荆门城南区域膨胀土膨缩特性及抗剪强度研究

引言

膨胀土是一类由蒙脱石、伊利石和高岭土等强亲水矿物组成的特殊性黏性土，一旦受到含水量变化，极易出现明显的体积变化，其主要表现为吸水膨胀软化、失水收缩干裂，反复的吸水和失水导致土体强度衰减，长此以往易引起路基工程开裂、建筑物不均匀沉降、基础承载力下降、边坡失稳等工程危害[1]-[3]。膨胀土在我国的分布极为广泛，在湖北地区主要分布在宜昌、荆门、襄阳等地，不同地区的膨胀土由于其矿物成分组成和微观结构的不同，膨胀和收缩机制呈现出明显的地域性。荆门南部及周边区域作为江汉平原规模最大的膨胀土分布区，膨胀土对外部荷载、湿度和地下水等因素变化较为敏感，在受到变形约束时，发生膨胀变形和膨胀力，且膨胀土体的膨胀潜势无明显的规律，引起建筑物的变形、沉降、次应力和地基不同程度鼓胀、开裂等不良反应，给病害整治带来困难[4]。

目前，众多学者对膨胀土的工程特性展开了研究，其研究多聚焦于膨胀力、膨胀率试验、膨胀土的水稳特性以及膨胀势与膨胀时程等方面，在研究内容上多倾向于膨胀土的膨胀特性，对统一膨胀土的收缩特性、膨胀特性以及强度特征方面的研究和关注较少。本文以荆门城南中膨胀土为研究对象，分析不同含水率和干密度变化时膨胀土膨胀率随时间的变化关系，试图建立归一化膨胀土膨胀过程时程曲线。

1.试验土样的制备及试验方案

1.1 试验土样的选取和制备

试验土样取自荆门城南区域某基坑工程，在12个地质钻孔内采用固定活塞取土器获取高质量原状样，经过地质钻探鉴别以及室内试验，根据《膨胀土地区建筑技术规范》（GB 50112-2013）[5]的膨胀土地基的胀缩等级划分，场区膨胀土以中膨胀土为主，外观为灰黄色，软～硬塑，含吸水矿物含量较高，伊利石含量约55%，蒙脱石-伊利石混层含量约15%，高岭土含量约20%，裂隙较发育，局部见白色填充物。场区膨胀土室内基本物理参数成果如表1所示，矿物成分及颗粒分析如表2所示。

表1 场区膨胀土室内试验物理参数

由表1可知，膨胀土的天然含水率变化区间较大，试样制备时，考虑天然含水率对各项参数的影响，控制试样干密度为ρd=1.6g/cm3，制备不同含水率的试样4组，含水率分别为ω=15%、20%、25%、30%；为了考虑干密度对各项参数的影响，控制试样含水率为ω=20%，制备不同干密度的试样5组，干密度分别为ρd=1.3g/cm3、1.4g/cm3、1.5g/cm3、1.6g/cm3、1.7g/cm3。试验环刀直径61.8mm，高20mm。

1.2 试验方案

为考察膨胀土的膨胀特性、收缩特性和遇水强度衰减特性，参考《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）[6]，制定无荷载膨胀试验、收缩试验和直接剪切试验。试验时，室内温度为25℃，最高温度不高于30℃。

无荷载膨胀试验采用河北路仪公路仪器有限公司生产的WZ-II型土壤膨胀仪器，试验时，将放入水盒中，记录百分百初读数，保持水面大于试样高度5mm，记录不同时间内百分表读数，当6h内变形小于0.01mm时可以停止试压。膨胀力试验采用同样设备，采用平衡荷载法进行试验。

为探讨不同含水率条件下膨胀土的收缩特性，对4组不同含水率的试验进行收缩试验，试验设备采用南京宁溪土壤仪器厂生产的SS-1型收缩仪，室内温度及收缩速度宜每隔lh ～4h测记百分表读数，并称整套装置和试样质量，准确至0.lg；两天后，每隔6h ～24h测记百分表读数并称质量，直至两次百分表读数不变。直接剪切试验采用方法和流程可参考《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）。

2.试验成果与分析

2.1 荆门城南区域膨胀土膨胀与收缩特征分析

图1为不同含水率条件下（ρd=1.6g/cm3）膨胀土的无荷载膨胀试验结果。从图中可以看出，膨胀率在膨胀初期阶段，随时间线性增加，而后转变为非线性增加，最后趋于收敛。随着初始含水率的增加，膨胀率在线性阶段的斜率不断减小，同时收敛阶段的最终膨胀率也不断减小。这是由于在同一干密度条件下，含水率的增加削弱了膨胀土的膨胀潜势。

图2为不同干密度下（ω=20%）膨胀土的无荷载膨胀试验结果。由图可知，膨胀土的变化规律也大致经历了以上三个阶段。但是，随着干密度的增加，膨胀率在线性阶段的斜率不断减小，但是收敛阶段的最终膨胀率却不断增加。表明干密度大的膨胀土，土体颗粒之间的紧密接触、孔隙小，使得吸水过程较缓慢，从而导致膨胀过程缓慢。同时，干密度大的土体单位体积内亲水矿物的含量也更多，在最终充分吸水后其膨胀率会更大。

图1 无荷载膨胀试验不同含水率时间-膨胀率关系曲线

图2 无荷载膨胀试验不同干密度时间-膨胀率关系曲线

图3 归一化膨胀率与时间关系

从图1、图2可以看出，尽管膨胀土的初始膨胀条件、考察参数变量不同，但膨胀过程大致可以分为3个阶段：急速膨胀阶段、膨胀放缓阶段和收敛阶段。因此，可以建立归一化膨胀率时程曲线，如图3所示。利用归一化膨胀率和时间的关系，不仅可以更好地描述膨胀土的膨胀过程，而且也为膨胀过程模型函数的建立奠定基础。归一化膨胀率和时间的关系可利用特征时间点t1、t2进行分段函数描述。

图4 收缩试验含水率-线缩率关系曲线

图5 含水率-线缩率拟合曲线

图6 膨胀力试验不同含水率时间-膨胀力关系曲线

图7 膨胀力试验不同干密度时间-膨胀力关系曲线

图8 膨胀力试验含水率-膨胀力拟合曲线

图9 膨胀力试验干密度-膨胀力拟合曲线

图4为不同初始含水率条件下（ρd=1.6g/cm3）膨胀土的收缩试验成果。从图中可以看出，随着含水率的增加，最终收敛的线缩率明显增加，经数据拟合处理，两者曲线关系如图5所示，关系式如式（1）所示：

2.2 荆门城南区域膨胀土膨胀力特征分析

图6、图7分别为不同含水率条件下（ρd=1.6g/cm3）膨胀力随时间的变化曲线关系，不同干密度条件下（ω=20%）膨胀力随时间的变化曲线关系。从图中可以看出，膨胀力与时间的变化关系与膨胀率与时间的变化关系一致，也经历了急速膨胀阶段、膨胀放缓阶段和收敛阶段3个阶段，表明膨胀土膨胀时，膨胀力和膨胀率是相辅相成的，可以共同表征膨胀土的膨胀潜势。

图8、图9分别为含水率（ρd=1.6g/cm3）与膨胀力的拟合关系，干密度（ω=20%）与膨胀力拟合关系。从图中可以看出，膨胀力与含水率、干密度具有良好的回归关系，随着含水率的增加，膨胀率呈幂指数降低，而随着干密度的增加则相反，呈幂指数增加。回归关系分别如式（2）、式（3）所示。

图10 膨胀土直接剪切试验

图11 自由膨胀率-粘聚力关系曲线

图12 自由膨胀率-内摩擦角关系曲线

2.3 荆门城南区域膨胀土抗剪强度指标分析

图10为直接剪切试验时，不同含水率条件下（ρd=1.6g/cm3）竖向压力与剪切强度的关系曲线。在同一含水率时，随着竖向压力的增加，土体的剪切强度呈线性增加，表明膨胀土的本构关系满足摩尔库伦准则。同时，随着含水率的增加，线性关系的斜率（代表土的摩擦角）和线性关系的截距（代表土体的粘聚力）不断降低，表明膨胀土受到水的侵入后，土体膨胀软化，其强度降受到折减。

为了更好地考察抗剪强度指标的变化规律，将图10中的摩擦角和粘聚力分别与相对应的自由膨胀率进行统计分析，如图11、图12所示。从图中可以看出，在含水率相同的条件下，膨胀土的内摩擦角与粘聚力指标与自由膨胀率存在正相关关系，即膨胀土的膨胀潜势越大，含水率越低，土体的抗剪强度越大。因此，在实际工程中，特别是对于低含水率的膨胀土、强膨胀土，其吸水后强度下降将十分严重，应做好防排水和土体改良工作。

3.结论

针对荆门城南膨胀土的区域特征，本文以荆门城南中膨胀土为研究对象，采用无荷载膨胀试验、收缩试验以及直接剪切试验，分析不同含水率和干密度变化时膨胀土膨胀率随时间的变化关系，试图建立归一化膨胀过程时程曲线。此外，还对线缩率与含水率的变化关系，膨胀力与含水率、干密度的相互关系，抗剪强度与自由膨胀率之间的变化规律进行了研究，得出以下主要结论：

第一，膨胀速率和最终膨胀量与土体含水率和干密度呈现明显相关性，随着初始含水率的增加，膨胀率在线性阶段的斜率不断减小，同时收敛阶段的最终膨胀率也不断减小，而随着干密度的增加，膨胀率在线性阶段的斜率不断减小，但收敛阶段的最终膨胀率却不断增加。土体膨胀过程大致可以分为急速膨胀阶段、膨胀放缓阶段与收敛阶段三个阶段。

第二，膨胀土的线缩率与含水率呈明显的对数关系。

第三，膨胀力与土体的含水率呈指数降低，而随着干密度的增加则相反，呈幂指数增加。

第四，含水率对土体的抗剪强度具有明显的降低效应，在含水率相同的条件下，膨胀土的内摩擦角与粘聚力指标和自由膨胀率存在良好的正相关关系。