路基工程膨胀土竖、径向膨胀规律试验分析

■李艳艳

（福建水利电力职业技术学院， 三明 366000）

在工程中， 膨胀土是一种典型的非饱和粘性土，它富含的蒙脱石以及其混层矿物，由于强亲水性使膨胀土具有显著的胀缩性， 容易吸水膨胀软化、失水收缩开裂[1-3]。 膨胀土对路基工程结构物的危害首先来自于它的膨胀特性[4-5]，现在室内基本上都是运用单轴固结仪对膨胀土的膨胀特性进行实验，但该仪器是在完全侧限，即不允许试样有任何侧向变形的条件下，测试土样竖向的膨胀压力和变形，然而自然界中的膨胀土体处于非常复杂的环境当中，这种试验条件和试验方法与现场复杂的环境条件相差很多[6-7]。 为了能够使试验条件与现场的情况更加接近并且获得更加有工程意义的试验结果，本文采用土壤竖、径向膨胀变形与膨胀力关系测试仪对膨胀土的膨胀特性进行试验，以得到膨胀土膨胀力的变化规律；两个方向膨胀力的关系以及膨胀变形对膨胀力的影响。

1 试验过程

1.1 试验方案设计

通过人为控制土样的状态，在几种不同的起始含水率与不同的初始干密度下，对所采集的膨胀土土样进行膨胀特性的测试，从而得到土样的竖向与径向的膨胀力，研究它们之间的关系。 与此同时，在允许有竖向膨胀变形或者侧向膨胀的条件下，研究两向的膨胀力的衰减规律。 试验设计3 种不同的初始含水率：17%、20%、23%，以研究含水率对膨胀特性的影响；并在同一个含水率条件下在设计3 种不同的干密度：1.6 g/cm3、1.7 g/cm3、1.8 g/cm3， 进一步研究干密度对膨胀特性的影响。 试验共设计9 组，每组需要4 个试样，其中2 个试样用刚性环刀进行制作，在单轴固结仪上完成竖向膨胀力的试验；另外2 个试样用4 片环刀进行制作（其中1 块释放竖向位移，1 块释放径向位移，释放位移间隔0.05 mm），在土壤竖、径向膨胀变形与膨胀力关系测试仪上进行试验。

1.2 试样制备

（1）用木槌将土样锤碎并过2 mm 的圆孔筛，充分搅拌后测定其风干含水率，然后按照公式（1）计算配制一定含水率的土样所需要的加水量。

式（1）中：mw为制备土样所需要的加水量（g）；m0为风干土的质量 （g）；w0为土样的风干含水率（%）；w1为所要求的土样的含水率（%）。

根据试验需要取一定量的土样并将其平铺在橡皮板上； 按计算好的加水量均匀地喷洒在土样上。 对土样进行充分搅拌后将其装入黑色塑料袋内进行闷料使其更加均匀；润湿24 h 后测定它的含水率，即得到研究所需要的含水率试验土样。

（2）运用特制的制样模具与CBR 试验仪相配套采用静压方法进行试样的制备。 在土样制备的过程中需要控制其干密度，即在一定的含水率的条件下需要计算装入制样模具的土料的质量，其计算公式如下：

式（2）中：mρ为土料的质量（g）；ρd为所要求的试样的干密度（g/cm3）；R 为试样的半径（cm）；H 为试样的高度（cm）。

首先将环刀和制样模具组装在一起，然后把已经计算好的一定质量土料装入模具中，分三层进行静压压实，平抚该制样模具，至CBR 试验仪的底座旁边，调节CBR 指针使其归0，手动调节CBR 旋钮（先下降，后上升），使CBR 重锤落入特制的击实筒铜锤里， 当CBR 试验仪重锤底部完全和特制的击实筒接触后，CBR 试验仪读数开始变化， 当其达到预定高度后维持该高度不变直至CBR 读数稳定（约20 min），之后调节CBR 旋钮，使其下降取出装有特殊环刀的特制击实筒，取出环刀并将土样削平称重。 这样便得到试验所需要的环刀试样以备膨胀特性试验之用。

1.3 试验注意事项

在使用土壤竖、径向膨胀变形与膨胀力关系测试仪时，需注意以下事项：（1）安装试样时，点击膨胀特性窗口中的“左移”“右移”按钮来调节试样护环部件的开合程度， 保证土样试件能轻松插入即可；并且使旋转环形箍四瓣环刀结合缝与试样护环部件的缝隙相对应，并将环形箍的锁紧螺母适当松开方便试件四瓣在底部环刀滑离环形箍；（2）根据“运行状态监控”栏里的提示，设置正压和围压的预紧强度然后点击“正压预紧”“围压预紧”按钮对试样进行预紧，将测试模式设置为“控制位移”、将终止条件设置为“人为停止”；（3）待完成试样的预紧后，再根据“运行状态监控”栏里的提示将正压位移和围压位移进行清零，等“运行状态监控”栏里显示“准备完毕”时，即可点击“测试启动”按钮正式进行测试，并在测试启动的同时往水槽里加水，加水的深度淹没试样的2/3 即可；（4）在测试启动刚开始的一段时间内，测试人员需要密切注意压强和位移变化，在没有出现错误和没有大的波动的情况下方能离开，然后相隔一定的时间间隔对试验的过程进行观察。

1.4 试验结果

2 试验结果分析

对比2 种不同的仪器所测得的竖向膨胀力的试验结果可以发现，单轴固结仪所得到的竖向膨胀力的测试值要比土壤竖、径向膨胀变形与膨胀力关系测试仪的测试值大一些，这主要是固结仪所用的环刀刚性过大的原因，由于侧限的存在会导致竖向膨胀力的测试值要比实际值偏大，因此所得到的测试结果相对来说是比较准确可靠的。 对比分析表1和表2 中的试验结果可知，土样竖向膨胀力的变化规律与以往的研究结果是吻合的。 综上所述，运用该实验结果进行进一步的研究。

表1 试样竖向膨胀力值（单位：kPa)

表2 试样膨胀力峰值（单位：kPa)

2.1 径、竖向膨胀力关系的分析

为了弄清楚膨胀土两个方向的膨胀力之间的关系，取两向膨胀力的比值（径向膨胀力比竖向膨胀力）进行研究，汇总于表5。 从表5 中可以看出该比值都小于1， 且该比值随着干密度的增大而减小，这说明膨胀土体存在各向异性，干密度越大表现的越明显。

表5 两向膨胀力比值

2.2 位移对膨胀力的影响

对表3 和表4 中的数据进行分析， 可以发现，当发生位移时， 土样的膨胀力和径向膨胀力都会发生变化，它们都随着位移的增大而减小。 允许膨胀土的有微小竖向膨胀变形时，竖向位移为0.05 mm 时，土样竖向膨胀力从147.80 kPa 降到123.30 kPa，衰减16.69%， 其径向膨胀力从78.10 kPa 下降到70.70 kPa，衰减9.48%。 而且随着竖向位移的增加膨胀力将会继续下降，竖向位移为0.45 mm 时，土样竖向膨胀力下降到40.50 kPa，衰减73.09%，其径向膨胀力下降到43.60 kPa，衰减44.17%；竖向位移为0.60 mm 时，竖向膨胀力降到27.30 kPa，衰减82.08%，其径向膨胀力下降到38.40 kPa，衰减50.83%。 由此可见，允许膨胀土的有微小竖向膨胀变形，其两个方向膨胀力会出现很大程度的衰减。 同样的，允许膨胀土的有微小径向膨胀变形时，其两个方向的膨胀力都会有所降低，当径向位移为0.05 mm 时，土样竖向膨胀力从152.30 kPa 降到135.30 kPa，衰减11.16%， 其径向膨胀力从75.20 kPa 下降到72.30 kPa，衰减3.86%；而且这种衰减的程度还会随着径向位移的增加而不断地增大， 当径向位移增大到0.50 mm 时， 土样竖向膨胀力下降到102.30 kPa，衰减32.83%，其径向膨胀力下降到43.50 kPa，衰减42.15%。 与释放竖向位移相比，竖向膨胀力和径向膨胀力的衰减程度都要小一些，但是在释放径向位移时，径向膨胀力的衰减程度还是要比竖向膨胀力的衰减程度要大一些。 为了更加直观地表示位移对于膨胀力的影响， 分别作出了释放竖向位移时，土样的膨胀力与竖向位移关系的曲线图（图1），以及释放径向位移时，土样的膨胀力的衰减百分比与径向位移关系的曲线图（图2）。

表3 释放竖向位移时膨胀力衰减情况

表4 释放径向位移时膨胀力衰减情况

图1 膨胀力与竖向位移的关系的曲线

图2 膨胀力的衰减百分比与径向位移的关系的曲线

3 小结

本文为研究膨胀土竖、径向膨胀规律，设计相应的试验方案对膨胀土进行了膨胀特性的测试，并对结果进行整理分析，得到了以下结论：（1）膨胀土竖向膨胀力和径向膨胀力的大小都随着含水率的增大而减小，随着干密度的增大而增大。 （2）膨胀土样的径向膨胀力总是小于其竖向膨胀力，且干密度对于膨胀土的各向异性有着一定的影响，干密度越大膨胀土的各向异性越明显。 （3）允许土样有稍微的竖向位移时， 两个方向的膨胀力会发生比较大程度的衰减，且竖向膨胀力的衰减幅度要大一些。 （4）当土样发生径向位移时，两个方向的膨胀力均会发生衰减，但是径向膨胀力的衰减程度要大一些。