膨胀土膨胀变形试验研究

李进前，王起才, 2，张戎令, 2, 3，梁柯鑫，李航辉，刘爱仓

(1. 兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 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，甘肃兰州 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，甘肃兰州 730070)

我国的膨胀土分布广泛，膨胀土变形与破坏具有反复性、多发性和长期潜在性等特点，常常导致膨胀土地区建筑物基础升降、建筑物及地坪开裂变形甚至破坏等[1- 3]。所以对膨胀土进行研究十分必要，膨胀土膨胀的根本原因就是膨胀土中存在黏土矿物，黏土矿物含量越多，膨胀性也就越强，对工程的破坏和影响作用也就越大。对膨胀土已进行了许多方面的研究，徐永福等[4]研究了膨胀土含水率、干密度、上覆压力对膨胀量的影响；刘静德等[5]对南水北调中线强膨胀岩重塑样进行了膨胀率试验，得到了膨胀率与干密度以及含水率的关系；谭罗荣等[6]研究了击实膨胀土的膨胀力与膨胀率随干密度、饱和度、含水量的变化规律；韦秉旭[7]进行了侧限条件下膨胀土膨胀变形试验研究，研究了轴向加压条件下, 膨胀率与任一初始含水量、某一过程含水量和上部荷载之间的定量关系；丁振洲等[8]进行了膨胀力变化规律的试验研究，对膨胀力随增湿程度、干密度大小、起始含水率等因素的变化规律以及等同土样进行不同程度脱湿后的膨胀力变化规律开展了试验研究；陈伟志等[9]进行了低矮路堤下膨胀土现场浸水试验研究，研究了路基填土期、稳载期及人工浸水期膨胀土地基表面与路基表面的变形；杨果林等[10]进行了膨胀土侧向膨胀力原位试验，得到了膨胀力与含水率关系经验公式；马丽娜等[11]进行了客运专线无碴轨道地基泥岩原位浸水膨胀变形试验，研究了在不同上覆荷载、不同浸水深度下的地基泥岩的膨胀变形特性；王亮亮等[12]进行了中强膨胀土的竖向膨胀力原位试验，研究竖向膨胀力随时间、含水率增量、卸荷回弹量的变化规律。国内学者对于膨胀土的研究，主要集中在室内小型试样的试验研究和室外原状土的原位试验研究，室内小型试样由于尺寸效应的缘故，试验结果具有一定的离散性，不能较好地反映膨胀土浸水之后的膨胀规律；而原状土的原位试验，虽然可以比较准确地反映现场实际的膨胀土膨胀规律，但是由于现场原状土样土质不均，并且对现场土样注水膨胀时，不能保证准确的浸水范围，所以现场原状土体膨胀范围与试验设计有一定误差；此外现场原位试验花费代价较大，不便进行持续性研究。为了克服此类问题，可进行室内大尺寸重塑膨胀土试样的浸水膨胀试验研究，以克服小尺寸试样由于尺寸效应造成的试验误差，且试验花费较小，试验结果也比较准确。

本文选取某高速铁路地基泥岩为研究对象，进行室内大尺寸膨胀土增湿膨胀规律的试验研究，研究不同厚度的膨胀土在逐渐增湿过程中的膨胀规律。试验过程中为了渗水均匀以及加快渗水速率，需要在土体中开孔去除土体，填入细砂形成渗水通道。开孔越多，渗水通道和渗水面积越大，渗水膨胀变形越快；但是开孔会减少土体量，进而影响膨胀量，会使试验者低估土体的膨胀特性，所以在进行试验之前，需要对由于开孔造成的膨胀量损失进行试验研究，得到开孔损失的土样体积率与土体损失的膨胀量之间的关系，对大尺寸膨胀土膨胀变形试验所得的膨胀量进行修正，得到较为准确的膨胀量。

1 试验方案

1.1 试验思路

为探究开孔造成的土样损失体积率与膨胀量损失之间的关系，进行两种注水方式的膨胀变形试验。一种为不开孔的注水方式，即在试验仪器底部开一小孔，然后接塑料软管从下往上进行注水；另一种为开孔的注水方式，即在试验土体中开不同数量的注水孔进行注水。进行膨胀变形试验，得到两种注水方式下的土体最终膨胀量；其中不开孔试样没有土体损失，开孔试样根据所开孔的数量及开孔的直径可以计算其土体损失体积率，然后分析得到土体损失体积率与膨胀量损失之间的关系。

在有侧向约束的试验箱中，进行3种不同厚度的大尺寸膨胀土试样的浸水膨胀变形试验，在土体中开一定数量的孔进行注水，注水按照一定梯度进行，在土体上部架设若干百分表以观测土体膨胀变形量。

1.2 试验过程

1.2.1注水方式对膨胀变形的影响试验 为研究2种注水方式对膨胀土膨胀变形的影响，按如下步骤进行试验：

(1) 制备土样。本试验选取某高速铁路地基膨胀泥岩，碾碎后过5 mm的筛子，然后将碾碎后的土样分批放入恒温干燥箱中以50 ℃的低温烘干48 h以上，保证土样含水率为零。

(2) 加工试验装置。试验装置使用直径为32 cm，高度45 cm的钢桶。

(3) 加工注水管。注水管使用直径为2.5 cm的PVC管，在注水管四周均匀钻4列直径为2 mm渗水孔，渗水孔沿PVC管长度方向距离为2 cm；注水管底部用橡胶扎住，防止水全部流入土体底部，使水分均匀向周边渗透。

(4) 试验。将烘干的土样配制成初始含水率为5%的试样，然后按照1.6 g/cm3的干密度将试样分层击实进试验钢桶之中，本次试样开孔数量分别为4，7，10。在击实第1层土之前，将注水管预埋在相应位置。不开孔试样直接分层击实，各试样高度均为40 cm。

(5) 安装百分表。将击实后的各土体上部中央架设1个百分表，然后进行1次初读数。

(6) 注水。按照5%的梯度进行注水，5%的梯度注水是指按照所击实土体干土质量计算5%含水率所需水的质量，在一段时间内持续注完5%的水，然后隔2 h进行一次读数，直至百分表两次读数之差小于0.01 mm时，表示膨胀稳定，进行下一级注水，直至土样完全膨胀稳定。

(7) 处理数据并分析。

1.2.2大尺寸膨胀土试样膨胀变形试验 本次大尺寸膨胀土试样的膨胀变形试验在尺寸为100 cm×62.5 cm×70 cm (长×宽×高)的试验铁箱中，分20，40和60 cm共3种不同厚度进行，具体试验过程如下：

(1) 取原状土样碾碎并过5 mm筛子，筛取足够试验用的土样，将土样分批放入恒温干燥箱中以50 ℃的低温烘干48 h以上，保证土样含水率为零。

图1 百分表安装位置(单位：cm)Fig.1Locations of dial indicators (unit: cm)

(2) 分批配制初始含水率为5%的土。将配制好的土样用塑料保鲜膜密封24 h以上，使土样中含水率均匀。

(3) 将土样分层击实进试验箱中，击实之前均匀预埋8个注水管。

(4) 将配制好的所需土样击实进试验箱之后，为了准确测定土体的膨胀量，使用7个百分表均匀架设在土体表面各处，百分表架设位置见图1所示。

(5) 架设百分表后进行初始读数，之后开始注水，所有试样均以2%的梯度注水，并且每2 h进行1次读数，直至所有百分表两次读数之差不超过0.01 mm，进行下一级注水，直至百分表读数不再发生变化，表示整个土体膨胀完成。

(6) 进行数据处理并分析。

2 试验结果与分析

2.1 注水方式对膨胀变形的影响

从图2可以看出：(1) 不开孔与开孔注水试样的膨胀时程曲线有较大的差异。(2) 开孔注水的土样膨胀时程曲线可以分为3个阶段(图3)：Ⅰ为初始快速膨胀阶段、Ⅱ为减速膨胀阶段、Ⅲ为趋于稳定阶段；这是由于开孔注水时，水分可以比较均匀地渗透到土体上中下部各处，使土样各部均进水膨胀，因此膨胀量刚开始增长比较迅速，随着水分持续渗入土体中，土体含水率随之增大，水分渗入土体速率逐渐减小，且土体膨胀潜势也释放了大部分，所以膨胀量增长速度逐渐减小并趋于稳定。(3) 不开孔注水的土样膨胀时程曲线可以分为4个阶段(图3)：Ⅰ为初始缓慢膨胀阶段、Ⅱ为快速膨胀阶段、Ⅲ为减速膨胀阶段、Ⅳ为趋于稳定阶段；这是由于不开孔注水土样采用从下往上注水的方式，水最先渗入下层土体，使之发生膨胀，但上层土体自重作用的影响使下层土体的膨胀受到约束，导致土体初期膨胀量增长比较缓慢，随着水分的持续渗入，下层土体基本饱和，完全释放了其膨胀潜势，水分开始大量渗入上层土体，此时土体膨胀量开始迅速增长；随着水分继续渗入土体，土体含水率继续增大，导致水分向周围入渗速度变得十分缓慢，并且土体也基本释放完其膨胀潜势，所以土体整体膨胀量增长速度逐渐减小并趋于稳定。(4) 不论是开孔注水还是不开孔注水的试样，土体膨胀量在经过一段较长缓慢增长期后，膨胀量又出现迅速增长的现象，这是由于在后期土体已经基本饱和，再继续向土体中注水时，水分会逐渐渗透出土体表面，使百分表下部的支板浮起，所以后期突然增长的那部分并不是土体的真实膨胀量，在突然增长之前趋于稳定时膨胀量才是土体真实的膨胀量。(5) 开孔注水的土样，开孔数量越多，前期土体膨胀量增长速度越快，且最终到达膨胀稳定所需要的时间越短。由图3可以看出开4，7，10孔注水孔的土体达到膨胀稳定时所需时间逐渐增大。说明增加开孔数目可以提高渗水速率，缩短试验时间。这是由于增加注水孔道，增加了水分向土体渗透的渗水面积；使水分可以同时在土体更多位置处开始渗透。所以每级注水后，试样注水孔越多，渗水越快，并且前期膨胀量增长速度更快，试样整体达到膨胀结束所需时间更短。

图2 膨胀量时程曲线Fig.2Time interval curve of expansion increment

图3 膨胀量时程曲线划分阶段Fig.3 Division stage of time interval curve of expansion increment

2.1.2土体损失体积率与膨胀量损失关系 因为在突然增长之前趋于稳定时的膨胀量才是土体真实的膨胀量，所以不开孔注水土体的真实膨胀量为5.60 mm，开4孔的土体真实膨胀量为4.10 mm，开7孔的土体真实膨胀量为2.79 mm，开10孔的土体真实膨胀量为1.81 mm。

图4 膨胀量损失与土样损失体积率关系Fig.4 Relationship between expansion incrementlosses and soil sample loss volume fraction

对于同一种土样，当其初始含水率和干密度相同时，其最终膨胀量也应该相同，但是由于开孔造成了土体削减，会使土体的最终膨胀量有所减小，且开孔越多，膨胀量损失越大；开4孔相对于不开孔膨胀量损失为5.60-4.10=1.50 mm，开7孔造成膨胀量损失为5.60-2.79=2.81 mm，开10孔造成的膨胀量损失为5.60-1.81=3.29 mm，由于注水管直径为2.5 cm，试验 钢桶直径为32 cm，则开4孔、7孔、10孔的土样损失体积率分别约为2.44%，4.26%和5.48%。可以得到土样损失体积率与膨胀量损失关系如图4所示。

由图4可以看出，土体的膨胀量损失与土体损失体积率之间呈正相关，对其进行线性拟合，相关系数为0.99，说明拟合程度比较高，其关系式为：

Δδ=0.617ΔV+0.02(0<ΔV≤5.48)

(1)

式中：Δδ为膨胀量损失(mm)；ΔV为土体损失体积率(%)。

2.2 大尺寸膨胀土试样膨胀变形试验

2.2.1不同厚度土体膨胀时程曲线 按照试验方式完成不同厚度的大尺寸膨胀土浸水膨胀变形试验，得到不同厚度的大尺寸膨胀土膨胀时程曲线，20,40和60 cm厚的土体膨胀时程曲线见图5。

由图5可以看出：(1) 由于土体浸水膨胀过程是分级注水，所以3个试样各百分表下土体的膨胀时程曲线均呈现出阶梯状的增长趋势。(2) 每级注水后，土体膨胀量均呈现出外凸形的增长趋势，即每级注水之后，土体膨胀量先是快速增长，然后膨胀量增长速度逐渐减小，最终膨胀量趋于稳定。(3) 3个厚度的试样土体每次分级注水后产生的过程膨胀量呈现出逐渐减小的趋势，即在前期每级注水后，膨胀量增长较多，随着注水次数增加，每级注水之后的过程膨胀量越来越小。(4) 3个厚度的试样土体膨胀量在整个膨胀过程也呈现出外凸形的增长趋势，即整个膨胀过程也是前期增长速率较快，随着注水次数增加，土体的含水率逐渐增加，土体的膨胀量增长速率逐渐减小，直至整个土体的膨胀量不再发生变化，土体膨胀完成。(5) 不 同厚度的试样各百分表下土体的膨胀时程曲线有所差异，膨胀过程中各阶段注水之后，各百分表下土体的膨胀量也有较大的差异，这是由于试样土体表面较大，往试验箱击实试样的过程中，土体各部分的密实度不能保证完全一致，因此试样注水膨胀过程中，各级注水之后的膨胀量变化趋势也有较大的差异，并且3个厚度的试样各百分表下土体的最终膨胀量也有一定的差异。(6) 3个不同厚度的土样，由于土样总量不相同，所以各厚度的土样最终完成整个膨胀过程所需要的时间也不相同。可以看出，20，40和60 cm厚的试样完成整个膨胀过程分别需要358，398和442 h，即随着试样土体厚度的增加，完成整个膨胀过程所需要的时间越长。

图5 膨胀土膨胀时程曲线

2.2.2不同高度模型土体的真实膨胀量 由图5可见，不同厚度的试验土体完全膨胀时，各百分表所测得的土体膨胀量有所差异。20 cm厚的试样土体1#～7#百分表的膨胀量分别为11.275，10.536，10.523，9.887，10.543，10.932和11.882 mm，平均膨胀量为10.797 mm；40 cm厚试样的平均膨胀量为16.890 mm；60 cm厚试样为21.200 mm。

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图6 土体厚度与膨胀量关系曲线Fig.6 Relationship curve of soil thickness and expansion increment

由于3个厚度的试样土体中埋置了注水管，会对土体的真实膨胀量造成一定的影响，所以要对埋置注水管造成的膨胀量损失进行计算，确定不同厚度的试样土体其真实膨胀量。

不同厚度的试样土体由于均埋置了8根注水管，所以不同厚度的试样土体体积损失率应都一样，经计算不同厚度的试样土体体积损失率为0.63%，由式(1)计算得到膨胀量损失为0.41 mm。可见，由于注水管埋置数量较少，注水管直径也较小，和整个试验土体相比，埋置注水管开孔造成的土体损失较小，所造成的膨胀量损失也很小。

考虑注水管造成的膨胀量损失之后的各厚度试样土样的真实膨胀量为11.207，17.300和21.600 mm，则不同厚度的大尺寸膨胀土试样的膨胀量变化曲线如图6所示。

由图6可以看出，试样土体在厚度60 cm的范围内，其最终真实膨胀量随着厚度的增加而增长，但是膨胀量增加的幅度在降低。这是因为厚度越大的土体，下部同样厚度土体受到上部土体的自重作用越大，导致下部土体在浸水膨胀过程中会受到更大的上覆荷载，使下部土体相比无上覆荷载情况下的膨胀量会大大减小，所以虽然土体膨胀量随着厚度增加而增大，但是增大的幅度却在降低。

2.2.3不同上覆荷载下膨胀量变化 3个不同厚度的大尺寸膨胀土试样，可以看作是20 cm厚的试样经受不同的上覆荷载，40 cm厚的试样相当于20 cm厚的试样经受20 cm厚土体自重的上覆荷载，所以40 cm厚试样与20 cm厚试样的膨胀量差值就是20 cm厚的试样受20 cm厚土体自重的上覆荷载的膨胀量，其值为6.093 mm；同理得60 cm厚试样与40 cm厚试样的膨胀量差值就是20 cm厚试样受40 cm厚土体自重的上覆荷载的膨胀量，其值为4.300 mm。由于土体密度为1.6 g/cm3，浸水膨胀完成后胀限含水率均为23%，则膨胀稳定时产生0.736 kPa的水压力，土体自重产生3.2 kPa的压力，所以20 cm厚的土体膨胀饱和时自重相当于3.736 kPa的上覆荷载，40 cm厚的土体膨胀饱和时自重相当于7.472 kPa的上覆荷载。20 cm厚试样土体在不同上覆荷载下的膨胀曲线如图7。

图7 上覆荷载与膨胀量关系曲线Fig.7 Relationship curve of overlying load and expansion increment

由图7可以看出，当上覆荷载在7.472 kPa 的范围内，20 cm 厚试样土体的膨胀量随着上覆荷载的增大而减小，但是随着荷载的增大，膨胀量的减幅降低。这是因为土体在无上覆荷载时，其膨胀潜势得到完全释放，当土体受到3.736 kPa的上覆荷载时，土体膨胀受到很大约束，膨胀量是无上覆荷载时膨胀量的54%，说明土体受到3.736 kPa的上覆荷载时，已经限制了土体绝大部分膨胀潜势。上覆荷载再增大3.736 kPa，虽然会进一步限制土体的膨胀，但由于土体已经受到3.736 kPa的上覆荷载，比无上覆荷载时更加密实，所以上覆荷载从3.736 kPa增大到7.472 kPa时，土体的膨胀量的减幅相比荷载从0 变化到3.736 kPa时膨胀量的减幅要小。

3 结 语

对某高速铁路地基膨胀泥岩重塑样进行不同注水方式的膨胀土浸水变形试验和大尺寸膨胀土试样浸水膨胀变形试验，得到以下结论：

(1) 不同注水方式下膨胀土的膨胀时程曲线有较大不同。开孔注水的土样膨胀时程曲线可以分为初始快速膨胀、减速膨胀和趋于稳定3个阶段；不开孔注水的土样膨胀时程曲线可以分为初始缓慢膨胀、快速膨胀、减速膨胀和趋于稳定4个阶段。

(2) 不同厚度的大尺寸膨胀土试样的膨胀量随时间的整体增长趋势一致，均呈外凸形增长趋势，并且每级注水之后，膨胀量增长趋势也呈外凸形增长趋势。

(3) 大尺寸膨胀土试样厚度小于60 cm时，膨胀量随厚度的增加而增大，膨胀量的增幅减小。

(4) 大尺寸膨胀土试样上覆荷载小于7.472 kPa时，膨胀量随着上覆荷载的增大而减小，但减幅降低。