膨胀土二维膨胀力特性研究

吴岗贾景超巴潇刘雨童张雪茹

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450011；2.河南省朝阳建筑设计有限公司，河南 郑州 450011)

膨胀土是一种吸水膨胀、失水收缩的粘性土，由于其吸水失水会反复膨胀变形，强度变化明显。这些常使建筑物产生各种各样的危害，如造成房屋变形、开裂，甚至破坏，因此对于膨胀土的研究尤其重要。于琳茗运用晶格扩张理论，分析了膨胀力是如何形成的，并且研究新型的膨胀力试验仪，对不同膨胀土进行对比研究。张锐等通过研究设计试验装置，建立了侧向膨胀力拟合公式。郭红军利用实验，观察膨胀变形试验中的荷载与膨胀力之间的联系，得到极限膨胀力与允许变形量之间的关系式。刘洪伏等对强膨胀土进行试验，探讨了不同因素和对膨胀力的影响。

大多数学者对膨胀土膨胀力的研究多侧重于土样竖向膨胀产生的变形，对于平面状态下的土样研究较少。近年来，有的学者利用改进后的仪器探索侧向膨胀力与上覆荷载的关系，利用三向膨胀仪或者薄壁固结仪分析竖向膨胀力与侧向膨胀力的相互影响以及温度和改性溶液等对膨胀力的作用。然而，在真实情况的应力状态下评估膨胀土的膨胀性能十分重要，故本文利用自制的二维膨胀仪，对平面状态下的二维膨胀力进行了一系列研究，并认真分析讨论，研究得到了二维膨胀力随时间的变化规律，探讨了初始含水率对膨胀力的影响以及竖向膨胀力与侧向膨胀力的关系，明晰了胀限的变化规律。

1 试验准备

1.1 试验装置

本试验采用自行设计的膨胀土二维膨胀仪(发明专利号：ZL201510322064.8)，主要由压力室、加荷系统和数据收集系统3部分组成，仪器实物如图1所示。

图1 膨胀土二维膨胀仪

压力室呈长方体构造，前后分别设置夹板，上下分别设置顶板和底板，左右两端开口。其中顶板设置有进水口，可通过阀门控制进水速率以加湿土块。竖向刚性传压板通过传力杆与第1应力传感器和第1位移传感器相连，侧向刚性传压板通过传力杆与第2应力传感器和第2位移感器相连。竖向刚性传压板可沿压力室竖直滑动，可通过调节竖向加压杆上的螺母控制其竖向位移，从而限制土样竖向变形。侧向刚性传压板可沿压力室水平滑动，为了限制土样的水平位移，可把销钉插入台面上的固定孔。

加荷系统由垂直加荷和横向加荷2部分组成。竖直加荷系统由杠杆与加载机构组成，在该体系中，通过杠杆机构与垂直加压杆将托盘上的砝码产生的压力作用在顶板上，并最终作用在土样上。横向加荷系统包括滑动构件和加载机构，滑动构件位于试验台上，通过绳索和试验台下的托盘连接，在托盘上放置不同重量的砝码，砝码的重力作用在对侧加压板上并化为压力最后作用在土样上。

数据收集系统将压力传感器和位移传感器得到的膨胀力和变形信息传送到计算机，通过相应的“二维膨胀机”软件进行记录，并以Excel文件形式输出。

1.2 土样制备

严格按照《土工试验规程》(SL 237-1999)进行不同含水率土样的制备。将膨润土放置在105℃的密封烘箱内烘干24h，待土样完全冷却后按照一定的含水率进行配土，配土完毕，将土样放在保湿缸里24h。制样器如图2所示，从上到下依次为2个压样块、底座和套筒。套筒内部空间为20mm×100mm×100mm。制样过程：在套筒底部放置1个压样块，称取一定重量的膨胀土放于套筒内；将另一个压样块放在套筒顶部并放于千斤顶上压实，待土样被压实后，取下套筒上下的压样块，利用底座将土样取出。

图2 制样器

1.3 试验方案

利用膨胀土二维膨胀仪进行试验。采用恒体积法对样品进行膨胀试验，试样选取不同含水率和干密度的膨胀土。在进行测试之前，先在前、后2块板上涂上一层凡士林，尽可能地减少摩擦力对后续试验的影响。然后安放土样，将前玻璃板固定，拧紧螺母，以保证土样在试验期间的体积不发生变化。在加载仓内放好土样，调节两侧以及竖向加压板的位置，调节压力传感器并归零，并记录试验数据。

2 试验结果及分析

根据上述试验得到不同初始干密度的膨胀土的二维膨胀力，明确了初始干密度对二维膨胀力的影响，同时得到了平面应变条件下竖向膨胀力与横向膨胀力的关系以及初始干密度对胀限的作用。

2.1 二维膨胀力随时间的变化规律

在初始干密度不同的条件下，得出竖向及侧向膨胀力与时间的关系曲线，如图3、图4所示。由图3可以看出，竖向膨胀力与时间基本成线性关系，随时间的增加逐渐增大，最终稳定不变，前期膨胀速率较快，且该阶段膨胀力增加量在整个过程中占比较大，因此膨胀土前期的变化更应该成为工程关注的重点；竖向膨胀力增长变慢，最终趋于稳定。由图4可以看出，侧向膨胀力与竖向变化规律基本相同，都是与时间基本呈正相关，最终稳定保持不变。

膨胀力时程曲线大体可分为3个不同的阶段，分别为快速膨胀阶段、过渡阶段和稳定膨胀。快速膨胀阶段发生在0～4h，在此阶段膨胀力迅速增长，增长量也为整个膨胀力的70%。过渡阶段，增长速度有了明显的下降，达到稳定膨胀阶段。试验初期膨胀土表面接触到大量水分子，膨胀土所含有大量亲水性矿物使得其迅速吸水发生膨胀变形，但土体被限制了变形，膨胀势能只能向膨胀力转化，所以膨胀力增速迅猛。当土样外侧土体达到基本饱和的状态后，进入过渡阶段，水分向内部渗透的速率小，导致膨胀力增长的速度放缓；土体饱和，试样趋于稳定状态，膨胀力和膨胀势基本维持不变。

由图3、图4可以看出，在初始含水率不变的条件下，2个方向的膨胀力均随着干密度的增而增大；当初始含水率一定时，达到变形稳定所需要的时间长短受干密度影响，干密度越大，需要时间越长。

图3 竖向膨胀力-时间曲线

图4 侧向膨胀力-时间曲线

2.2 干密度对二维膨胀力的影响

在初始含水率一定的条件下，干密度对膨胀力的影响如图5所示。不难看出，膨胀力与干密度呈正相关，随干密度增大而增大。竖向膨胀力前期变化相对平稳，直至某一个点后，而后急剧加速，侧向膨胀力相对竖向膨胀力变化速度更平稳，基本按一个速率进行。由图5可以看出，干密度对膨胀力的影响较大，竖向膨胀力与侧向膨胀力变化规律基本相同。根据晶格扩张膨胀理论，土体内部孔隙的大小与干密度的大小有关，干密度越大，土体内部孔隙的体积越小。当膨胀土吸水膨胀时，水分子进入膨胀土中的孔隙，从而产生膨胀力，孔隙体积越小，受到的约束越大，膨胀力变化越大，因此膨胀力与干密度有着密切的关系，两者呈正相关。

图5 不同初始干密度下膨胀土膨胀力-干密度曲线

2.3 竖向膨胀力与侧向膨胀力关系

在制样的过程中，由于加压块给套筒内的土样增加了竖向压力，导致竖直方向土粒之间的孔隙更小，土体结构更为密实。与传统的固结仪和三维膨胀仪的单向成型方法相比，本试验中的压模方向垂直于横向膨胀力和竖向膨胀力，压实时两个方向的压力大致相等，竖向和侧向的空隙比压密方向大，而且不会引起试样在竖向和横向上的异性。所以，制样时产生的误差对二维膨胀力的对比影响不大。

从图6可知，竖向膨胀力和侧向膨胀力变化趋势大体相同，大多数情况下竖向膨胀力的数值高于侧向膨胀力，且在数值上相差较多，相较于侧向膨胀力，竖向膨胀力趋于稳定的速度更快。

图6 竖侧向膨胀力曲线

由于土颗粒在压实过程中受到的压力大体一致，且竖向与侧向的孔隙基本相同。因此，在试验初期，2个方向上的残余膨胀潜能应该基本一致，土样的自重对膨胀力的影响也不容忽视。土体质量较大，土体受自身重力的影响导致内部应力增大，部分竖向膨胀力会被土体颗粒之间的外力抵消，所以会有一定程度的降低。一部分竖向膨胀潜势被抑制后，在颗粒间产生“楔”的作用力，并通过土体颗粒向外传送，致使横向膨胀力变大。竖向膨胀力与侧向膨胀力大小相近，膨胀土的各向异性特性减弱。

2.4 胀限的变化规律

2.4.1 初始含水率及干密度对胀限的影响

通过试验结果分析，绘制关系图如图7所示，由图7可以看出，相同干密度下，初始含水率对胀限几乎不产生影响，图像呈直线形状；相同含水率，胀限随干密度的不同数值差距较大。

图7 胀限-干密度-初始含水率曲线

在膨胀土内部，水分子可以充填的孔隙体积是有限的。干密度越大，孔隙体积越小，当土体吸水膨胀时，吸水量会减少，从而使胀限降低。在干密度不变的情况下，试样吸水稳定时土体内部孔隙被水分子充满，故初始含水率对胀限也不造成影响。

2.4.2 膨胀力与胀限之间的关系

膨胀力试验中，试样的胀限与土体的干密度有关，与初始含水率的大小无关。根据试验数据，汇出胀限与膨胀力的关系曲线，由图8可以看出，竖向膨胀力与侧向膨胀力随胀限的变化规律大致相同，呈负相关，胀限越大，膨胀力越小。

图8 膨胀力-胀限曲线

3 小结

本文利用自制的二维膨胀仪，对平面状态下的二维膨胀力进行了一系列研究，得到以下结论：干密度是影响膨胀力的主要因素，随着干密度变化，竖向膨胀力与侧向膨胀力的整体变化趋势一致,表现为增大，变化明显；竖向膨胀力与横向膨胀力随时间的变化曲线大体一致，都表现为先增长后稳定，大多数情况下竖向膨胀力的数值高于侧向膨胀力，且在数值上相差较多，相较于侧向膨胀力，竖向膨胀力趋于稳定的速度更快；膨胀力试验中，试样的胀限由干密度的大小决定，两者呈负相关，与试样的初始含水率无关。