平面应变状态下膨胀土二维膨胀力特性研究

刘雨童贾景超巴潇张雪茹吴岗

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450000；2.河南省朝阳建筑设计有限公司，河南 郑州 450000)

膨胀土是一种含有大量膨胀性粘土矿物的特殊性质土，具有显著的吸水膨胀特性[1]，膨胀后所引起的膨胀力很容易导致工程建筑物的破坏，如建筑物地基因吸水体胀而发生的破坏、巷道围岩形变的破坏、路堑边坡失稳[2-5]等，这些灾害均与膨胀土吸水膨胀特性密切相关，因此研究膨胀土的膨胀特性显得尤为重要。

以往学者对膨胀土膨胀力的研究多集中在轴对称应力状态，且多侧重于土样竖向膨胀产生的变形[6]。近年来，有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[7,8]，利用三向膨胀仪[9]或者薄壁固结仪[10]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[11]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[12]，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，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 试验装置及方法

1.1 试验装置

本试验采用自行设计的膨胀土二维仪(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，仪器实物图1如所示。

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一应力传感器和第一位移传感器相连，侧向刚性传压板通过传力杆与第二应力传感器和第二位移感器相连。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，法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

图2 制样器

严格按照《土工试验规程》(SL 237-1999)[13]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1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。

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，方案和结果如表1所示。

在进行测试之前，先在前、后2块板上涂上一层凡士林，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。

试验时，先开启软件，更改软件程序每2min记录1次数据，按“开始记录”键，滴水将土样加湿，以相同的时间间隔进行读数，并记录纵向和横向膨胀力之间的关系。在2h内，如果读数不大于0.01N，则视为土样的膨胀状态已经稳定，测试完毕后，应立即将土样取出测量其含水率。

表1 二维膨胀力试验方法及结果

2 试验结果及分析

通过试验得到了不同初始含水率的膨胀土的二维膨胀力，明确了初始含水率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含水率对胀限的作用。

2.1 二维膨胀力随时间的变化规律

由图3可知，竖向膨胀力和横向膨胀力随时间变化趋势大体相同，都呈现出开始快速增长，最后趋于稳定的趋势。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%。随后是过渡阶段，增长速度有了明显的下降，最后达到稳定膨胀阶段。

分析原因如下，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张，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；最后土体饱和，试样趋于稳定状态，膨胀力和膨胀势基本维持不变。

由图3可知，当干密度相同时，膨胀力随着含水率的变化有所不同。当土样的干密度为0.8g·cm-3时，膨胀力变化速率和含水率呈负相关，初始含水率越大，膨胀力越小；当土样初始干密度为0.9g·cm-3、1.0g·cm-3时，膨胀力变化速率和含水量并无明显规律。由此可知，干密度较小时，土样初始含水量会对膨胀力造成较大影响。

图3 二维膨胀力-时间曲线

2.2 初始含水率对二维膨胀力的影响

由表1中的试验结果绘制相同初始干密度下不同含水率和二维膨胀力之间的关系图。

图4a为初始含水量与竖向膨胀力曲线。竖向膨胀力在试样初始干密度为1.0g·cm-3时受含水量的影响，先增大随后减小，曲线呈折线，波动幅度较大。竖向膨胀力在试样初始干密度为0.9g·cm-3时受含水量的影响，先减小随后小幅度增大，变化趋势趋近直线，波动幅度较小。竖向膨胀力在试样初始干密度为0.8g·cm-3时受含水量的影响，与含水率呈负相关。

图4b为初始含水量与侧向膨胀力曲线。侧向膨胀力在试样初始干密度为1.0g·cm-3时受含水量的影响，先增大随后减小，曲线呈折线，波动幅度较大。竖向膨胀力在试样初始干密度为0.8g·cm-3、0.9g·cm-3时受含水量的影响，先减小随后小幅度增大，变化趋势趋近直线，波动幅度较小。

图4 不同初始含水率下膨胀土二维膨胀力-含水率曲线

可以得到，初始含水率对膨胀力的影响并不明显。膨胀土体的体积变化的主要影响因素是其内部孔隙体积变化。水分子进入土壤后，先填满膨胀土中的孔隙体积，当水分子充满孔隙后，由于周围颗粒的限制作用，使膨胀力逐渐扩散，从而形成宏观膨胀力。膨胀土初始含水量改变对其微观结构和孔隙大小的影响较小。

由图4可知，竖向膨胀力和侧向膨胀力随初始含水量的变化规律大体一致。在干密度较低的情况下，随着含水率的增加，膨胀力逐渐降低，但变化幅度很小。当初始含水量较高时，矿物粒子附近的结合水膜会变得更厚，从而使膨胀土体的膨胀潜势降低；干燥后，同一类型的膨胀土的膨胀势能基本一致，在试样的配制过程中，由于干燥的土颗粒接触水分子会有膨胀的趋势，将消耗一部分膨胀势能，导致剩余膨胀势能相对较小，进而降低了对周围土颗粒传递的膨胀力的大小，且膨胀势能的消耗与所配含水率呈正比。在干密度较高的情况下，土样的膨胀力随含水量的增加呈现出先增加再降低的趋势，且有相当大的变化。当干密度较大时，膨胀土单位体积内的膨胀晶格数量越多，随着土样体积的增加，其吸水性和膨胀性都会显著增加。当含水率在某一程度内时，晶格吸水膨胀对膨胀力的影响更大，促使其持续增长；当含水量增加到一定程度时，含水率的变化对膨胀力的作用是最大的，随着含水率的增加，膨胀力逐渐降低。

2.3 竖向和侧向膨胀力关系

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2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各向异性。所以，制样时产生的误差对二维膨胀力的对比影响不大。

图5 二向膨胀力时程曲线

从图5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。

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。干密度越大，对竖直膨胀力的影响也越大，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 初始含水率对胀限的影响

胀限指膨胀土膨胀稳定后的含水量。分析试验结果可以绘制初始含水率与胀限的关系图，如图6所示，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。

在土体内部时，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，在吸水膨胀时，土体可以吸收的水量会减小，使胀限降低。在干密度确定的情况下，试样膨胀稳定时土体内部孔隙被水分子充满，初始含水率的变化并不会对土体内部含水量造成影响，故初始含水率对胀限也不造成影响。

2.4.2 膨胀力与胀限的关系

对试验结果进行分析，可以绘制出不同初始含水率、不同干密度情况下膨胀力和胀限的关系曲线。如图7所示，竖向膨胀力和侧向膨胀力随胀限的变化趋势大体相同，呈负相关，胀限越大，膨胀力越小。

图6 胀限-初始含水率曲线

图7 膨胀力-胀限曲线

3 结论

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。

膨胀力和初始含水量的关系并不显著。侧向膨胀力与竖向膨胀力随着初始含水率变化趋势大体一致。在干密度偏小时，膨胀力与初始含水率呈负相关，且变化幅度相对较小；在干密度偏大时，膨胀力随初始含水率的增大先增大后减小，且变化幅度较大。

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。

在膨胀力试验中，土样的胀限与其初始含水率关系不大。膨胀力和胀限呈负相关。