膨胀土的浸水变形特性

２００５年１１月水利学报

ＳＨＵＩＵＸＵＥＢＡＯ第３６卷第１１期

文章编号：０５５９．９３５０（２００５）１１．１３８５—０７

膨胀土的浸水变形特性

李振１，邢义川２，张爱军１

（１西北农林科技大学水利与建筑工程学院。陕西杨陡７１２ｌ呻；２中国水利水电科学研究院综合事业部。北京１００蝉４）

摘要：使用压缩仪，对不同起始密度及不同起始含水率的膨胀土进行了分级浸水和一次性浸水膨胀变形试验，同时测试了试样在最水前后不同压力下膨胀变形量的变化过程。试验结果表明，不同浸水路径在浸水的初期阶段对膨胀土的膨胀变形速率有一定的影响，但膨胀率最终值基本一致；浸水膨胀再压缩试验中压缩稳定后的膨胀率比先压缩再｛曼水膨胀试验膨胀稳定后的膨胀率要小，但变化较快，并随着压力的增大，加压后膨胀率逐渐减小，最终两种试验的膨胀率趋于一致；压力对不同初始含水率试样膨胀率的影响较小，对不同初始干密度试样的影响较大；在浸水单向膨胀试验过程中试样的干密度与膨胀率呈双曲线变化规律。

关键词：膨胀土；浸水；压缩；变形；膨胀率

中圈分类号：ＴＵ４儿．２文献标识码：Ａ

１研究背景

在膨胀土地区的工程建设中，常用膨胀土作为建筑物的地基，由于膨胀土含有强亲水性黏土矿物成分如蒙脱石和伊利石，使得膨胀土吸水膨胀，失水收缩，从而引起建筑物的开裂、倾斜破坏，或使开挖体的边坡产生滑移失稳等现象，对工程建筑产生极大的危害。据统计，全世界每年由于膨胀土造成的损失可达近百亿元“］。加强对膨胀土工程特性的研究，总结探讨其内在的变形规律性，对工程建设具有十分重要的经济意义和工程实践价值。研究表明，影响膨胀土变形的因素较多，膨胀土的变形不仅与应力路径有关，而且与起始含水率和干密度有关”ｏ。许多学者对膨胀土的结构特性、遇水作用后产生膨胀变形的机理、膨胀土的本构关系及在不同初始状态下的膨胀变形进行了深入的研究”“，从中得到了许多能很好解释膨胀土工程特性的结论，但对于在不同浸水路径下膨胀土遇水增湿而产生膨胀变形的研究却不多。针对这一点，本文在不同的浸水路径和加荷方式下，采用压缩仪对膨胀土浸水变形特性进行试验探讨。

２试验材料与方法

２．１试验试样试验土样取白安康工业开发区某工程地基膨胀土，其物理性质试验结果见表ｌ。

表１膨胀土的物理性质试验结果

２．２试验方法“１按试验方案所需的含水率配制土料，制备试样时采用千斤顶一次压实至控制高度收稿日期：２００５＿０１－２７

基金项目：水利部“舛８”计划技术创新与转化项目（ｃ渊８）

作者简介：李振（１９６９一），男，陕西华县人，工程师，主要从事岩土工程试验研究。Ｅ．ｍｄ：Ｉｉｄｍｎ８９８＠１２６．一

１３８５

萋一譬《ｉ窖勰

圈７不同起始干错匿试样压缩稳定提水后的图８相同起始干厨腰试样压耀器足授水启

膨胀率历时曲线膨胀率变化历时曲线从图８中看到，压力越小，膨胀变形越大，在压力为Ｏ时，其膨胀变形达到最大值；在未浸水前的起始压缩阶段，各试样的压缩变形量虽然相差不大，但还是随着压力的增大而增大；当压缩稳定后对试样浸水，不同压力下的试样遇水产生变形的速率就表现出不同，压力越大，变形速率越小，反映在曲线上就是压力越大，曲线上升段的斜率越小，甚至出现负值（即压缩）；图８中也明显地表明，压力越小，膨胀变形量越大，即起始干密度一定时，压力越大，膨胀变形量越小。

３．５起始干密度对膨胀变形的影响不论是逐级浸水，还是一次性浸水到饱和，不同起始干密度试样的自由膨胀率随着起始干密度的增大而增大，并且膨胀率ａ。与起始干密度Ｐ响之间有如乱，＝印。一Ｂ的线性关系（见图９），其中Ａ、Ｂ为试验系数。通过对逐级浸水和一次性浸水到饱和两种浸水途径的起始干密度与其膨胀率的线性拟合得到，一次性浸水到饱和时Ａ＝２９．２６，Ｂ＝２８．０４，相关系数舻＝ｏ．９６；逐级浸水饱和时Ａ＝２２．４０，曰＝１９．８０，相关系数酽＝０．９３。

在试验的过程中对起始干密度分别为１．４０、１．５０、１．６０∥ｃｏ的３种试样在不同时段的干密度进行测定，并点绘成试验过程中试样干密度与膨胀率关系，见图１０。

翻：∞葬茎豁落墓≯

△１５试验点。ｌ６试验点

５３０４５６０

弗胀率（％）图９不同起始干密度与自由膨胀率的关系曲线图ｌｏ试验过程中干密度与膨胀率关系曲线

从图１０中看到，在试验过程中随着膨胀率的增加，试样干密度减小。这是由于在试验过程中，水分不断进入到试样内部与膨胀性矿物结合而产生膨胀变形，使得试样体积增大，干密度减小。

事实上，设试样干土质量为ｍ，试样为圆柱型，试验前高度为＾。，半径为ｒ０，试样试验前的干密度为

肌，浸水后试样的高度增加到＾。＋△＾，半径增加ｈ＋△ｒ，则膨胀后试样的干密度Ｐ，。为：

～２币ｉ面寿而（２）给上式右端的分子和分母同除以试样试验前的体积＂：ｋ，则有

～＝面百‰。）式中：ｄ，＝等为径向膨胀率；以＝等为轴向膨胀率。

由于本文试验使用的仪器为固结仪，试样侧向受到限制，此时８，＝０，代人上式变为

一１３８８—

阻＝抵

（４）把按此式计算得到的试样膨胀过程中不同膨胀率所对应的干密度绘制到图ｌｏ中，可见，所有的试验点几乎都落在双曲线上，即试验点与其相当吻合。

对于不同起始干密度的试样在先加压压缩稳定后浸水膨胀的试验结果，整理出在相同压力下不同起始干密度与膨胀率的关系曲线见图１１。从图“中看到，压力越小，膨胀率越大，而且随着起始干密度

的增大，膨胀率也增大，同样具有很好的线性关系。３．６舍水率对膨胀变形的影响为了分析分级浸水过程中含水率变化与膨胀率变化的关系，绘制了相同起始含水率在不同起始干密度下各试样分级浸水过程中含水率与膨胀率的关系曲线（见图１２）及相同起始干密度在不同起始含水率各试样分级浸水过程中含水率与膨胀率的关系曲线（见图１３）。

篡

＿卧

崔

潼干密度代ｇ止ｍ３）

图ｌｌ相同压力下起始千密度与睁胀率关系曲线装甘

当

蛰

台永率（％）图１３相同意始干密度不同起始含水率分级浸水过翟中

含水率与膨胀率关系曲线吉水率（％）图１２不同起始干密度分级增湿过程中含水率

与膨胀量美系曲线

Ｘ

＊岩蛰含水率（％）图１４相同压力下起始告水率与膨胀率关系曲线

从图１２中看到，不同起始干密度的试样在分级浸水过程中膨胀率随着试样含水率的增加而增大，起始干密度越大，膨胀率增加的越快，当试样的含水率达到饱和状态后，各试样的膨胀率趋于稳定。

从图１３中看到，不同起始含水率的试样在分级浸水过程中膨胀率随着试样含水率的增加也在增大，虽然各试样的起始含水率不同，但各试样膨胀变形的速率基本一致，表现在曲线上就是在各试样变形达到稳定前，各曲线基本平行；当试样的含水率达到饱和状态后，各试样的膨胀率趋于稳定。从图１３中还可以看到，起始含水率越小，膨胀稳定后的膨胀率越大。

对于相同起始干密度、不同起始含水率先浸水饱和后加压压缩试验，绘制了在相同压力下起始含水率与膨胀率的关系曲线见图１４。

从图１４中可见，当压力很小时，起始含水率越小，膨胀率越大；当压力超过５０ｋＰａ后，在相同压力下，随着起始含水率的增大，膨胀率几乎不变，反映在曲线上几乎就是一水平线，这表明在较大压力下，起始含水率的大小几乎对膨胀率不产生影响。

试样试验前后含水率的增加量（含水率之差）与膨胀率的关系曲线见图１５。从图１５中可以看到，随着含水率差值的增大，膨胀率增大，这就是说，试样吸收的水分越多，其膨胀变形越大。

３．７压力对膨胀变形的影响各试样在加水膨胀变形稳定后，分级加荷进行压缩试验，图１６和图１７表示各试样在不同起始条件下浸水膨胀后的膨胀率与压力的关系曲线。从图中可见，不同初始条件下试样的膨胀率随压力的变化规律基本相同，随着压力的增大，加压后膨胀率减小。从图１６中可以看到，试样密度越小，其膨胀率随压力的增大变化的越快，而密度越大，其膨胀率随压力的增大变化的越慢。从图１７中可以看到，虽然各初始含水率试样的膨胀率随压力增大而减小，但压力对不同初始含水率试

一１３８９一

美一斟《氇

尹一，唬聚扎¨¨¨％／ｑ、勃一叩１牛Ｉ叶ｌ止ｍ