上覆荷载和厚度对原状膨胀土膨胀量的影响分析

王炳忠,王起才,2,张戎令,2, 3,薛彦瑾,卓 彬,祁 强

(1.兰州交通大学土木工程学院,兰州 730070； 2.兰州交通大学道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室,兰州 730070； 3.兰州交通大学甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室,兰州 730070)

1 概述

我国是世界上膨胀土分布最广、面积最大的国家之一[1]。随着我国交通事业的飞速发展，大量涌现出以膨胀土地基为基础的高速铁路。膨胀土是一种具有多裂隙、显著膨胀性和超固结性的土，黏粒成分主要由蒙脱石和伊利石等亲水性的矿物组成，其吸水膨胀软化，失水收缩开裂[2]，对高速铁路路基的稳定性及安全性极为不利，进而对线路运行的平稳性和舒适性带来了极大考验[1]。据统计，我国每年因膨胀土造成的经济损失约达数百亿元[3]。因而对膨胀土的研究越来越引起工程界的重视。

国内外专家和学者对膨胀土的膨胀变形进行了大量试验研究，并取得了一系列重要成果，如不同含水率、不同初始干密度、不同上覆荷载对重塑土膨胀量的影响。吴小山[4]对邵阳膨胀土进行了浸水时间、压实度、上覆荷载大小、含水率对膨胀量的影响试验，得出膨胀变形在浸水初期发展较快，后期发展缓慢，膨胀变形随上覆荷载和含水率增加分别表现为对数减小和线性减小关系；李化云[5]用三轴膨胀试验模拟膨胀土在一定埋深条件下其吸水膨胀的真实过程，得出有荷膨胀率随饱和度指数变化关系；刘清秉[6]对南阳膨胀土开展了不同初始压实状态下侧限及三向应力状态膨胀试验，运用数学方法建立了同时考虑压实度、起始含水率及压力三因素耦合影响的K0膨胀模型；张爱军[7]等以陕西安康压实膨胀土为对象，通过不同初始干重度、初始含水量和上覆荷载的一系列膨胀量试验，得到了人工压实膨胀土的膨胀变形变化规律；李献民[8]等以湖南邵阳膨胀土为例，对击实膨胀土工程变形特性进行了试验研究；刘斯宏[9]等对南阳膨胀土进行试验，得出了膨胀土浸水膨胀率随浸水膨胀过程中所受竖向荷载的增大而减小的结论；朱建强[10]等采用自由膨胀加荷法研究了水分对膨胀变形和膨胀压力的影响；许瑛[11]等研究了陕西安康弱膨胀土，得出了膨胀量与上覆荷载成负指数关系及膨胀量与初始含水量对数成直线关系的结论；徐永福[12-13]等研究了宁夏膨胀土的膨胀变形，得出了膨胀量分别与上覆荷载和初始含水率的关系。李振[14-15]等通过不同干密度下膨胀土浸水增湿膨胀变形试验，测试了试样在浸水前后不同荷载下膨胀变形量的变化过程，得出了垂直荷载越大最终膨胀率越小的结论。胡瑾[16]等通过室内无荷载和有荷载膨胀率试验，得出荷载与膨胀稳定后膨胀土孔隙比、干密度的关系。综上可知，专家们对重塑膨胀土进行了大量的试验研究，而对原状土研究得相对较少。但高铁地基以原状膨胀土的情况出现得较多，因此研究原状膨胀土对高铁地基的安全稳定性变得更为必要。

本文主要以兰新高铁一典型膨胀地段原状土为研究对象，对影响原状土膨胀量的厚度、上覆荷载因素进行了试验研究，得出膨胀量分别与厚度、上覆荷载关系，并拟合出膨胀量与上覆荷载试验公式，为实际工程中膨胀量的预测和计算提供理论支撑。

2 室内试验

2.1 试验材料

本试验所用膨胀土土样取自兰新高铁，取土里程为DK1346+000处，深度为12～18 m。采用钻机取样，为防止土样因空气中水分蒸发而发生裂隙等破坏，从钻机取出土样后，迅速用保鲜膜包裹5层，两端用胶带密封完整，如图1所示。在室内按照《铁路工程土工试验规程》(TB10102—2010)测得其物理指标如表1所示。

图1 取回原状土样

天然含水率/%风干含水率/%干密度/(g/cm3)液限/%塑限/%比重自由膨胀率/%阳离子交换/(mmol/kg)11.261.8857.823.72.7460.2238.37

2.2 试验方案

土体的初始条件(初始含水率、密度)与膨胀变形有密切关系，为了探究膨胀量与上覆荷载、厚度之间的关系，控制试样初始条件相同而进行膨胀量与某一变量关系试验。

试验前先将土样在自然状态下风干，其风干含水率为6%，初始干密度为1.88 g/cm3，将风干后土样用切割机、磨光机和砂纸等工具加工成直径为8 cm，厚为2、4、6 cm的原状土土样若干。试样在试验装置上安装好后，分别对2、4、6 cm厚试样施加0、10、20、30、40、50 kPa的上覆荷载。加载结束后待位移传感器稳定后开始向土样注水，注水方式为一次性注水直至试样饱和，注水过程中始终保持水管水头高出土样5 cm，直到土样膨胀稳定后注水结束。最终膨胀稳定标准为2 h内位移传感器读数不超过0.01 mm。无荷和有荷膨胀量试验均保证注水膨胀时间不少于2 d。试验装置如图2所示。

图2 试验装置

3 结果与分析

3.1 上覆荷载对原状膨胀土膨胀量的影响

图3为不同厚度土样的上覆荷载与膨胀量关系曲线，由图3可知，当上覆荷载为0、10、20、30、40、50 kPa时，h=2 cm土样的最终膨胀量分别为0.298、0.237、0.21、0.166、0.142、0.126 mm，即随着上覆荷载的增大，膨胀量在逐渐减小，且荷载越大，膨胀量越小，h=4 cm、h=6 cm土样呈相似规律。这是因为：(1)上覆荷载越大对膨胀性黏土颗粒(蒙脱石、伊利石、高岭石)的抑制作用越强。上覆荷载使得土体附加应力增大，作用于黏土颗粒的外力增大，抵消一部分膨胀性黏土颗粒的膨胀力，这样膨胀颗粒自身膨胀变形减小。(2)上覆荷载抑制了膨胀性黏土颗粒表面吸附水膜的厚度，且上覆荷载越大，水膜厚度越薄，即膨胀性黏土颗粒的膨胀性越弱，最终膨胀量越小。(3)当膨胀土吸水膨胀时，上覆荷载抑制了土体的竖向膨胀量，导致膨胀量向土体孔隙中释放，最终将使土体更加密实，且上覆荷载越大土体越密实，竖向膨胀量越小。由以上分析可知，对于埋深较深的膨胀土，一方面承受很大的自重应力，另一方面膨胀颗粒膨胀能力减弱，故埋深较深的膨胀土不膨胀或有微膨胀，所以膨胀土的膨胀变形主要发生在埋深较浅或表层地基。

图3 不同厚度土样的上覆荷载与膨胀量关系曲线

3.2 厚度对原状膨胀土膨胀量的影响

图4为厚度与膨胀量关系曲线，从图4可知：当上覆荷载为0 kPa时，厚度为2、4、6 cm土样的膨胀量分别为0.298、0.318、0.33 mm，厚度为4 cm土样的膨胀量是厚度为2 cm膨胀土膨胀量的1.07倍，厚度为6 cm土样的膨胀量是厚度为2 cm膨胀土膨胀量的1.11倍，即膨胀土的厚度成比例增加时，其膨胀量并不成比例增长，上覆荷载为10、20、30、40、50 kPa时，亦呈相同规律，且荷载越小时，膨胀量与试样厚度非线性增长特征更明显。一方面随厚度增加，土体的自重也相应增大，增加的自重应力进一步增强了对膨胀颗粒的抑制作用，膨胀量减小；另一方面土体为离散性、非均匀材料，当土体厚度增加时，土体不均匀性增大；同时要考虑尺寸引起的一些变化，土体厚度增大时，膨胀颗粒膨胀后易向径向移动，使在高度方向膨胀量变小。故膨胀土的厚度成比例增加时，其膨胀量并不成比例增加。

图4 不同上覆荷载下厚度与膨胀量关系曲线

3.3 上覆荷载与厚度耦合作用下原状土膨胀量计算模式

由以上分析可知，原状土膨胀量不仅与上覆荷载有关，还与土体厚度有关。在实际工程中为了计算不同厚度膨胀土在上覆荷载下膨胀量，研究上覆荷载和土体厚度耦合作用下变化规律具有现实意义。图5给出了不同试样厚度下上覆荷载与膨胀量拟合关系曲线，发现膨胀量与上覆荷载呈良好的指数关系，其回归方程为

δp=ae-bp

(1)

式中,δp为加荷膨胀量，mm；p为上覆荷载，kPa；a、b为拟合参数，其值与所用土的自身性质和外部条件有关，对本试验而言，为同一种土，且初始含水率、密度相同，仅与试样厚度有关。

图5 不同试样厚度下上覆荷载与膨胀量拟合关系

不同试样厚度下膨胀量与上覆荷载回归方程见表2，因为a、b与试样厚度有关，因此，将a、b值与对应的试样厚度进行拟合，发现参数a、b与试样厚度h呈线性关系(图6)，可表示为

a=e1h+f1

(2)

b=e2h+f2

(3)

式中,h为试样厚度，cm；e1、e2、f1、f2为试验拟合参数，与土自身膨胀特性有关，本试验拟合方程及方差如图3所示。

表2 不同试样厚度下膨胀量与上覆荷载回归方程

图6 参数a、b与试样厚度h拟合关系

将式(2)、式(3)同时代入式(1)中，得到有荷膨胀量的拟合公式

δp=e1he-(e2h+f2)p+f1e-(e2h+f2)p

(4)

通过进一步对上述公式进行试验验证，证明其适用范围为2 cm≤h≤8 cm，更为普遍的公式需试验和实践进一步验证。

代入本试验参数，可得新疆地区初始含水率为6%，干密度1.88 g/cm3原状膨胀土有荷膨胀量公式

δp=-0.006 7he-(0.001 8h+0.005 7)p+

0.332 1e-(0.001 8h+0.005 7)p

(5)

在实际工程应用中，可通过原状膨胀土的有荷膨胀量试验得到式(5)拟合参数，推算膨胀土膨胀量，来预测变形或对建筑物的破坏程度。

3.4 试验验证

为进一步验证式(5)的正确性和适用性，进行了试样高度为8 cm，在不同上覆荷载下(加载等级为0、10、20、30、40、50 kPa)原状土验证试验，试验结果与理论值比较，通过图7可以看出式(5)能够较好反映该地区膨胀土膨胀率与上覆荷载、试样厚度的变化关系，为实际工程计算膨胀变形提供了一种途径。

图7 不同上覆荷载下膨胀量试验值与计算值

4 结论

(1)上覆荷载对膨胀量起抑制作用，且荷载越大，抑制作用越强。因而对膨胀土地基，其膨胀主要发生在浅层地基，深层地基的膨胀土不会发生膨胀或发生膨胀的概率较小。

(2)当原状膨胀土的厚度成比例增加时，其膨胀量并不成比例增加，且上覆荷载越小时，膨胀量与试样厚度非线性增长特征更明显。

(3)通过对试验数据的进一步分析发现，在厚度一定时，膨胀量与上覆荷载呈良好的指数关系，再依据不同厚度对公式参数进行拟合，建立了上覆荷载和厚度耦合作用下原状膨胀土膨胀量计算模式，计算模式与实测数据吻合较好，为今后膨胀土地区的工程建设提供理论支撑。

[1] 李生林.中国膨胀土工程地质研究[M].南京：江苏科学技术出版社，1992.

[2] 廖世文.膨胀土与铁道工程[M].北京：中国铁道出版社，1984.

[3] 陈孚华.膨胀土上的基础[M].北京：中国建筑工业出版社，1979.

[4] 吴小山，梁桥，周文权.邵阳膨胀土膨胀特性试验研究[J].湖南工程学院学报(自然科学版)，2016，(02)：83-86.

[5] 李化云，张志强，胡端，等.三向应力下膨胀土含水量与膨胀率关系研究[J].地下空间与工程学报，2016(6)：1539-1544.

[6] 刘清秉，吴云刚，项伟，汪稔.K0及三轴应力状态下压实膨胀土膨胀模型研究[J].岩土力学，2016(10)：2795-2802，2809.

[7] 张爱军，哈岸英，骆亚生.压实膨胀土的膨胀变形规律与计算模式[J].岩石力学与工程学报，2005(7)：1236-1241.

[8] 李献民，王永和，杨果林，范臻辉.击实膨胀土工程变形特征的试验研究[J].岩土力学，2003(5)：826-830.

[9] 刘斯宏，汪易森，朱克生，吴健.有荷条件下南阳膨胀土强度试验及其应用[J].水利学报，2010(3)：361-367.

[10] 朱建强.水分对膨胀土膨胀变形与膨胀压力的影响研究[J].湖北农学院学报，1999(1)：60-62.

[11] 许瑛，雷胜友.影响有荷载膨胀率的因素分析[J].西北建筑工程学院学报(自然科学版)，2003(2)：6-9.

[12] 徐永福，龚友平，殷宗泽.宁夏膨胀土膨胀变形特征的试验研究[J].水利学报，1997(9)：28-31.

[13] 徐永福，史春乐.宁夏膨胀土的膨胀变形规律[J].岩土工程学报，1997(3)：98-101.

[14] 李振，邢义川.侧限条件下膨胀土增湿变形计算模式研究[J].西北农林科技大学学报(自然科学版)，2011(5)：215-222.

[15] 李振，邢义川，李鹏.压力对膨胀土遇水膨胀的抑制作用[J].水力发电学报，2006(2)：21-26.

[16] 胡瑾，王保田，张文慧，郭帅杰，张磊.无荷和有荷条件下膨胀土变形规律研究[J].岩土工程学报，2011(S1)：342-345.