考慮初始狀態(tài)影響的膨脹土一維膨脹特性研究

　　摘要：以南陽(yáng)中膨脹土為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)一維膨脹特性試驗(yàn)和土水特性試驗(yàn)探究不同初始狀態(tài)(包括吸力、含水率和干密度等)影響下非飽和重塑土膨脹率或膨脹力的演化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同初始含水率下，無(wú)荷膨脹率與初始吸力呈冪函數(shù)關(guān)系，且與初始干密度無(wú)關(guān);膨脹力隨初始干密度的增加呈冪函數(shù)增大，而膨脹力隨初始含水率的增加卻是先增大后減小;膨脹力與初始干密度和最終吸水量均呈冪函數(shù)關(guān)系，給出初始干密度-最終吸水量-膨脹力的三變量模型;構(gòu)建了全吸力范圍內(nèi)初始含水率-初始干密度-初始吸力-膨脹力的統(tǒng)一模型;本文所提模型不僅參數(shù)少，方程左右量綱統(tǒng)一，且與試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好的一致性，便于工程應(yīng)用。研究結(jié)果為非飽和南陽(yáng)膨脹土的膨脹特性和土水特性分析提供了可靠的理論方法。

　　關(guān)鍵詞：膨脹土;膨脹特性;土水特性;初始狀態(tài);模型

　　0引言

　　在邊坡工程中，地下水位上升或降雨可引起邊坡隆起變形和吸力降低，從而降低其穩(wěn)定性;在膨脹土 支檔結(jié)構(gòu)中，擋土墻墻后膨脹土因吸濕膨脹受限對(duì)墻背產(chǎn)生較大的水平膨脹力，對(duì)擋土墻的穩(wěn)定性有不可忽視的作用[1]。膨脹土膨脹特性的相關(guān)研究主要集中在膨脹變形(如膨脹率)與膨脹力兩個(gè)方面。不少學(xué)者研究了不同初始條件下(如初始含水率和初始干密度[2]、礦物成分[3]、鹽溶液[4]等。)膨脹率或膨脹力的變化規(guī)律并提出相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型。一些學(xué)者還將吸力的變化引入到膨脹土變形及強(qiáng)度特性的研究中[5,6]。

　　初始含水率和和初始干密度是影響膨脹特性的主要外部因素之一[2]，下文提到的主要外部因素僅涉及這兩個(gè)因素。非飽和膨脹土的吸力與膨脹特性密切相關(guān)，一方面，基質(zhì)吸力由毛細(xì)力和吸附力(受庫(kù)侖力、氫鍵力和范德華力等影響)組成，而膨脹力由晶層膨脹力、雙電層膨脹力和水合力(分別受庫(kù)侖力和范德華力、滲透壓力和氫鍵力等影響)組成[7]。另一方面，在非飽和膨脹巖吸濕過(guò)程中，隨著初始含水率的減小，飽和度的增量變化率較膨脹率的變化更快[8]，這意味著非飽和膨脹土的持水性對(duì)其膨脹變形具有一定的影響，而膨脹變形反過(guò)來(lái)又影響膨脹土的持水性。

　　盡管吸力對(duì)膨脹特性具有重要的影響，但將其與含水率、干密度一起作為初始狀態(tài)分析非飽和土膨脹土膨脹特性的系統(tǒng)性研究并不多見(jiàn)。 基于南陽(yáng)中膨脹土在初始含水率和初始干密度影響下膨脹率的研究結(jié)果[9]，本文將側(cè)重于這兩種影響因素下膨脹力的試驗(yàn)研究，并結(jié)合土水特性試驗(yàn)分析這兩種因素影響下膨脹率隨初始吸力的演化規(guī)律，探究膨脹力隨不同影響因素的演化規(guī)律，建立初始含水率-初始干密度-初始吸力-膨脹力四者關(guān)系的統(tǒng)一模型、常初始含水率下初始干密度-初始吸力-膨脹力的關(guān)系模型以及常初始干密度下初始含水率-初始吸力膨脹力的關(guān)系模型，從而為構(gòu)建非飽和膨脹土的本構(gòu)模型及相關(guān)工程實(shí)踐提供參考。

　　1試驗(yàn)方案

　　試驗(yàn)所用膨脹土樣取自南水北調(diào)工程中線工程南陽(yáng)試驗(yàn)段，屬于中膨脹土，其基本物理力學(xué)指標(biāo)如下：比重2.71，液限66.38%，塑限23.15%，自由膨脹率70%，最大干密度1.82g/cm3，最優(yōu)含水率16.7%。土樣經(jīng)過(guò)碾碎、風(fēng)干并過(guò)2mm篩，根據(jù)不同的設(shè)定含水率配置濕土樣并密封靜置至少24h，通過(guò)擊樣法完成環(huán)刀樣(直徑61.8mm，高度20mm)的制作。為了研究南陽(yáng)中膨脹土在不同初始含水率或干密度下的膨脹特性和土水特性。

　　其中，d0為試樣初始干密度，d0=1.401.60g/cm3表示d0分別取1.40、1.45、1.50、1.55和1.60g/cm3;w0為試樣初始含水率，w0=1222%表示w0分別取12%、14%、16%、18%、20%和22%;對(duì)于無(wú)荷膨脹力試驗(yàn)，實(shí)測(cè)w0的平均值分別為：11.11%、13.57%、16.16%、17.23%和18.99%。對(duì)于SWCC試驗(yàn)，采用真空抽氣飽和試樣，吸力施加的順序依次為：50、100、200、390、678、980、1280kPa，以排水量連續(xù)72h小于0.01g作為吸力平衡的標(biāo)準(zhǔn)。

　　2試驗(yàn)結(jié)果及討論

　　2.1初始吸力與膨脹率的關(guān)系

　　其中s是基質(zhì)吸力(kPa)，w是重力含水率�？梢�(jiàn)，在低吸力范圍內(nèi)，SWCC隨著初始干密度的增加逐漸下移，且脫濕速率不斷減小;在較高吸力范圍內(nèi)(超過(guò)500kPa)，SWCC幾乎不受初始干密度的影響。

　　2.2膨脹力與主要外部因素的關(guān)系

　　在初始含水率一定時(shí)，膨脹力隨初始干密度的增加而單調(diào)增大。這是因?yàn)楫?dāng)制樣體積一定時(shí)，單位體積試樣中蒙脫石含量隨初始干密度的增加而增大。

　　此外，隨著初始干密度的增加，晶層間距減小，微觀膨脹力(由晶格膨脹力、雙電層膨脹力和水合力組成)不斷地增大，最終試樣表現(xiàn)的宏觀膨脹力增大。當(dāng)初始干密度一定時(shí)，膨脹力隨初始含水率的變化規(guī)律并非是單調(diào)的：1)初始干密度較小時(shí)，膨脹力基本不受初始含水率的影響;2)初始干密度較大時(shí)，膨脹力隨初始含水率的增加先增大到峰值，后逐漸減小。這與文獻(xiàn)[14]的結(jié)論是一致的。

　　當(dāng)試樣初始干密度較小時(shí)，晶層間距較大，在不同初始含水率下微觀膨脹力均較小，因此試樣表現(xiàn)的宏觀膨脹力較小，且?guī)缀跖c初始含水率無(wú)關(guān)。當(dāng)試樣初始干密度較大時(shí)，晶層間距較小，膨脹土表現(xiàn)的宏觀膨脹力較大，但明顯受初始含水率的影響。隨著初始含水率的增加，弱結(jié)合水膜的厚度變大，當(dāng)土中含有較多的弱結(jié)合水時(shí)，土體往往表現(xiàn)為高塑性和易脹縮性等特點(diǎn)，因此宏觀膨脹力在增大;當(dāng)初始含水率超過(guò)一定值時(shí)，弱結(jié)合水膜的厚度不再變大，此時(shí)宏觀膨脹力最大;隨著初始含水率的繼續(xù)增加，土顆粒集聚體間在外力作用下發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)而使試樣的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[15]，導(dǎo)致宏觀膨脹力逐漸減少。

　　工程論文投稿刊物：巖土工程學(xué)報(bào)是中國(guó)水利學(xué)會(huì)、中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)、中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)、中國(guó)建筑學(xué)會(huì)、中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)、中國(guó)振動(dòng)工程學(xué)會(huì)聯(lián)合主辦的1979年創(chuàng)刊的期刊，已經(jīng)成為水利、土木工程、力學(xué)等領(lǐng)域的核心期刊。

　　3結(jié)論

　　本文對(duì)非飽和南陽(yáng)中膨脹土的重塑樣進(jìn)行不同初始條件下的室內(nèi)膨脹特性試驗(yàn)和土水特性試驗(yàn)，研究初始含水率、初始干密度和初始吸力與膨脹特性的關(guān)系，主要結(jié)論如下：

　　(1)在一定初始含水率范圍內(nèi)，非飽和膨脹土的初始吸力與無(wú)荷最大膨脹率呈冪函數(shù)關(guān)系，且與初始干密度無(wú)關(guān)。

　　(2)當(dāng)初始含水率一定時(shí)，膨脹力隨初始干密度的增加而單調(diào)地增大;當(dāng)初始干密度一定時(shí)，膨脹力隨初始含水率的變化規(guī)律并非是單調(diào)的，當(dāng)初始干密度較小時(shí)，膨脹力基本不受初始含水率的影響，隨著初始干密度的增大，膨脹力隨初始含水率的增加先增大后減小。

　　(3)膨脹力隨試樣最終吸水量(或含水率增量)的變化是單調(diào)的。當(dāng)初始含水率一定時(shí)，膨脹力隨試樣最終吸水量的減少而增加;當(dāng)初始干密度一定時(shí)，試樣最終吸水量隨初始含水率的增加而減小。在不同初始含水率下，膨脹力與初始干密度(或壓實(shí)度)、最終吸水量均呈冪函數(shù)關(guān)系，由此建立的初始干密度最終吸水量-膨脹力的函數(shù)關(guān)系與試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好的一致性。

　　(4)為定量描述非飽和膨脹土樣在不同初始狀態(tài)(干密度、含水率和吸力等)下膨脹力的變化規(guī)律，建立了初始干密度-初始含水率-初始吸力-膨脹力或初始飽和度-壓實(shí)度-初始吸力-膨脹力的多元函數(shù)關(guān)系，所提模型不僅具有良好的可靠度，而且適用于全吸力范圍。

　　(5)當(dāng)初始含水率和初始干密度一定時(shí)，基于該多元函數(shù)，分別構(gòu)建了初始干密度(或壓實(shí)度)-初始吸力-膨脹力、初始含水率-初始吸力-膨脹力的函數(shù)關(guān)系，前者是考慮殘余膨脹力的連續(xù)函數(shù)，后者是考慮飽和及非飽和狀態(tài)的分段函數(shù)，它們與相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均具有良好的一致性，這為研究非飽和膨脹土的強(qiáng)度和變形特性提供了理論依據(jù)。

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　　作者：葉云雪1,2，鄒維列2,韓仲2*，謝鵬3，張俊峰4，徐永福5

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