考慮初始狀態影響的膨脹土一維膨脹特性研究

　　摘要：以南陽中膨脹土為研究對象，通過室內一維膨脹特性試驗和土水特性試驗探究不同初始狀態(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律。試驗結果表明，在不同初始含水率下，無荷膨脹率與初始吸力呈冪函數關系，且與初始干密度無關;膨脹力隨初始干密度的增加呈冪函數增大，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關系，給出初始干密度-最終吸水量-膨脹力的三變量模型;構建了全吸力范圍內初始含水率-初始干密度-初始吸力-膨脹力的統一模型;本文所提模型不僅參數少，方程左右量綱統一，且與試驗數據具有良好的一致性，便于工程應用。研究結果為非飽和南陽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。

　　關鍵詞：膨脹土;膨脹特性;土水特性;初始狀態;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，從而降低其穩定性;在膨脹土 支檔結構中，擋土墻墻后膨脹土因吸濕膨脹受限對墻背產生較大的水平膨脹力，對擋土墻的穩定性有不可忽視的作用[1]。膨脹土膨脹特性的相關研究主要集中在膨脹變形(如膨脹率)與膨脹力兩個方面。不少學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律并提出相應的預測模型。一些學者還將吸力的變化引入到膨脹土變形及強度特性的研究中[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因素。非飽和膨脹土的吸力與膨脹特性密切相關，一方面，基質吸力由毛細力和吸附力(受庫侖力、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其膨脹變形具有一定的影響，而膨脹變形反過來又影響膨脹土的持水性。

　　盡管吸力對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分析非飽和土膨脹土膨脹特性的系統性研究并不多見。 基于南陽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果[9]，本文將側重于這兩種影響因素下膨脹力的試驗研究，并結合土水特性試驗分析這兩種因素影響下膨脹率隨初始吸力的演化規律，探究膨脹力隨不同影響因素的演化規律，建立初始含水率-初始干密度-初始吸力-膨脹力四者關系的統一模型、常初始含水率下初始干密度-初始吸力-膨脹力的關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系模型，從而為構建非飽和膨脹土的本構模型及相關工程實踐提供參考。

　　1試驗方案

　　試驗所用膨脹土樣取自南水北調工程中線工程南陽試驗段，屬于中膨脹土，其基本物理力學指標如下：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，最優含水率16.7%。土樣經過碾碎、風干并過2mm篩，根據不同的設定含水率配置濕土樣并密封靜置至少24h，通過擊樣法完成環刀樣(直徑61.8mm，高度20mm)的制作。為了研究南陽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%;對于無荷膨脹力試驗，實測w0的平均值分別為：11.11%、13.57%、16.16%、17.23%和18.99%。對于SWCC試驗，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72h小于0.01g作為吸力平衡的標準。

　　2試驗結果及討論

　　2.1初始吸力與膨脹率的關系

　　其中s是基質吸力(kPa)，w是重力含水率。可見，在低吸力范圍內，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(超過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系

　　在初始含水率一定時，膨脹力隨初始干密度的增加而單調增大。這是因為當制樣體積一定時，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，最終試樣表現的宏觀膨脹力增大。當初始干密度一定時，膨脹力隨初始含水率的變化規律并非是單調的：1)初始干密度較小時，膨脹力基本不受初始含水率的影響;2)初始干密度較大時，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[14]的結論是一致的。

　　當試樣初始干密度較小時，晶層間距較大，在不同初始含水率下微觀膨脹力均較小，因此試樣表現的宏觀膨脹力較小，且幾乎與初始含水率無關。當試樣初始干密度較大時，晶層間距較小，膨脹土表現的宏觀膨脹力較大，但明顯受初始含水率的影響。隨著初始含水率的增加，弱結合水膜的厚度變大，當土中含有較多的弱結合水時，土體往往表現為高塑性和易脹縮性等特點，因此宏觀膨脹力在增大;當初始含水率超過一定值時，弱結合水膜的厚度不再變大，此時宏觀膨脹力最大;隨著初始含水率的繼續增加，土顆粒集聚體間在外力作用下發生相對滑動而使試樣的孔隙結構發生變化[15]，導致宏觀膨脹力逐漸減少。

　　工程論文投稿刊物：巖土工程學報是中國水利學會、中國土木工程學會、中國力學學會、中國建筑學會、中國水力發電工程學會、中國振動工程學會聯合主辦的1979年創刊的期刊，已經成為水利、土木工程、力學等領域的核心期刊。

　　3結論

　　本文對非飽和南陽中膨脹土的重塑樣進行不同初始條件下的室內膨脹特性試驗和土水特性試驗，研究初始含水率、初始干密度和初始吸力與膨脹特性的關系，主要結論如下：

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

　　(2)當初始含水率一定時，膨脹力隨初始干密度的增加而單調地增大;當初始干密度一定時，膨脹力隨初始含水率的變化規律并非是單調的，當初始干密度較小時，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)的變化是單調的。當初始含水率一定時，膨脹力隨試樣最終吸水量的減少而增加;當初始干密度一定時，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(或壓實度)、最終吸水量均呈冪函數關系，由此建立的初始干密度最終吸水量-膨脹力的函數關系與試驗數據具有良好的一致性。

　　(4)為定量描述非飽和膨脹土樣在不同初始狀態(干密度、含水率和吸力等)下膨脹力的變化規律，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-壓實度-初始吸力-膨脹力的多元函數關系，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)當初始含水率和初始干密度一定時，基于該多元函數，分別構建了初始干密度(或壓實度)-初始吸力-膨脹力、初始含水率-初始吸力-膨脹力的函數關系，前者是考慮殘余膨脹力的連續函數，后者是考慮飽和及非飽和狀態的分段函數，它們與相應的試驗數據均具有良好的一致性，這為研究非飽和膨脹土的強度和變形特性提供了理論依據。

　　參考文獻

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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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