坚硬黏性土遇水膨胀和软化工程特性研究

黄雄，黄豹，徐寒平

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

1 问题的提出

随着海外业务的开展，项目地域越来越广，遇到的各种具有特殊工程性质的土类也越来越多；同时，对这些特殊性土进行室内土工试验时遇到的问题也越来越多；遇水膨胀和软化的坚硬黏性土就是其中一种。

这类土野外勘察中一般描述为灰色或深灰色，湿—饱和，硬—很硬状态、极致时呈半岩半土状，有时（局部）含胶结硬块或砂、砾，具有突出的结构性和高强度低压缩的特性，一般分类定名为黏土或粉质黏土；其遇水易膨胀、软化，比如喀麦隆克里比地区低饱和度的坚硬粉质黏土、安哥拉洛比托地区的饱和坚硬黏土等。

在工程实践中，岩土工程设计单位对这类坚硬黏性土常会关注如下几方面问题：1）遭遇水浸泡后，强度是否会大幅度的降低？2）室内强度试验中，采用标准方法进行试样饱和和施加围压与现场实际情况的差别，将会多大程度地影响强度的大小？

本文以国外某工程坚硬黏性土为例，深入探讨其遇水膨胀、软化的特性与规律，进行一系列的特殊和常规试验。

2 研究现状

目前，坚硬黏性土遇水膨胀性的研究主要集中在其定义和分类、基本指标和微观特征、区域性膨胀土及其形成变化规律、膨胀土的边坡稳定性评价以及灾害防治和加固技术、膨胀土路堤和筑坝技术、膨胀土地基及其处理、土质改良的理论和方法、室内和现场试验研究的新技术和新方法[1-3]等。

膨胀性土的判别指标较多，但总的来说可分为2 类：一类是反映土的加卸载、遇水等条件下的变形特性；一类是反映土的成分与亲水性。前一类指标能直观地反映土的膨胀性，但测定的方法受到较多的限制，需要取得原状样进行试验；后一类指标以反映土颗粒的基本特性为主，扰动土样亦可测定，测定条件亦简便易行。自由膨胀率在一定程度上反映了黏土矿物、黏粒含量和交换阳离子成分等基本特性，但人们常常发现：自由膨胀率与膨胀势之间的关系未必能较好地对应。这主要是因为这种方法破坏了黏土的结构，而如果把曲永新等[4]提出的利用泥质岩的不规则块状样品的干燥饱和吸水率指标进行膨胀势判别与自由膨胀率联合使用，可以得到比较满意的效果。曲永新和付景春等[5]以有效蒙脱石含量来判别膨胀土与非膨胀土的界限值，分别为8%～10%和大于7%，二者结果接近。按土中有效蒙脱石含量进行土的膨胀势分级：小于10%为非膨胀性土、10%～15%为弱膨胀性土、15%～20%为中等膨胀性土、大于20%为强膨胀性土[4-5]。也有人采用塑性图进行膨胀性的判别，膨胀土可按在塑性图中的位置划分为强、中、弱3 个等级。液限和塑性指数时土工常规指标，既能反映影响胀缩性的物质成分，又能在一定程度上反映控制胀缩性的渗透吸附结合水的发育程度。因此，与膨胀率试验相比，塑性图更为简便易行。有文献在塑性图的基础上将塑性指数Ip、自由膨胀率Fs作为纵坐标、液限WL、自由膨胀率Fs作为横坐标，建立膨胀性土分类图，使得判别的偏差较小[5-6]。

从已阅的文献来看，目前国内外岩土工程界对坚硬黏性土的工程特性虽然有了广泛地关注并取得了许多研究成果[7]，但对坚硬黏性土的遇水膨胀与软化特性，尤其是软化特性研究较少，对膨胀与软化特性的定量试验研究更少，需要做进一步的工作。

3 试验与分析

3.1 试验方法

钻探试样在取样、保存、运输、制样和装样过程中严禁与水发生接触，以免发生吸水膨胀和尽可能地减小应力释放；试样均采用蜡封，不允许水分流失；运送采用人员随身携带，尽量避免扰动，并选择具有经验丰富的试验人员进行制样和试验。

本次室内试验包括常规试验和特殊试验，常规试验即按标准或规范要求进行的试验，执行GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[8]。特殊试验为执行非标准或非规范的试验，是为研究样品某一特殊性质而专门设计的试验。

本次共安排了2 种室内土工特殊试验：1）限制膨胀泡水快剪试验：将试样在限制膨胀的情况下进行泡水。具体作法是：在直剪预压仪上施加200 kPa 荷载作用于搁置在环刀上的透水石表面，以用来限制试样的遇水膨胀，同时也不允许试样发生压缩变形；往容器中注水，对试样分别浸泡2 d、4 d 或8 d，然后按GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》进行快剪试验。2）泡水固结快剪试验：在直剪预压仪上对试样进行加压固结，固结压力施加后往容器中注水，将试样分别在泡水状态下固结2 d、4 d 或8 d，固结结束后按GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》进行快剪试验。

3.2 特殊试验安排

特殊试验具体安排如表1 所示。

表1 室内特殊试验具体安排一览表Table 1 Detailed arrangement for laboratory special tests

3.3 成果分析

特殊试验和常规试验得到的样本物理性质指标统计成果见表2 和表3。从表2、表3 中看到，无论是特殊试验样本之间，还是常规试验样本之间，亦或是两者样本之间，物理性质各指标的变异系数较小，因而能够进行对其力学性质指标之间的对比和分析。

表2 特殊试验样本物理性质统计Table 2 Physical properties of samples for special tests

表3 常规试验样本物理性质统计Table 3 Physical properties of samples for conventional tests

3.3.1 限制膨胀泡水快剪试验

按垂直压力的不同（100kPa、200kPa、300kPa或400 kPa），将泡水时间的长短（0 d、2 d、4 d、8 d）与限制膨胀泡水快剪试验极限剪应力的关系作图，见图1。泡水天数为0 d 的情况即常规试验，各级压力下的极限抗剪强度取样本的平均值。

图1 不同垂直压力下的泡水天数和快剪强度关系曲线Fig.1 Relationship between soaking days and direct quick shear strength under different vertical pressures

从图1 可以看到：1）虽然泡水过程中采取了限制膨胀的措施，但随着泡水时间的增加，强度仍呈现出降低的趋势，泡水8 d 的平均降低值为49.4 kPa；2）仅从图上来看，强度的降低主要发生在泡水4 d 以内，4 d 后趋于稳定，但此结论尚应综合考虑试样尺寸大小、水头压力和限制膨胀等条件，不能简单应用于现场情况；3）从试样试验后的含水率测试结果来看，饱和度由天然条件下的平均66.7%，变为泡水后的平均80.7%；即使泡水8 d，试样仍尚远未达到100%。

按不同的泡水时间（0 d、2 d、4 d、8 d）作强度包络线，各级压力下的极限抗剪强度取样本的平均值，见图2；得到不同泡水天数条件下的快剪强度指标见表4。

图2 不同泡水天数条件下的快剪强度包络线Fig.2 Envelope of direct quick shear strength under different soaking days

表4 不同泡水天数条件下的快剪强度指标Table 4 Index of direct quick shear strength under different soaking days

从图2 和表4 中可以看到：随着泡水时间的增加，内聚力（Cq值）减小较为明显，平均减小值为38.6 kPa；而内摩擦角（Φq值）基本上无变化，R为相关系数。

含水率无疑对土的强度影响较大，有文献从黏土矿物吸水膨胀与崩解、离子交换吸附作用、水岩微观力学作用、易溶性矿物的溶解作用、非线性化学动力学机制等因素对此进行了分析[9-10]。不管何种因素起主导作用，从结果来看，此类硬土的强度确实得到了较大程度的降低。

3.3.2 泡水固结快剪试验

按垂直压力的不同（100 kPa、200 kPa、300 kPa或400 kPa），将泡水时间的长短（0 d、2 d、4 d、8 d）与泡水固结快剪试验极限抗剪强度的关系作图，如图3 所示。泡水天数为0 d 的情况即常规试验，各级压力下的极限抗剪强度取样本的平均值。

图3 不同垂直压力下的泡水天数和固快强度关系曲线Fig.3 Relationship between soaking days and consolidated quick shear strength under different vertical pressures

从图3 中可以看到：采用泡水固结快剪试验，由于泡水发生在垂直压力施加之后，水进入土中产生软化所需的时间较长，故泡水2 d 和4 d 时强度基本上不降低；泡水8 d 时，强度呈现出降低的趋势，平均降低值为14.0 kPa。

按不同的泡水时间（0 d、2 d、4 d、8 d）作强度包络线，各级压力下的极限抗剪强度取样本的平均值，见图4；得到不同泡水天数条件下的快剪强度指标见表5。

图4 不同泡水天数条件下的固快强度包络线Fig.4 Envelope of consolidated quick shear strength under different soaking days

表5 不同泡水天数条件下的固快强度指标Table 5 Index of consolidated quick shear strength under different soaking days

从图4 中可以看到：随着泡水时间的增加，内聚力（Cq值）和内摩擦角（Φq值）基本上均无减小的趋势。

对两者强度无差别现象的理解为：一方面，由于泡水的时间是在固结开始之后，且泡水时间不是很长，此时试样由于受到垂直压力，除了表面一定深度，水无法大量进入到试样的内部，含水率基本上无变化，使得强度也基本上无变化，这是主要的原因；另一方面，与快剪试验不同的是，固结快剪试验在固结过程中将对硬土的结构性和含水率等进行重新调整，故泡水的影响也将随之变小。

这也就说明，在工程实践中，如果能够在开挖过程中，在水大量渗入土体深部之前便作好防水措施并及时浇筑基础，则土体强度由于泡水降低的影响不大。此外，在构筑物建成以后，由于垂直压力对水渗入的阻碍作用，水渗入的深度有限，土体的强度也不会大幅度地降低。

一般认为，当土遇水发生膨胀或软化现象时，其表面的隆起量将随着浸水深度和面积成反比例地增大；不过这种增大仍有一定限度。对地基土而言，土的膨胀或软化只限于土体自重压力与膨胀压力相等的土层深度以上。如果存在较大的外部荷载，则膨胀作用将向下转移到结构物和土体二者所产生的应力和膨胀力相等的深度以下，位于此深度与基础底部之间的土体仍表现为压缩变形。

4 结语

本文通过室内土工试验进行一系列的特殊和常规试验，得到如下结论：

1）在室内试验中，随着泡水时间的增加，硬土的强度会呈现出降低的趋势；

2）泡水强度的降低主要发生在一段时间以内，然后逐渐趋于稳定；

3）泡水试验后的试样饱和度仍然很低，在有外荷载限制膨胀作用和泡水时间不是很长的情况下，泡水影响的程度有限；

4）随着泡水时间的增加，限制膨胀泡水快剪条件下的内聚力减小，内摩擦角基本上无变化；而泡水固结快剪条件下的内聚力和内摩擦角均无变化。

5）在工程实践中，如果能控制好泡水时间和及时施加外部荷载，则土体发生膨胀/软化的强度和深度均有限。