膨胀土干湿循环对膨胀力和抗剪强度的影响

孟伟超

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

1 概述

我国地域广阔，膨胀土在西南、华南、华中、东北等地区广泛分布，其胀缩变形特性和强度变化规律差别较大[1]。铁路路基设计中，膨胀土不可直接用于时速200 km及以上铁路，如需使用，则应先进行改良处理[2]。根据全国不同地域多条运营高铁病害治理经验，膨胀土填料或掺杂相关膨胀组分的填料在使直接用过程中，对路基变形具有显著影响[3]。

以下论述一种非典型膨胀土，其各膨胀性指标差异较大，自由膨胀率较低，但蒙脱石含量和阳离子交换量指标较高。对沿线既有公路和民用建筑调查中，此类膨胀土均有不同程度的利用情况。因此，有针对性地对此类膨胀土性状进行分析研究，因地制宜地研究其工程适用性具有较大经济价值。

2 土体的基本性质

试验用土选自东北地区某铁路路堑挖方，铁路等级为时速200 km的客货共线铁路。取土点位于冲洪积平原，地形平缓，起伏较小，地表大部分为耕地，地表覆盖第四系上更新统冲洪积粉质黏土，局部有黏土、中砂、粗砂、细圆砾土等薄夹层或透镜体，土层厚32.7～37.7 m，下伏白垩系下统泥岩、砂岩、砾岩。地勘揭示，表层粉质黏土具有弱-中等膨胀性，拟通过研究其膨胀力及抗剪强度指标的变化情况，评价该类膨胀土作为基床以下路堤填料的可行性[4-5]。

2.1 基本物性指标

(1)颗粒密度试验

采用密度计法，试验结果见表1。该膨胀土为细粒土，粉粒含量为64.3%，黏粒含量为34.6%。

表1 膨胀土各粒组含量

(2)比重试验

采用比重瓶法，所用膨胀土样的比重GS=2.66 g/cm3。

(3)液塑限试验

使用液塑限联合测定仪，测得液限WL10=33.5%，塑限WS=20.5%，塑性指数IP=13，判定为低液限粉质黏土[6]。

(4)重型击实试验

采用干法和湿法两种方式。由图1可以看出，干法和湿法重型击实所得的最大干密度和最优含水率基本相同。试验测得最大干密度为1.83 g/cm3，最优含水率为15.3%。

图1 膨胀土干法、湿法重型击实曲线

2.2 膨胀性相关试验

本次主要进行土体的自由膨胀率、蒙脱石含量和阳离子交换量等典型膨胀土判别实验。参考现行《铁路工程地质勘察规范》[7]和《膨胀土地区建筑技术规范》[8]，试验所用土样的膨胀潜势为弱。以下为具体测试结果。

(1)自由膨胀率

是体现土体膨胀性的最主要指标，本次测得试验值为30.0%～48.0%、平均值为38.7%。

(2)蒙脱石含量

试验测得试验土样的蒙脱石含量为15.7%～24.0%，平均值为19.9%。

(3)阳离子交换量

试验测得试样指标范围为197.1～246.8 mmol/kg，平均值为218.0 mmol/kg。

试验结果表明，膨胀土试样平均自由膨胀率小于40%，未达膨胀性范畴，另外两项指标达到弱膨胀性范畴，属于一种非典型性膨胀土。

3 干湿循环试验

3.1 试验设计

为模拟膨胀土在上覆土体的自重应力作用下的胀缩变形和强度随干湿循环次数的变化规律，在不同上覆压力作用下对膨胀土进行干湿循环试验[9]。土样直径为61.8 mm、高20 mm，试样为重塑试样，试样压实度为90%(干密度为1.65 g/cm3)，制样采用最优含水率(15.3%)。综合分析原状土含水率测试数据，原状试样的天然含水率多为20%～28%，饱和度为80%～96%。路堤使用15.3%含水率的重塑土填筑，经过压实和一定的防护后，其“天然”含水率状态虽会增加，但一般不会达到饱和含水率状态，故选取18.0%、21.0%两个含水率进行干湿循环试验。

具体试验荷载和干湿循环情况如下。

(1)含水率由15.3%到饱和条件下，进行上覆压力为0 kPa、25 kPa、50 kPa、75 kPa和100 kPa的有荷干湿循环试验。

(2)含水率由15.3%到21.0%条件下，进行上覆压力为0 kPa、50 kPa、75 kPa和100 kPa的有荷干湿循环试验。

(3)含水率由15.3%到18.0%条件下，进行上覆压力为0 kPa、50 kPa、75 kPa和100 kPa的有荷干湿循环试验。

对试样进行6次干湿循环后，采用不固结快剪进行抗剪强度指标的测试。

3.2 试样干湿循环后状态

试样浸水饱和后，土体的膨胀潜势完全发挥，对土体的结构破坏作用也最为明显[10]。图2～图9展示含水率从15.3%到饱和条件下，不同上覆压力下试样在首次和第六次干湿循环后的土样状态。

图2 0 kPa下第一次饱和(左)和风干(右)

图3 0 kPa第六次饱和(左)和风干(右)

图4 50 kPa下第一次饱和(左)和风干(右)

图5 50 kPa下第六次饱和(左)和风干(右)

图6 75 kPa下第一次饱和(左)和风干(右)

图7 75 kPa下第六次饱和(左)和风干(右)

图8 100 kPa下第一次饱和(左)和风干(右)

图9 100 kPa下第六次饱和(左)和风干(右)

对比在相同的干湿循环次数下失水收缩后膨胀土试样表面裂隙，发现作用在膨胀土试样上的上覆压力越大，裂缝越窄，裂缝数量越少。另一方面，随着试样干湿循环次数的增加，试样土体裂隙的发展情况也逐渐趋于稳定，试样的胀缩变形也逐渐减小，说明通过上覆荷载施压和前期干湿循环，均可在一定程度上抑制或减弱其膨胀性。

3.3 膨胀力测试

在0 kPa压力下，试样的膨胀力试验结果见表2。从表2可以看出，试样的膨胀力随干湿循环次数增加而逐渐减小，但其减幅逐渐变小，最终经过6次试样干湿循环后达到稳定；干湿循环幅度不同时，对比同样经过6次干湿循环后的试样，膨胀力随干湿循环过程中含水率变化幅度增加而降幅增大。说明膨胀土的膨胀潜势随着干湿循环次数的增加而逐渐降低，且含水率变化幅度越大，膨胀潜势的降低也更加明显。

表2 不同干湿循环次数的膨胀力试验结果 kPa

不同上覆压力作用下，经过6次干湿循环后的膨胀力试验结果见表3。从表3可以看出，膨胀力随着干湿循环过程中含水率变化幅度的增加而减小，说明相同的上覆压力作用下，含水率变化幅度越大，试样的结构破坏越彻底，膨胀潜势也就越小。相同的含水率变化幅度下，干湿循环过程中作用在试样上的上覆压力越大，经过6次干湿循环后的膨胀力也就越大；说明干湿循环过程中作用在试样上的上覆压力对试样的结构破坏具有抑制作用。

表3 不同上覆压力的膨胀力试验结果 kPa

3.4 抗剪强度测试

在第6次风干后，将试样在上覆压力作用下浸水饱和且膨胀变形稳定后，施加垂直压力进行快剪试验(以上覆压力为75 kPa为例，快剪试验时，4个试样的垂直压力分别为75 kPa、100 kPa、125 kPa和150 kPa)，试验结果见表4。由表4可以看出，黏聚力和內摩擦角基本不随上覆压力发生变化。

表4 饱和快剪试验结果

50 kPa、75 kPa和100 kPa上覆压力作用下，经过6次干湿循环后，饱和快剪试验的τf～σ关系见图10～图12。可以看出，上覆压力、干湿循环次数相同及剪切面上的垂直压力相同时，干湿循环幅度越低，试样的抗剪强度越大，但差别不明显，说明膨胀土在经历一定次数的干湿循环后，其结构被破坏并趋于稳定，此时土体的抗剪强度受其干湿循环过程中的含水率变化幅度和上覆压力影响不大。

图10 50 kPa上覆压力下经6次干湿循环后饱和快剪τf～σ关系

图11 75 kPa上覆压力下经6次干湿循环后饱和快剪τf～σ关系

图12 100 kPa上覆压力下经6次干湿循环后饱和快剪τf～σ关系

4 路堤模型计算分析

路堤高度>8 m时，上部0～8 m按照1∶1.5坡率设计，>8 m部分按照1∶1.75的坡率设计，8 m处设2.0 m宽护道平台。路堤边坡稳定性模型的计算条件如下：①土条及接触情况采用瑞典条分法；②地震烈度按照6度设防；③路基面施加列车荷载和轨道自重荷载，合计54 kPa，分布宽度为3.3 m。加载时，左线中心距左路肩4.2 m、线间距为4.4 m(见图13)[11-13]。

图13 路堤稳定检算模型示意

填料强度指标的选取时，应考虑到大气影响深度范围外的路堤填料不受干湿循环影响，若滑动圆弧发生在该部位，则应该使用正常指标。建立计算模型时，可将路堤坡面向内垂直移动4 m，得到一个梯形核心区未受干湿循环影响的土层，该核心区土体参数取常规快剪强度指标(c=17.7 kPa、φ=21.3°)；除此之外的膨胀土填料采用经历8次干湿循环后的快剪强度指标(c=10.9 kPa、φ=21.1°)，膨胀土填料重度均为19 kN/m3；1.9 m厚基床底层强度指标取c=5.0 kPa、φ=35.0°，重度为21 kN/m3；0.6 m厚基床表层强度指标取c=5.0 kPa、φ=40.0°，重度为22 kN/m3，具体模型参数见图14[14]。

图14 路堤稳定检算参数示意

经路堤稳定检算，当路堤边坡高度≤8 m时，路堤稳定性安全系数>1.25，根据现行《铁路特殊路基设计规范》判断，满足相关要求[15]；路基的边坡高度>8 m时，其稳定性不满足要求，可采取放缓坡率，或者在外侧加设护道等措施。

需要说明的是，未进行坡面防护状态下，实测路堤的大气影响深度为4 m，剧烈影响深度在2 m以内。即使大气影响深度范围内土体受到干湿循环影响，也并非全部都经历过完全的干湿循环[16-17]。路堤施工完成后，顶部覆盖2.5 m厚的基床，边坡部位有坡面防护，路堤本体受大气影响的程度还会有所降低。实测资料也表明，基床填筑后，路堤几乎全部表现为压缩变形。因此，以上路堤边坡稳定性计算的结果偏于保守[18]。

从工程经济性的角度分析，对于自由膨胀率小于40%的非典型性膨胀土，若用于时速200 km以下铁路，可以极大提高挖方利用率。按照弃土平均运距8 km，取土平均运距20 km，利用方运距5 km计算，可以节约运费18.4元/m3，购土费按照15元/m3计，则可节约土石方费用约33元/m3，工程经济性十分显著。

5 结论

(1)由干湿循环试验下膨胀土干湿循环过程中的裂隙发育、胀缩变形情况可知，膨胀土试样在干湿循环过程中发生膨胀变形，且该部分变形有一定的不可逆性；作用在膨胀土上的压力越大，发生的裂缝越窄，裂缝数量也越少；干湿循环次数的增加，裂隙的发展逐渐趋于稳定，试样的胀缩变形也逐渐减小，说明上覆荷载施压和前期干湿循环均可在一定程度上减弱其膨胀性。

(2)干湿循环过程中，试样的内摩擦角变幅较小；黏聚力在初次干湿循环条件下降低32%～35%，但在其后的干湿循环过程中基本保持不变；干湿循环的幅度降低，试样的剪切强度会有所升高(主要是黏聚力升高)，但差别不明显；干湿循环幅度越小，试样膨胀潜势越明显。

(3)地震烈度6度区，路基填高>8 m需采取放缓边坡坡率，或在外侧增加路堤平台护道等措施；应避免在高地震烈度区和填高10 m以上的路堤使用膨胀土填料。