路基膨胀土干湿循环效应的试验分析

赵昌昌

(新疆交通建设集团股份有限公司，乌鲁木齐 830000)

1 引言

膨胀土最主要的工程特性即为反复的胀缩特性：吸水时膨胀软化、失水时收缩开裂，尤其是在反复的干湿循环下，由于含水量的波动，土体发生反复胀缩，对道路的安全具有极大危害；研究通过室内试验， 对路基土所经历的反复干湿进行模拟，继而对不同干湿循环次数下的各项胀缩指标进行测定， 探究胀缩指标随干湿循环次数的变化规律，为膨胀土的治理提供参考[1]。

在实际工程中， 膨胀土造成的破坏具有多发性、反复性和长期性的特点[2-3]。 为弄清膨胀土的成灾机理，建立合理的理论模型，许多研究者进行了原位观测并取得了较好的成果：吴宏伟和包承纲等对膨胀土边坡进行了人工降雨试验和原位综合监测，分析了膨胀土边坡在降雨入渗条件下的影响机理；刘特洪对南水北调工程中膨胀土渠坡进行了长期综合观测，为工程设计和稳定性预报方法提供重要的参考[4]；刘义虎等[5]通过8 组膨胀土路基模型试验研究了路基干湿循环后的破坏形式和机理，得出不同干湿循环的循环顺序对膨胀土路基的破坏作用不同，他们的研究成果均合理地反映了膨胀土边坡渐近式的破坏模式[6]。

2 试验方法

无荷膨胀率是指试样在有侧限、无竖向约束的条件下充分吸水膨胀后，试样的垂直膨胀量与初始高度的百分比。 无荷膨胀率的大小可以直接反映出膨胀潜势的强弱，因此，通过对干湿循环后试样的无荷膨胀率进行测定，可以充分掌握改良后试样的膨胀潜势随干湿循环次数的变化规律。

无荷膨胀率试样采用千斤顶静压制备， 本研究中无荷膨胀率采用WZ-2 型膨胀仪进行测定。试验前将透水石烘干， 再埋置于试验土样中1 h，以减小初始含水率对无荷膨胀率及膨胀时程的影响；为避免滤纸变形而影响试验结果，在试验过程中试样的上下表面不放置滤纸。 参照规范要求，将试样置于膨胀仪后，往膨胀仪中注入蒸馏水，按规定的时间间隔读取试样的膨胀量， 直至膨胀变形达到稳定。

第i 次干湿循环后试样的无荷膨胀率及相对膨胀率δe的定义如下：

式中：Hi为第i 次干湿循环后试样的高度（mm）；Hi-1为第1-i 次干湿循环后试样的高度（mm）；H0为试样的初始高度（mm）。

3 试验结果分析

3.1 干湿循环效应对无荷膨胀率的影响

经过一系列的室内试验，不同干湿循环次数下试样的无荷膨胀率如表1 所示。

表1 无荷膨胀率试验结果

根据表1 所示的试验结果， 可以得到试样的无荷膨胀率与干湿循环次数间的关系曲线，如图1所示。

图1 无荷膨胀率与干湿次数间的关系曲线

由图1 可以看出， 在反复的干湿交替之下，试样的无荷膨胀率出现了大幅降低，但在第1 次干湿后，无荷膨胀率曲线变化较为平缓，降低并不明显：未掺风化砂时，无荷膨胀率降低了0.18%，而掺入10%～50%风化砂的试样，无荷膨胀率则分别降低了0.21%、0.29%、0.5%、0.71%和0.86%，与总降低量相比，降低幅度均在20%以内。 在无荷膨胀率第1 次降低时，可以发现膨胀率的降低幅度随着风化砂掺入比例的增加在逐渐增大， 在50%的风化砂掺量下， 膨胀率的降低量达到了未掺风化砂时的4.78倍。 这是因为掺入风化砂后，试样的渗透系数增大，孔隙率增加，更加有利于外界水的进出，在干湿过程中，膨胀性矿物流失量增大，因此造成了降低幅度的逐渐增大。 试样的无荷膨胀率在干湿2～3 次的过程中降低得尤为明显，0～50%的风化砂掺量下，无荷膨胀率的降低幅度达到了70%以上，在试验过程中亦发现，试样表面裂隙的发育程度也是在这一阶段达到顶峰，此时膨胀性矿物大量流失，土体的结构损伤加剧，大的土团粒也出现分解，结合水膜变薄，膨胀潜势变小。 通过试验数据也可以发现，在此阶段内，不同的风化砂掺量下的无荷膨胀率降低幅度没有出现较大的差异，均在70%～80%间变动，即此时无荷膨胀率的降低幅度与风化砂掺入的多少没有太大的关联。在经过4～5 次的干湿交替后，试样的无荷膨胀率降低量较小，基本上都在0.6%以内，因此可认为已趋于稳定。 此阶段内，风化砂掺量越大，无荷膨胀率的变化越稳定：未掺风化砂时，无荷膨胀率降低了0.53%，而掺砂50%时，仅降低了0.03%。

从图2 中可以发现， 在相同的干湿循环次数下，掺入风化砂后，试样的无荷膨胀率呈直线降低，掺入50%的风化砂进行改良后，相对于原装膨胀土而言，无荷膨胀率的降低幅度均在25%以上。

图2 无荷膨胀率与风化砂掺量的关系曲线

3.2 干湿循环效应对终止吸水量的影响

在试样经过干湿循环后，由于外界水反复的进出，造成了裂隙发育、结构损坏和膨胀性矿物流失，因此当达到膨胀变形稳定时，试样所吸收的水量必然要发生变化，然而由于膨胀土对含水量变化极为敏感，土体含水率极小的波动就会引起强度、胀缩等一系列指标发生变化。 据此对不同干湿循环次数下试样在膨胀稳定时的吸水量做出定量分析，试验结果如图3 所示。

图3 终止吸水量的变化曲线

由图3 可以发现，在干湿循环效应下，试样终止含水率的变化情况与无荷膨胀率的变化情况基本一致：在干湿1 次时，终止吸水量变化不大；干湿2～3 次时，终止吸水量发生了大幅度降低；干湿4～5次后，终止吸水量趋于稳定，可见膨胀性矿物的含量与试样的吸水能力有着很大的关系。

3.3 干湿循环效应对膨胀时程的影响

为分析试样在经过不同的干湿循环次数后膨胀变形的发展规律，在试验过程中记录下试样膨胀量的增长情况， 如图4～6 所示 （仅以掺风化砂0、30%和50%的试样为例）。

图4 膨胀时程曲线（掺砂0%）

图5 膨胀时程曲线（掺砂30%）

图6 膨胀时程曲线（掺砂50%）

通过分析不同风化砂掺量、不同干湿循环次数下的膨胀时程曲线可以发现， 在同一风化砂掺量下，干湿循环次数越大，试样膨胀变形达到稳定所需要的时间越短，以掺砂30%时为例，干湿0 次时，需要80 h 试样的膨胀变形才稳定，但干湿5 次后，只需30 h，试样的膨胀变形即达到稳定。

试样的膨胀时程曲线可分为3 个不同的阶段：一是快速增长阶段。 此阶段发生在试样开始浸水后的数小时内， 此时试样的膨胀变形增长得十分迅速，对比不同干湿循环次数下的膨胀时程曲线可以发现， 干湿循环1 次后试样的膨胀量增长速度最大，且当风化砂掺量越大时，这种现象越明显。 这是因为经过初次干湿后，试样即出现裂隙，加快了外界水进入试样内部的速度， 同时由于土团粒的分解，土颗粒间的作用力减弱，约束变形的能力降低；通过上文的分析可知，试样干湿1 次后的依然具有较大的膨胀潜势，但随着干湿的继续进行，膨胀潜势迅速降低，因此干湿循环1 次后试样的膨胀变形增长速度最大。二是减速增长阶段。在此阶段内，试样膨胀变形的增长速度逐渐放缓。 三是膨胀稳定阶段。 此时的膨胀时程曲线基本与浸水时间轴平行，试样的膨胀变形达到了稳定。

3.4 干湿循环效应对风化砂改良膨胀土有荷膨胀率的影响及公式的建立

在实际情况下，路基土承受着路面结构层的重量、车辆荷载等上覆荷重，因此膨胀土路基发生的膨胀是在一定的上覆荷重下发生的，为了能够较为真实地反映干湿循环后风化砂改良膨胀土路基在一定的上覆荷重下膨胀性的强弱，本小节针对干湿循环后试样的有荷膨胀率这一指标进行测量，结合实际工程经验及规范要求，试验过程中的上覆荷重分别选取为25 kPa 和50 kPa。

根据有荷膨胀率的试验结果，在25 kPa 和50 kPa的上覆荷重下，对有荷膨胀率δap与干湿循环次数i间的关系曲线进行拟合分析，建立δap与i 间的函数关系式，拟合曲线如图7、8 所示。

图7 有荷膨胀率与干湿次数间的拟合曲线（25 kPa）

图8 有荷膨胀率与干湿次数间的拟合曲线（50 kPa）

可以看出， 无论是在25 kPa 下还是在50 kPa下，有荷膨胀率δap与干湿循环次数i 间的关系均可用二次函数进行描述：

式中：A，B，C 为受风化砂掺量影响的系数，不同风化砂掺量下A，B，C 的取值及拟合后的相关系数R2 如表2～3 所示。

表3 50 kPa 下的拟合参数

采用二次函数可以对有荷膨胀率δap与干湿循环次数i 进行较好的拟合， 相关系数均在0.94以上。

4 结论

（1）随着干湿次数的增加，试样的无荷膨胀率逐渐降低，在第1 次干湿后，无荷膨胀率的降低幅度较小，在干湿2～3 次的过程中，无荷膨胀率较低幅度较大，达到了70%以上。

（2）在干湿循环效应下，试样终止含水率的变化情况与无荷膨胀率的变化情况基本一致。 无荷膨胀的膨胀时程曲线可分为3 个阶段，在同一风化砂掺量下，试样膨胀变形达到稳定的时间随着干湿次数的增大而缩短。

（3）在经过干湿循环后，试样的有荷膨胀率呈二次函数的形式降低， 无论是在25 kPa 还是在50 kPa 下，试样有荷膨胀率达到稳定时所需要的干湿次数随着风化砂掺量的增加而减小。