2005年11月水 利 学 报SHUILI XUEBAO 第36卷 第11期收稿日期:2005 01 27基金项目:水利部 948 计划技术创新与转化项目(CT200408)作者简介:李振(1969-),男,陕西华县人,工程师,主要从事岩土工程试验研究。
E mail:lizhen898@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,陕西杨凌 712100;2中国水利水电科学研究院综合事业部,北京 100044)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,同时测试了试样在浸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浸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;膨胀率中图分类号:TU411 2文献标识码:A1 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[1]。
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[2]。
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[3~7],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 试验土样取自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1。
表1 膨胀土的物理性质试验结果比重液限(%)塑限(%)塑性指数自由膨胀率颗粒组成(%)2~0 075mm 0 075~0 005mm <0 005mm 不均匀系数曲率系数2 7151 026 524 891 53 037 060 09 800 28 2 2 试验方法[8] 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,!1385!试样高度为2c m,底面积为50cm2。
试验方案为:(1)浸水饱和后压缩膨胀试验。
对起始含水率为15 1%,干密度分别为1 40、1 45、1 50、1 55、1 60g cm3的试样,在无荷载作用下,先一次性加水增湿至饱和,测定其变形量,然后分级对试样加压进行压缩,在每级压力下压缩稳定后,再施加下一级压力直至试样高度小于未加水增湿前的高度,测定其变形量;(2)分级浸水后压缩膨胀试验。
采用上述同一起始含水率、不同干密度的试样,在无荷载作用下,先分级加水增湿至饱和;每级加水增湿过程中,待此级膨胀变形稳定后再进行下一级加水,直至饱和;试样在加水达饱和状态且膨胀变形稳定后,再分级对试样加压进行压缩,在每级压力下压缩稳定后,再施加下一级压力直至试样高度小于未加水增湿前的试样高度,测定其变形量;(3)压缩膨胀试验。
对上述不同干密度、相同起始含水率的试样中的每一个试样,在压力分别为0、25、50、100、200kPa 下,压缩稳定后,一次性加水增湿至饱和,测定其变形量。
试验的稳定标准为2h内变形不超过0 01mm。
对于干密度为1 55g/cm3、起始含水率分别为12 1%、l4 3%、16 3%、18 4%、20 6%五种试样,按上述3种试验方法分别进行试验。
3 试验结果分析膨胀土在某一压力作用下变形稳定后,由于含水率的增加而产生的附加变形称之为增湿变形,当这种附加变形超过特定压力下的压缩变形时,膨胀土就表现出膨胀特性,可见,增湿变形包括膨胀土在压力作用下由于增湿而产生的全部变形。
膨胀土产生变形是力和水联合作用结果,力的作用是在某个含水率下加荷产生变形,而水的作用是在某个压力下随膨胀土含水率的增加而产生增湿变形。
在整个试验过程中,把试样遇水增湿所产生的变形量(或加压压缩产生的变形量)与试样原始高度之比的百分数统称为试样的膨胀率,按下式进行计算#100(1)z p=z p∀ -z0h0式中: z p为试样膨胀率(%);h0为试样增湿前高度,mm;z p为某级加水增湿变形稳定后的量表读数(或为某荷载下变形稳定后的量表读数),mm;z0为未加水增湿前(或为未加荷载前)的量表读数,mm; 为某荷载下的仪器压缩变形量(若未加荷载,其值为0),m m;式中 ∀号的取法为先加压后浸水取 +,先浸水稳定后再加压取 -。
3 1 不同浸水路径对膨胀变形的影响 起始含水率为15 1%的试样在不同起始干密度下分级浸水后的膨胀变形历时曲线见图1,一次性浸水后的膨胀变形历时曲线见图2。
图1 不同起始干密度试样分级浸水过程的膨胀率历时曲线图2 不同起始干密度试样一次浸水自由膨胀率历时曲线从图1可以看到,对于不同起始干密度的试样在分级加水的过程中,随着时间的推移,试样的膨胀率也逐渐增大。
图2也表明,随着时间的推移,试样的膨胀率也逐渐增大,当达到饱和状态时,膨胀率趋于稳定。
特别值得注意的是,在最初几次浸水过程中,起始干密度较小的试样,其膨胀率增加的较快,而起始干密度较大的试样其膨胀率增加的则较慢;当浸水趋近饱和状态时,起始干密度较小试样的膨胀率几乎趋于稳定,起始干密度较大试样的膨胀率迅速增加并趋于稳定。
这主要是由于密度越小试样孔隙率越大,在最初浸水过程中,水分容易进入到试样内部,使得试样能在较短的时间内发生较大的膨胀变形,而密度较大的试样,在最初浸水过程中,由于其密度较大,孔隙率较小,起初水分比较难以进入试样!!1386内部,使得试样不能充分吸收水分,从而其初始膨胀变形较小,随着浸水过程的进行及试样膨胀变形的增加,其密度也将逐渐减小,造成其孔隙率增大,水分就有机会充分进入到试样内部,使得试样膨胀变形急剧增大,当达到饱和状态时,其膨胀变形趋于稳定。
起始干密度为1 55g/cm3的试样在不同起始含水率下分级浸水后膨胀变形历时曲线见图3,一次性浸水后膨胀变形历时曲线见图4。
图3 不同起始含水率分级浸水过程膨胀率历时曲线图4 不同起始含水率一次浸水自由膨胀率历时曲线从图3、图4中看到,不同起始含水率的试样不论是在分级浸水还是一次性浸水饱和的过程中,随着时间的推移,试样的膨胀率逐渐增大,含水率越小,膨胀率越大。
但其膨胀率的增长过程与不同起始干密度试样在浸水过程的增长规律不一样,含水率越小的试样在浸水起始阶段膨胀率增长的速率越快,含水率越大的试样膨胀率增长的速率越慢。
这是由于各试样的干密度相同,孔隙率相同,所以,含水率较小的试样较含水率较大的试样水分容易进入到试样内部,使得膨胀变形较快。
3 2 不同加压方式对膨胀变形的影响 对于先浸水后压缩和先压缩后浸水膨胀试验来讲,是属于两种不同的加荷方式,即有两种不同的应力路径。
对于起始含水率为15 1%、干密度为1 55g c m3的两组试样分别在这两种不同的应力路径下进行膨胀试验,得到在不同压力下的膨胀率,如图5。
从图5中可以看到,在小压力范围内,浸水膨胀再压缩试验压缩稳定后的膨胀率比先压缩再浸水膨胀试验膨胀稳定后的膨胀率不仅要小,而且变化的较快,随着压力的增大,最终两种加压方式的膨胀率趋于一致。
这主要是由于先浸水使得试样产生膨胀变形,体积增大,密度减小,当施加压力后,水分容易排除,使得其膨胀率较小,变化的较快。
图5 不同应力路径压力与膨胀率关系曲线图6 不同起始含水率浸水后压缩试验的膨胀率历时曲线3 3 浸水增湿后压缩试验结果及分析 起始干密度为1 55g cm3的试样在不同起始含水率下浸水增湿变形稳定后进行压缩,其变形历时曲线见图6。
其中OA为加水变形阶段,AB为加压压缩阶段,对每个含水率的试样,分别按20、50、100、200kPa施加压力,BC为卸荷回弹阶段,按100、50、20、0kPa卸荷。
从图6中可以看到,当膨胀变形稳定后对各试样加荷进行压缩,在较小压力下,各试样的变形量均较大,并随着压力的增大,试样的压缩变形量变小。
这是由于试样膨胀稳定后的孔隙较大,即使在较小压力的作用下,也较容易压缩,从而使得压缩变形量较大;当压力增大后,由于试样孔隙逐渐减小,压缩变形也将逐渐减小;试样进入卸荷阶段后,随着压力的减小,膨胀变形又开始恢复,但其增长速率较慢,当荷载完全卸完后,试样的膨胀变形恢复到最大值,但远远小于自由浸水状态下的膨胀率(如图4)。
3 4 压缩变形稳定后浸水增湿试验结果 对于不同起始干密度和相同起始含水率的不同试样分别施加100kPa的压力,待其变形稳定后进行浸水膨胀试验,各试样的变形历时曲线见图7。
从图7中看到,在加压压缩阶段,虽然不同起始干密度试样的变形量相差不大,但还是有一定的压缩变形,密度小,压缩变形量大;当压缩变形稳定后对试样浸水,各试样的变形朝不同的方向发生变化,起始干密度较小试样的变形表现为压缩,起始干密度较大试样的变形表现为膨胀,而且密度越大,膨胀!!1387率越大。
这就是说,压力一定时,起始干密度越大,膨胀变形量越大。
从图7中还可以推测到,不同起始干密度的试样在膨胀率为负值时(产生压缩变形)所需的压力也不同,起始干密度越大,使该试样的膨胀率为负值所需的力越大。
对于起始干密度为1 50g cm 3、起始含水率为15%的5个试样分别施加不同的压力,待其变形稳定后进行浸水膨胀试验,各试样的变形历时曲线见图8。
图7 不同起始干密度试样压缩稳定浸水后的膨胀率历时曲线图8 相同起始干密度试样压缩稳定浸水后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0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。