4 有荷膨胀率与压实度的关系

关于有荷膨胀率试验中，压实度对于有荷膨胀率的影响，目前学者对此看法不一。本试验结果显示，压实度并非影响有荷膨胀率的主要因素。究其原因，可以认为:土样受到荷载的压缩作用，相当于再次被压实，制样时土样压实度的差异在受到荷载后变得小了，从而使压实度对有荷膨胀率的影响减小。这再次表明了荷载对有荷膨胀率有重要影响。

3 结论

本文选取了合肥地铁1号线太湖路车站基坑内的土样进行有荷膨胀率试验，研究了不同初始状态下膨胀土的膨胀特征。主要结论如下:

1)有荷膨胀时程曲线分为等速膨胀、减速膨胀、缓慢膨胀三个阶段。主要膨胀量在第一阶段完成。但不同初始条件下的膨胀曲线特征不同。

2)压实度与荷载一定时，有荷膨胀率随含水率的增加而降低，两者之间有着较显著的线性关系。并且初始含水率为22%、荷载为200 kPa时，土样出现湿陷现象。

3)压实度与初始含水率一定时，土样的有荷膨胀率与荷载的对数呈线性关系，有荷膨胀率随着荷载对数的增大而降低。

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Study on swelling law of expansive soil in foundation pit of Hefei metro station under loading condition

SHEN Yinbin1，2，SHAO Xun2，WU Junjun2，YAO Huayan2，CHEN Qing2
(1．China Jikan Research Institute of Engineering Investigations and Design Co．，Ltd．，Shaanxi Xi'an 710043，China; 2．Anhui Key Laboratory of Civil Engineering and Materials，Hefei Anhui 230009，China)

In order to investigate the swelling properties of expansive soil in Hefei，the loading swelling ratio experiments of compacted soil in foundation pit of Hefei subway station were carried out．T he expansion time curve characteristics of expansive soil and the relationship between loading swelling ratio and initial moisture content，compaction degree and loading were analyzed．T he results showed that the loading expansion time curve can be divided into such three phases as constant expansion，descending expansion and slow expansion，the expansion time curve characteristics are different under different initial conditions，loading swelling ratio decreases linearly with the initial moisture content increasing，there is a linear relationship between the loading swelling ratio and loading logarithm，and the influence of the compaction degree on the loading swelling ratio is not significant．

Expansive soil;Loading swelling ratio;Initial moisture content;Compaction degree;Loading

TU443;U231+．4

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．32

1003-1995(2015)04-0122-05

(责任审编葛全红)

2014-11-20;

2015-02-20

国家自然科学基金项目(51078123，51179043)

沈银斌(1983—)，男，浙江余姚人，工程师，博士。