含水率对中膨胀土力学性质的影响分析

王 欢,杨立功*,赵玉田,刘晓强

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所,天津 300456;2.上海交通建设总承包有限公司,上海 200136)

膨胀土是一种特殊土,富含亲水性矿物,如蒙脱石、伊利石等,具有吸水膨胀、失水收缩的特性[1-4]。吸水膨胀是膨胀土显著特性之一,其实质就是水膜形成并加厚,在黏土颗粒表面形成一种“楔”力,进而使土颗粒之间的距离增大,孔隙变大[5-8]。因此,为避免膨胀土地基上构筑物的损坏,同时能科学合理地处理膨胀土地基,对膨胀土吸水膨胀的发展规律及吸水膨胀后其力学性质的变化研究极为重要[9-12]。

针对膨胀土吸水后的力学特性变化,许多学者做了相关探讨。郭从洁等[13]通过建立不同初始含水率的膨胀土边坡模型,对多次冻融循环下坡体温度、含水率、土压力以及位移进行实时监测,研究了冻融循环下,不同初始含水率膨胀土边坡坡体各指标的变化规律,进而探究初始含水率对膨胀土边坡稳定性的影响。李甜果等[14]开展了不同含水率下膨胀土的室内共振柱试验,表明含水率对膨胀土剪切模量影响显著,剪切模量G随着含水率的增加而减小。杨立功[5]以不同初始含水率、不同干密度和无上覆荷载条件下,研究膨胀土吸湿膨胀率与含水率之间的关系,研究结果表明在天然初始含水率和干密度条件下,中膨胀土吸湿膨胀率与后续含水率之间虽然呈非线性关系,但在很大含水率范围(约50%)内,中膨胀土膨胀率与含水率之间近似呈线性关系。李进前[15]研究膨胀土增湿过程中的膨胀规律,取某高速铁路地基膨胀泥岩土样,研究其无荷膨胀率随含水率增大过程中的变化规律,试验结果表明膨胀土无荷膨胀率随含水率变化过程分为3个阶段,分别为快速膨胀阶段、缓慢膨胀阶段和趋于稳定阶段,得到3个变化节点含水率。KONG等[16]研究了温度和相对湿度对工程膨胀土微观结构影响,干燥过程显著影响膨胀土的工程特性,随着干燥温度的降低,材料线收缩率和强度增加,在较高的干燥速率下,容易发生不均匀变形,从而进一步促进裂纹的发展。ZHENG等[17]讨论了粘聚力和摩擦强度的物理意义,解释了膨胀土的力学特性,研究了膨胀土强度参数随含水量的变化规律。通过与直剪试验和三轴试验的结果相吻合,分析了粘聚力和弹性模量的变化特征得到了摩擦角与含水量的关系。MOHAMMED等[18]在不同初始含水量和干容重下建立了一个大型土壤模型显示含水量随时间对土壤膨胀的影响,在同一土壤的膨胀试验中,膨胀率从大比例尺模型得到的结果高于从固结仪得到的结果。膨胀势随着土壤吸力的增加而降低经受不同的饱和期。

以上学者对膨胀土不同含水率的力学性质研究较单一,没有系统的分析膨胀土吸水膨胀后对各力学参数的影响。膨胀土在我国有广泛分布,而安徽地区是膨胀土的主要分布省份之一[19]。文章土样来自引江济淮工程深切岭段现场的中膨胀土,通过室内试验研究不同初始含水率时吸湿后膨胀土的力学参数变化,可用于膨胀土地区在土体吸湿条件下力学性能的计算分析,为工程项目施工提供参考。

1 含水率与膨胀率的关系

膨胀率是膨胀土膨胀特性的外在体现,是膨胀土胀缩变形计算中的重要参数,因此,对膨胀土的研究首先要分析其膨胀率。其次,在初始状态一定的情况下,为研究膨胀土在不同含水率条件下的力学性质,首先要确定含水率与膨胀土的关系。例如：无荷条件下,试验测定初始含水率15%、干密度1.45 g/cm3的力学指标,先配置含水率15%的膨胀土土样,控制其干密度为1.45 g/cm3,进而开展相关的试验测定其各项力学指标。当后续含水率为20%时(初始含水率15%条件下含水率增加到20%),由于不能预测其吸水膨胀变形,土体的干密度未知,无法进行土样制定,因此,通过测定初始含水率15%、干密度1.45 g/cm3的土样在不同后续含水率条件下的膨胀率,进而可以预测其膨胀变形,通过膨胀变形,计算含水率20%的土样体积,最后制作该含水率条件下的土样。

1.1 试验内容

自由膨胀率为65%～90%时为中膨胀土,文章对同一批典型原状中膨胀土(自由膨胀率70%)进行重塑,控制其初始含水率、干密度(表1)。

表1 试验方案Tab.1 Experiment scheme

(1)每组编号制作10个以上初始条件相同(初始含水率、干密度相同)的膨胀土环刀土样;(2)在有侧限、无荷载的条件下对这批土样浸水,且每个土样的含水率不同;(3)浸水同时用百分表测定土样的高度变化,24 h后记录百分表最终读数;(4)将土样取出放进烘箱;(5)24 h后取出土样,测定土样质量;(6)计算每个土样含水率;(7)绘制土样(初始条件相同)含水率与膨胀率之间关系曲线。

1.2 含水率与膨胀率关系分析

不同初始条件下,膨胀土含水率与侧限、无荷载膨胀率关系如图1所示。可以看出,膨胀率与含水率之间基本呈线性关系。随初始含水率增大,同一后续含水率的土体膨胀率逐渐降低;随着干密度增大,同一后续含水率的土体膨胀率增大。

1-a 初始含水率15%,干密度1.45 g/cm3 1-b 初始含水率15%,干密度1.53g/cm3 1-c 初始含水率17.5%,干密度1.45 g/cm3

另对比图1-a与图1-b、图1-c与图1-d及图1-e、图1-f与图1-g可以看出,初始含水率相同时,干密度大,膨胀土吸湿膨胀率与含水率关系曲线的斜率越大,膨胀土在密实状态下吸水膨胀变形也越大;对比图1-a、图1-c、图1-e可以看出,干密度相同时,初始含水率越大,膨胀土膨胀率与初始含水率关系曲线的斜率越小,这表明初始含水率越大,膨胀土吸湿膨胀能力越小。

2 物理力学试验

2.1 试验方案

确定一定初始含水率、干密度状态下土体膨胀过程中各状态物理力学性质的变化。

根据含水率与膨胀率的关系曲线,分别制作干密度为1.45 g/cm3与1.53 g/cm3土体指定初始含水率15%、17.5%、20%状态下,不同阶段含水率的试样,试验方案如表2所示。

表2 试验方案Tab.2 Experiment scheme

2.2 试验内容

依据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》分别对初始状态的膨胀土及吸水膨胀后的土体做密度试验、固结试验、直剪试验、膨胀力试验。

3 结果分析

3.1 密度分析

初始含水率相同的条件下,绘制不同干密度时土体吸湿后的密度变化曲线如图2,虚线为各曲线的拟合线,各初始含水率的拟合公式为y=a+bx,含水率与密度的关系曲线为线性关系。同一初始含水率条件下土体干密度越小,吸湿后其湿密度变化速率越快,前期土体干密度越大,相同含水率条件下的湿密度越大,当含水率大于40%时,干密度1.45 g/cm3的膨胀土其湿密度大于干密度1.53 g/cm3的膨胀土,随着含水率继续增大,干密度1.45 g/cm3的膨胀土湿密度大于干密度1.60 g/cm3的膨胀土。

2-a 初始含水率15% 2-b 初始含水率17.5% 2-c 初始含水率20%图2 不同初始条件密度与后续含水率关系Fig.2 Relationship between density and subsequent moisture content under different initial conditions

干密度大的土体吸湿膨胀率大,土体体积变化大,相对于干密度小的土体,湿密度会变小。因此,对于控制土体干密度的施工,要结合土体允许变形的条件注意控制土体干密度的范围,降水不强的地区可以提高土体干密度,降水较强的区域要适当降低土体干密度,以保持较高的密度要求。

3.2 压缩性影响分析

(1)压缩系数。

初始含水率相同的条件下,绘制不同干密度时土体吸湿后的压缩系数变化曲线如图3,虚线为各曲线的拟合线。初始含水率为15%及17.5%的拟合方程为y=a×exp{-exp[-k*(x-xc)]},初始含水率20%的拟合方程为y=v×xn/(kn+xn),可见随着初始含水率的增高,压缩系数的变化趋势发生改变,初始含水率越大,压缩系数增长越快。吸水后土体随含水率的增加压缩系数逐步增加,相同初始含水率条件下,土体干密度越小,压缩系数越大。当含水率达到25%～30%时,压缩系数变化逐渐减缓,当土体含水率达到30%以上时压缩系数变化较小。

3-a 初始含水率15% 3-b 初始含水率17.5% 3-c 初始含水率20%图3 不同初始条件压缩系数与后续含水率关系Fig.3 Relationship between compressibility and subsequent moisture content under different initial conditions

压缩系数增大不利于土体稳定性,尤其是干密度越小的土体吸水膨胀后压缩系数变化更大,控制地基的变形并了解变形与时间的关系,对设计、施工都非常有利。工程现场土体要控制在小压缩系数、较大干密度、较小含水率变化范围内。

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(2)压缩模量。

初始含水率相同的条件下,绘制不同干密度时土体吸湿后的压缩模量变化曲线如图4,虚线为各曲线的拟合线,各初始含水率的拟合公式为y=A2+(A1-A2)/{1+exp[(x-x0)/dx]},吸湿后土体随含水率的增加,其压缩模量迅速降低,前期土体干密度越大,相同含水率条件下的压缩模量越大,当含水率达到25%～30%时,压缩模量变化逐渐减缓,当土体含水率达到30%以上时压缩模量变化趋于稳定,变化幅值很小,可见后期土体的应力、应变比例稳定为弹性关系。

4-a 初始含水率15% 4-b 初始含水率17.5% 4-c 初始含水率20%图4 不同初始条件压缩模量与后续含水率关系Fig.4 Relationship between compression modulus and subsequent moisture content under different initial conditions

降雨量随季节出现明显变化,土中含水率也有明显差异,研究含水率变化对地基土体压缩模量的影响,对不同含水量情况的地基土施工有着积极的指导意义,土体初始干密度的影响对后续不同含水率土体的压缩模量影响不显著,施工时可主要参考后续含水率对压缩模量的影响变化。

3.3 抗剪性影响分析

(1)黏聚力分析。

初始含水率相同的条件下,绘制不同干密度时土体吸湿后的黏聚力变化曲线如图5,虚线为各曲线的拟合线,各初始含水率的拟合公式为y=A2+(A1-A2)/{1+exp[(x-x0)/dx]},吸湿后土体随含水率的增加黏聚力迅速降低,土体粘聚力的减小速率与干密度影响不显著,前期土体干密度越大,相同含水率条件下的黏聚力越大,当含水率达到25%～30%时,黏聚力变化逐渐减缓,当土体含水率达到30%以上时黏聚力变化趋于稳定,变化幅值减小,可见后期土体随含水率的增加,土粒内部空间逐渐被水填满,黏聚力变化不大。

5-a 初始含水率15% 5-b 初始含水率17.5% 5-c 初始含水率20%图5 不同初始条件黏聚力与后续含水率关系Fig.5 Relationship between cohesion and subsequent moisture content under different initial conditions

开展不同工况条件下含水率对土体粘聚力的影响分析,对比施工现场的环境变化,尤其是土体含水率较大时粘聚力下降明显,对于有抗拉、抗滑等施工要求的土体要控制含水率的范围,为工程施工提供依据。

初始含水率相同的条件下,绘制不同干密度时土体吸湿后的内摩擦角变化曲线如图6,虚线为各曲线的拟合线,各初始含水率的拟合公式为y=A2+(A1-A2)/{1+exp[(x-x0)/dx]},吸湿后土体随含水率的增加,其内摩擦角迅速降低,前期土体干密度越大,相同含水率条件下内摩擦角越大,当含水率达到25%～30%时,内摩擦角变化逐渐减缓,当土体含水率达到30%以上时内摩擦角变化幅值减小。

6-a 初始含水率15% 6-b 初始含水率17.5% 6-c 初始含水率20%图6 不同初始条件内摩擦角与后续含水率关系Fig.6 Relationship between internal friction angle and subsequent moisture content under different initial conditions

含水率增大,土体内摩擦角减小,内摩擦角减小容易使土体滑动而造成边坡不稳,对于工程安全不利,控制土体含水量或采用注浆加固等手段可提高内摩擦角,经检测可将内摩擦角控制在一定安全范围内。

3.4 膨胀力分析

初始含水率相同的条件下,绘制不同干密度时土体吸湿后的膨胀力变化曲线如图7,虚线为各曲线的拟合线,各初始含水率的拟合公式为y=A2+(A1-A2)/{1+exp[(x-x0)/dx]},吸湿后土体随含水率的增加,其膨胀力迅速增高,含水率在15%～30%范围内时,由于土体干密度越大则膨胀率越大,相同含水率条件下膨胀力越大,当含水率达到25%～30%时,膨胀力变化逐渐减缓,当土体含水率达到30%以上时膨胀力变化幅值减小。

7-a 初始含水率15% 7-b 初始含水率17.5% 7-c 初始含水率20%图7 不同初始条件膨胀力与后续含水率关系Fig.7 Relationship between expansion force and subsequent water content under different initial conditions

膨胀土地层渗水后土体膨胀变形,膨胀力增大,施工时应控制建筑物的局部上浮,结合监测数据分析,确保既有建筑处于安全稳定状态,排除拟建工程的安全隐患问题,保证施工方案合理可靠。

4 结论

本文开展了含水率对中膨胀土力学性质的影响,分析一定初始含水率、干密度状态下土体膨胀过程中各状态力学性质的变化规律,得出以下结论：

(1)不同初始条件下,膨胀土膨胀率与含水率近似呈线性关系,可以根据膨胀率与含水率的关系控制相应初始含水率条件下的土样体积,进行膨胀土吸湿后的各项力学试验,进而得到在该含水率条件下土体的力学指标;

(2)随初始含水率增加,土体膨胀率与含水率线性关系的斜率降低,随干密度增加,膨胀土膨胀率与含水率线性关系的斜率增加;

(3)随含水量增加,膨胀土密度增加,压缩模量、黏聚力及内摩擦角减小,压缩系数、膨胀力增加。在含水率达到30%～40%时,膨胀土的压缩系数、压缩模量、黏聚力、内摩擦角及膨胀力会出现拐点,在该含水率范围内,膨胀土接近饱和,含水率继续增大时,各试验参数变化缓慢;

(4)随初始含水率增加,膨胀土初始强度降低,随着后续含水率增加,初始含水率较高时,其强度、膨胀力变化相对较缓;随初始干密度增加,膨胀土初始强度增加,随着后续含水率增加,初始干密度较高时,其强度、膨胀力变化相对较快。