（道路与铁道工程专业论文）宁明膨胀土膨胀变形规律和本构关系研究.pdf

摘要 膨胀土问题是工程地质和非饱和土力学领域中最为复杂的研究难题之一。目 前关于膨胀土的膨胀变形和膨胀本构关系的研究已相对较多，但绝大多数都是建 立在充分膨胀的基础上，且得出的规律基本是在初始含水量不变条件下，膨胀变 形量与上覆压力的单一关系和在上覆压力不变条件下，膨胀变形量与初始含水量 的单一关系。膨胀士的膨胀机理复杂，影响膨胀变形量的因素繁多，找出其中的 主要因素，建立合理准确、膨胀本构关系是膨胀变形研究的关键。本文在前人研 究的基础上，通过大量的室内试验研究，分析探讨了广西宁明膨胀土有荷膨胀量 与上覆荷载的关系、有荷膨胀量与初始含水量的关系、无荷膨胀量和初始含水量 的关系以及膨胀力与初始含水量的关系，提出了广西宁明膨胀土确定干密度下的 有荷膨胀量与初始含水量和上覆压力的关系式，可以用来计算在初始含水量和上 覆压力同时变化时下的有荷膨胀量；同时分析了有荷膨胀量试验中终了含水量与 上覆压力和初始含水量的关系，得到了确定干密度下的终了含水量与初始含水量 和上覆压力的关系式；本文还分析了过程膨胀变形量和过程含水量成线性关系， 根据此条件和终了含水量的关系式以及有荷膨胀量的关系式可以得到某一过程 含水量下的有荷膨胀量。 在此试验的基础上，推导出一维关系下宁明膨胀土的切线模量和初始割线模 量和三维关系下此膨胀土的变形模量和体积模量。 关键词：膨胀土：膨胀变形；膨胀本构关系；初始含水量；上覆压力：模量 a b s t r a c t t h ed i l a t i o n a ls r t a i no fe x p a n s i v es o i l si so n eo ft h em o s td i f f i c u l tp r o b l e mi nt h e f i e l do fe n g i n e e r i n gg e o l o g ya n du n s a t u r a t e ds o i l sm e c h a n i c , s a tp r e s e n t ，m a n yt e s t s o nd i l a t a t i o n g a ls t r a i na n dr e s e a r c ho ns w e l l i n gc o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i p sh a v eb e e n c a r r i e do u t h o w e v e rt h eo v e r w h e l m i n gm a j o r i t yi sb a s e do np l e n t e o u sw a t e rs u p p l y ， a n dl a wd r a w ni sa l la b o u tw e t h e rt h ei n i t i a lw a t e rc o n t e n ti sc o n s t a n t ，t h es i n g l e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es w e l l i n gs t r a i n sa n dv e r t i c a lp r e s s u r e ，o rw h e nt h ev e r t i c a l p r e s s u r ei sc o n s t a n t ，t h es i n g l er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es w e l l i n gs t r a i n sa n di n i t i a l w a t e rc o n t e n t t h es w e l l i n gm e c h a n i s mo fe x p a n s i v es o i l si sc o m p l i c a t e d ，t of i n do u t t h em a j o rf a c t o ra n dt oe s t a b l i s hr e a s o n a b l ea n da c c u r a t es w e l l i n gc o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i p i st h ek e yt o e x p a n s i v e s o i l s b a s e do nt h el a b o r a t o r y s w e l l i n g e x p e r i m e n t s ，r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es w e l l i n gs t r a i nu n d e rl o a da n dt h ev e r t i c a l p r e s s u r e 、r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es w e l l i n gs t r a i nu n d e rl o a d a n di n i t i a lw a t e r c o n t e n t 、r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es w e l l i n gs t r a i nu n d e rf r e el o a da n di n i t i a lw a t e r c o n t e n ta n dr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es w e l l i n gp r e s s u r ea n di n i t i a lw a t e rc o n t e n ta r e s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e di nt h i st h e s i s ，a n dp u tf o r w a r dt oas w e l l i n gp r e d i c t i o nf o r m u l a w h i c hc a nb eu s e dt oc a l c u l a t et h es w e l l i n gs t r a i nu n d e rl o a dw h e nt h ei n i t i a lw a t e r c o n t e n ta n dt h ev e r t i c a lp r e s s u r ev a r ya tt h es a n l et i m e ；t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e f i n a lw a t e rc o n t e n ta n di n i t i a lw a t e rc o n t e n t ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef i n a l w a t e r c o n t e n ta n dv e r t i c a lp r e s s u r ei sa l s op r e s e n t e d ，a n db r i n gf o r w a r daf o r m u l aw h i c hc a n b eu s e dt oc a l c u l a t et h ef i n a lw a t e rc o n t e n t ；a d d i t i o n a l ，t h a tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h es w e l l i n gp r o c e s ss t r a i nu n d e rl o a da n dp r o c e s sw a t e rc o n t e n ti sl i n e a ri sa l s o v e r i f i e d b a s e do nt h el a b o r a t o r ys w e l l i n ge x p e r i m e n t sr e s u l t s ，t h ea d d i t i o n a lc o m p r e s s i o n m o d u l u s 、t h ei n i t i a lt a n g e n tm o d u l u si n1 d 、d e f o r m a t i o nm o d u l u sa n dv o l u m e d e f o r m a t i o nm o d u l u si n3 do fe x p a n s i v es o i l si nn i n g - m i n ga r ef o r m u l a t e d k e y w o r d s ：e x p a n s i v e s o i l s ： s w e l l i n gd e f o r m a t i o n ；s w e l l i n g c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i p s ；i n i t i a lw a t e rc o n t e n t ；t h ev e r t i c a lp r e s s u r e ；m o d u l u s i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名： 一静雅 日期：2 0 0 5 年4 月知日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作 导 日期：2 0 0 5 年岁月8 日 日期： 2 0 0 5 年，月多日 第一章绪言 1 1 问题的提出 膨胀土是一种吸水膨胀软化、失水收缩开裂的特殊粘性土，其主要不良工程 特性表现为多裂隙性、强超固结性、强亲水性、反复胀缩性和破坏的浅层性m 。 膨胀土给工程建筑物带来的危害，既表现在地表建筑物上，也反应在地下工程中。 它不仅对铁路、公路、渠道的边坡、路基和路面；也对房屋基础、地坪；同时对 地下洞室及隧道围岩、衬砌；甚至对这些工程所采取的稳定性措施，如护坡、挡 土墙和桩等也产生破坏。因而从某种意义上讲，膨胀土对工程建筑的危害无所不 包成了浅表层轻型工程建设的全球性技术难题。多年来，膨胀土及其工程问题一 直是岩土工程和工程地质研究领域中世界性的重大课题之一“，虽经半个多世纪 的广泛深入研究，但至今在各国的工程建设中膨胀土引起的工程问题仍时有发生 并造成重大经济损失。在美国，据k r o n 和s l o s s o n 在1 9 8 0 年估计，由于膨胀土 对各类建筑物的危害，每年要损失7 0 亿美元。，。s n e t h e n ( 1 9 8 6 年) 称，从经济 上讲，膨胀土是美国付出最大代价的自然灾害之一，每年都有大量工程建筑物遭 受膨胀土的严重危害。在膨胀土地区修建的铁路，路基下沉、基床翻浆冒泥、边 坡滑坡等病害都十分普遍。不少地段防护工程屡遭破坏。仅据襄( 樊) 渝( 重庆) 铁路施工决算统计，由于膨胀土在施工期问造成的破坏，竟使路基每公里的造价 增加了9 1 4 5 万元，实际投资为设计造价的三倍。因此，我国铁路部门在总结膨 胀土地区修筑铁路的经验时就有“逢颦必滑、无堤不坍”之说m 。 过去，我国公路等级低，在膨胀土地区修筑公路时，由于填挖高度不大，路 基病害虽时有发生，但危害不严重且影响不大，公路部门并未给予足够的重视， 2 0 世纪8 0 年代才出现一些零星的研究报告，缺乏全面的研究。随着改革开放的 深入，国民经济高速发展对公路运输能力的需求越来越大，汽车轴重的增加和行 车密度与速度的提高，我国开始了大规模的高等级公路建设，其中不少路段穿越 了典型膨胀土地区，膨胀土对公路建设的危害逐渐变得越来越严重。膨胀土路基 稳定与变形问题成为膨胀土地区公路修建的主要技术难题之一。而公路部门对膨 胀土地区筑路技术研究还不多，现有的公路技术规范1 4 】1 5 】大多沿用铁路及建设部 门的做法，没有考虑公路对路基要求及行车荷载的特性，且很不系统，加之全国 各地膨胀土的成因、气候条件对公路工程的危害性和破坏的程度不同，膨胀土及 其工程问题的研究成为公路部门必须克服的难关。世纪之交，党中央国务院又提 出西部大开发的伟大战略，为加快西部的开发与建设，改变交通落后的状况，促 进经济快速发展，西部膨胀土地区的多条高速公路开始修建或在积极筹划中。为 此，交通部于2 0 0 2 年立项开展“膨胀土地区公路修筑成套技术研究”，目的是要 解决好膨胀土地区公路修筑中所遇到的关键技术问题，其中就包括膨胀土膨胀变 形特性研究，同时为建立公路部门自己的技术规范做准备。长沙理工大学被确定 为该项目的主持单位。 建设中的广西南友公路全长约2 2 0 公里，路线穿越宁明盆地时，遇到第三系 始新统那读组( n y ) 粘土岩及其风化残积形成的厚层粘土，普遍具有膨胀性。 根据设计资料和现场踏勘初步估算，路堑开挖涉及到的膨胀( 岩) 士厚度在o 1 2 米之间，膨胀土开挖量达2 0 0 多万方，由于成片连续分布，且好土取土场距 线路较远，如果路堤施工全部采用换填法就会大大增加工程造价并易造成较严重 的生态问题。因此，必须对膨胀土填料进行全面的研究，全面了解膨胀土的胀缩 变形和强度特性。 基于以上背景，课题组决定在南友公路选择试验路段作为项目研究的依托工 程，本文就是研究广西宁明地区灰白色膨胀土的应力变形特性并从而得到它的本 构关系，从而为理论计算提供参数。 1 2 本文研究的意义 膨胀土吸水其体积增大，失水则体积减小，即产生膨胀与收缩变形。这种现 象简称为膨胀土的胀缩变形。在土与水相互作用中，随着含水量的增加，其体积 增大的能力将尤其显著，即表现出强烈的膨胀性。倘若在土体积增大过程中膨胀 受到限制，则土中随即显示出一定的内应力，以企图突破阻抗的约束，一般称这 种内应力为膨胀力。很显然，如果土中含水量减少，土的体积也必然随之缩小， 即出现收缩现象，并常常伴随产生裂隙与收缩应力。这种膨胀力和膨胀变形的关 系，就是膨胀土的膨胀本构关系。这是膨胀土最本质的重要特性之一，具有十分 重要的理论和实践意义m 。 由上可见，膨胀土地区路基工程的稳定性，已成为当前公路工程地质中一个 不容忽视的重要研究课题。国内外在解决这一难题中，通常都是从路基变形破坏 的调查分析入手，寻求其产生变形破坏的规律和原因，然后采取相应的防治与加 固措施，以保证路基的稳定性。 膨胀土路基引起的危害已经引起公路部门和公路工作者的高度重视。膨胀土 对公路路基造成的危害往往就是从胀缩变形开始的。因此研究膨胀土的膨胀变形 规律以及由于膨胀受阻而引起的膨胀力就成为本文研究的重点，并由膨胀规律推 导出膨胀土的膨胀本构关系并得到模量参数为理论计算提供参数分析。 1 3 国内外研究现状 膨胀土的问题直到2 0 世纪3 0 年代后期才被土力学工程师们所认识。随着经 济建设的发展，膨胀土的研究越来越引起岩土工程界的注意。2 0 世纪5 0 年代初， 我国在修建成渝铁路工程中，首次遇到成都粘土膨胀危害问题，从而拉开了我国 膨胀土研究的序幕。2 0 世纪7 0 年代中期，我国开展了大规模的膨胀土普查工作， 建立了科学研究试验基地，进地了卓有成效的研究，取得了一定的科研成果和工 作经验。2 0 世纪8 0 年代，我国制定了膨胀土地区建筑技术规范。1 9 9 4 年在武汉 召开了“中加非饱和土学术研讨会”，标志着我国非饱和土理论研究已经达到了 一个新的高度。在这期间，我国的科研工作者总结自己和前人的研究成果编著成 书，如廖世文的膨胀土与铁路工程，刘特洪的工程建设中的膨胀土问题， 李生林的中国膨胀土工程地质研究等。可以认为膨胀土的研究已经从一个国 家或地区的研究逐渐发展成为世界性的共同课题。到目前为止，已经先后召开了 八届国际膨胀土研究与工程会议，在膨胀土的成分、结构、强度、膨胀机理以及 变形等方面取得了许多很有价值的研究成果，并在膨胀土地质问题的处理方法上 积累了一些经验u r n “。 1 3 1 膨胀变形参数 廖世文m 在膨胀土与铁道工程中指出了同类膨胀土的初始含水量和干容重大 小，以及有充分水分的持续补给，均是决定其膨胀程度的先决条件。 一般情况下，同类膨胀土在土一水体系相互作用中，当保证有水分持续不断 补给的条件下，初始含水量愈小，于容重愈大，则产生的膨胀量变形亦愈大；若 初始含水量愈大，干容重愈小，则产生的膨胀变形愈小。但当土的初始含水量减 小至缩限含水量时，其产生的膨胀变形将达到最大值。即使初始含水量再减小， 但膨胀量却不会再增大。相反，一俟土的初始含水量再增加到接近胀限含水量时， 表明土的膨胀变形亦也完成。此时，水分再增加，产生的膨胀却十分有限，直至 含水量继续增加到胀限为止，土的膨胀也就随即终止，即使含水量再增加，其体 积也始终保持不变。大量试验表明，膨胀土的初始含水量与膨胀量之间大致有如 图1 1 所示的一般折线关系。但有的试验也表明，当初始含水量从胀限减小至缩 限时，膨胀变形开始增加阶段是比较缓慢的；只有当初始含水量下降至小于塑限 3 到缩限之间，膨胀变形才急剧增加。因此，图中斜直线在塑限含水量附近，将略 有转折。 膨胀量 ( ) 0 m 初始含水量( ) 图1 1膨胀量与初始含水量的关系 同时，还论述了膨胀变形与压力的关系，主要表现为土的膨胀量随压力增大 而减小，随压力减小而增大的曲线关系。有荷膨胀量与上覆压力的关系如图1 2 所示。 有荷膨胀量与上覆压力的关系图 水 弋 咖 拦 渣 框 榧 ， 上覆压力k p a 图1 2有荷膨胀量与上覆压力的关系图 最后，得出对同种膨胀土而言，在低压力作用下，土体吸水产生的膨胀变形 量主要取决于初始含水量的变化。 徐永福等m “2 i j 研究了宁夏膨胀土的膨胀变形，并认为在相同上覆压力条件下 变形膨胀量与初始含水量成线性关系；在相同初始含水量条件下膨胀量的对数与 4 上覆压力的对数成线性关系。分别用公式表示为： 相同上覆压力条件下： s p = 一c w o + d 公式中，w 0 为膨胀土的初始含水量( 单位，) c 、d 为参数，随膨胀土的干密度和上覆压力的大小而变化。 相同初始含水量条件下： i n 。；一a i n p + b 公式中，p 为上覆压力( 单位，k p a ) a 、b 为参数，随膨胀土的干密度和初始含水量变化而变化。 对同种膨胀土，变形膨胀量与初始含水量和上覆压力的定量关系具有普遍意 义，只是式中参数随膨胀土的种类而不同，并得到了工程实践的证实。 长安大学许瑛i u l 研究了陕西安康的弱膨胀土，得出了变形膨胀量与上覆压力 成负指数关系：变形膨胀量与初始含水量的对数成直线关系。分别用公式表示为： 当初始含水量一定条件下： s 。= 一 e 一乜9 式中：p 为上覆压力大小；毛、巨是常数，大小由膨胀土的本身性质决定，但 也与含水量和压实度有关。对于同一种膨胀土，初始含水量越大，4 越小， 墨 越小；含水量越小，4 越大，量越大。同样压实度越大，4 越小，量越大；压 实度越小，毛越大，最越小。 当上覆压力一定条件下： 占，。= - a 2 l n w o + b 2 式中：w o 为初始含水量：4 2 ，b 2 是常数，其值由膨胀土的本身性质决定，但也与土 中的压力、压实度有关。压力越大时，, t 2 越小，越小；压力越小时，4 越大， 吃越大。同样压实度越大时，4 越大，b 2 越大；压力越小时，4 越小，b 2 越 小。 1 3 2 膨胀本构关系 1 9 5 4 ，h o l t z 和g i b b s m - 首先研究了膨胀性粘土工程特性，他们做了一系列膨 胀土试验研究，如自由膨胀试验和有侧向约束条件下的膨胀试验。1 9 7 0 年， h u d e r a m b e r g 采用用常规固结仪对泥灰岩进行了单轴膨胀应变试验，发现轴向 膨胀应变与轴向应力的对数成线性关系。用公式表示为： s ，。；一a i n p + b 其中，a , b 是试验常数，由膨胀岩本身的性质决定。 这就是单轴条件下的这种泥灰岩的膨胀本构关系。1 9 7 0 年，k o m o r n i k 和 z e i t l e n ( ：n 将固结仪的环刀改用0 0 3 c m 不锈钢片制成，在环刀外侧缠绕了3 根应 变电阻丝，测出了径向膨胀应变，并由环刀的弹性模量求出膨胀应力，获得了许 多有价值的成果。1 9 8 4 年，f r a n k l i n 在膨胀仪的柔性环刀外侧贴电阻应变片，测 得了径向膨胀应变和应力。1 9 8 4 年，我国学者孙钧、李成江”也做了这类试验， 环刀厚度为0 1 2 7 5 c m ，可视为均匀薄壁圆环，取得了较好的试验结果。1 9 9 0 年， d a v i o n l 2 9 1 在常规固结仪试验的基础上，发展了连续荷载膨胀试验方法，使所测得 的膨胀和固结参数更为准确。 以上取得试验结果都是在常规固结仪上进行的，方法仍为h u d e r a m b e r g 试 验方法，在侧向约束、单轴加压条件下进行。 目前采用的三维膨胀本构关系是e i n s t e i n ( 1 9 7 2 ) 和w i t t k e ( 1 9 7 6 1 。”提出的。他 们在h u d e r 。a m b e r g 试验基础上作了两条假设，第一条假设：膨胀应变是由于应 力第一不变量的改变所引起的；第二条假设：h u d e r - a m b e r g 单轴试验的轴向应 力与径向应力符合金尼克条件，据此得出膨胀岩体积膨胀应变与体积应力的对数 成线性关系。公式如下： = k ”p 七羞) 1 一l o g ( , l o o 羞) 公式中：，为最大膨胀体积应力。 1 q 1 9 9 3 年，杨庆等” ”1 ，对土三轴剪力仪进行了改装，使之适用于三轴膨胀 试验结果，对梅山铁矿采取的膨胀岩试件进行了试验，综合考虑了吸水量及应力 对膨胀的影响，测定了膨胀岩土膨胀应变与三轴应力、吸水量等之间的关系，并 通过试验验证了膨胀应变是由于应力第一不变量所引起的，与应力偏量无关的结 论，得出了膨胀岩吸水饱和值是体积应力函数的结论。此后，焦建奎m ，针对常 规h u d e r a m b e r g 试验不能量测膨胀过程中吸水量和径向膨胀压力，对固结仪进 行改造，增加吸水和测压测量装置，研制丌发一种基于吸水过程的侧向受限膨胀 试验。他得出在侧向受限状态下，由侧向膨胀受到限制会产生很大的侧向膨胀应 力，测得侧向应力不符合金尼克条件，而是远高于轴向应力，并在整个过程中保 持这种状态。 1 9 9 3 年，中国矿业大学缪协兴等m r m ，提出湿度应力场理论，类似温度应力场的 概念，这是膨胀岩土受水作用而产生的应力应变场的新理论。湿度应力场理论的基 本思路是：( 1 ) 膨胀岩吸水后会产生体积膨胀和软化，恰好类似与材料的温度效应。 一般材料当温度升高时会产生体积膨胀和软化。( 2 ) 当物体受到某个热源作用时， 体内会形成一个受热传导方程控制的温度变化场。而当土体受到某个水源作用时， 土体内也会形成一个受水分扩散方程控制的湿度变化场。( 3 ) 根据以上两点，由于 湿度场变化产生的应力场相似与温度应力场，而在分析温度应力场方面，目前已建 立了较为完备的数学基础。因而对于湿度应力场问题，可以采用温度应力场理论中 的应力应变分析和计算方法。 1 4 本论文的技术思路及预期成果 本文作为交通部西部大开发的项目之一“膨胀土地区公路修筑成套技术研 究”的一部分，主要对广西宁明境内修筑路堤条件下的灰白色膨胀土进行变形研 究。主要进行以下几个方面的工作： ( 1 ) 不同初始含水量和不同上覆压力条件下的膨胀土膨胀特性研究，作膨胀 土的有荷膨胀量试验，由试验数据分析得到这种膨胀土在上覆压力一定的条件下 有荷膨胀量和初始含水量的定量关系、在初始含水量相同条件下有荷膨胀量和上 覆压力的定量关系。验证有荷膨胀量和初始含水量之间的直线关系、有荷膨胀量 和压力的半对数直线关系是否成立，并分别得到这种直线关系的拟合参数。同时， 对这些直线关系的对应参数进一步进行分析，得到这些参数与初始含水量、上覆 压力的数学表达式。这样就得到有荷膨胀量与初始含水量、上覆压力的数学表达 式，把有荷膨胀量与初始含水量和上覆压力两个因素联系起来；同时分析终了含 水量和上覆压力、初始含水量的定量关系，并分别将终了含水量与上覆压力、初 始含水量进行拟合，得到拟合参数，分析这些得到拟合参数的关系。 ( 2 ) 不同初始含水量条件下，作膨胀土的无荷膨胀量试验，得到无荷膨胀量 与初始含水量的定量关系。 ( 3 ) 不同初始含水量条件下，作膨胀土的膨胀力试验，由试验得到这种膨胀 土在不同初始含水量条件下膨胀力的大小。 ( 4 ) 研究膨胀土膨胀变形过程中，膨胀量随含水量增量的定量关系。 ( 5 ) 在有荷膨胀量、无荷膨胀量和膨胀力的规律指引下，根据广义的虎克定 律推导出膨胀土的三维膨胀本构关系，得到宁明膨胀土的变形模量。 7 第二章膨胀土的胀缩机理和地质调查 2 1 膨胀土的膨胀性指标 由于膨胀土吸水使土中含水量增加而引起体积的膨胀。如果施加一定荷载以 阻止其膨胀，在土中则产生一定的膨胀力。因此，在工程实践和研究中，通常采 用膨胀含水量、膨胀量和膨胀力三种指标的大小，来评定和表征膨胀土的膨胀性。 本文在此作简要介绍。 2 1 1 膨胀含水量( ) 系指土体吸水膨胀稳定后的最大含水量，也就是土体产生最大膨胀的极限含 水量，一般称为胀限含水量。即试样吸水稳定后所含水分的重量与固体颗粒重量 之比，以百分数表示。 ：墨盟1 0 0 g s 公式中 g 。一试样固体颗粒重量，g ； 踟一膨胀稳定后水中水分的重量，g 。 胀限含水量的意义在于：当含水量增加到接近胀限含水量时，表明膨胀土的 膨胀变形已经接近基本完成，此时水分在增加，产生的膨胀却十分有限，当含水 量增加至胀限时，膨胀土的膨胀也就终止了，即使含水量再增加，体积也保持不 变。 2 1 2 膨胀量 是指一定体积的膨胀土体( 有结构的天然土或击实土，以及松散土粒) ，在 一定条件下与水相互作用其体积增大的表征，用土体膨胀稳定后的体积增量与初 始体积之比，以百分数表示。 由于工程中土体所处的实际条件不同，以及试验模拟的方法不同，在生产实 践中膨胀量包括一下四个指标： ( 1 ) 体膨胀量( v v ) 原状结构或击实膨胀土样，在既无荷载又无侧限条件下吸水后的体积膨胀增 量与初始体积之比，以百分数表示。 圪：v - v ox 1 0 0 公式中k 一试样初始体积，一； 8 y 一膨胀稳定后土的体积，删。 ( 2 ) 线膨胀量( 吒) 原状结构或击实膨胀土试样，在无荷载有侧向限制条件下，吸水后沿垂 直方向膨胀的高度增量与初始高度之比，以百分数表示。 吒：h - h ox 1 0 0 吃2 h 。 公式中矾一试样初始高度，锄； 一膨胀稳定后土的高度，c r f l 。 以上两个膨胀指标的概念，都是在膨胀土体上部没有荷载的条件下产生的 “自由”膨胀。它对于衡量膨胀土的膨胀潜势，无疑是一个理想的判定指标。然 而，对于路堑和路堤边坡来看，大多是在实际工作过程中土体上部均有一定的荷 载作用，一是上部土体产生的自重，二是上部的附加荷载。这些荷载必将对其下 部土体的膨胀产生阻抗，因而膨胀往往是有限制的。所以，为了模拟土体在上部 一定荷载作用下，或在承受某一实际荷重下，路基膨胀土所产生的实际变形，往 往要测定土体在不同荷载下的膨胀量。 ( 3 ) 自由膨胀率( 只) 是指扰动膨胀土经过粉碎风干后的一定体积的松散土粒，在水中没有任何限 制条件下充分吸水产生自由膨胀，体积增大的现象。即为试样膨胀稳定后的体积 增量与初始体积之比，以百分数表示。 f 。! 生1 0 0 只。彳订0 0 公式中k 一试样初始体积，一般为1 0 c m 。； v 一膨胀稳定后土的体积，c m 。 很清楚，自由膨胀率的概念既没有包含膨胀土的结构，也不存在附加荷载与 侧限等条件，因而从工程角度讲，它是一个没有工程实际意义的指标。尽管如此， 由于这一膨胀性指标在一定程度上同样可以能反映组成土的粘土矿物、粒度成 分、化学成分和交换阳离子成分等基本特性。同时具体试验操作方便、简单易行 等有点。所以，国内外仍然应用这个指标来粗略的衡量土的一般膨胀趋势，并作 为膨胀土的初步定性指标。 ( 4 ) 有荷载膨胀量( ) 原状结构或者击实膨胀土试样，在有侧限限制，同时受到上部一定垂直荷载 作用的条件下，吸水膨胀后沿竖直方向膨胀的高度增量，与初始高度之比，以百 分数表示。 9 k 。燮x l o o 4 h hp h l = r t + r p r o 公式中，日一施加p 荷载压密稳定后试样的高度，c m ； h ，一p 荷载下浸水膨胀稳定后试样的高度，c m ； r 一膨胀稳定后量表读数，c m ； r 。一p 荷载下仪器变形量，c m ； r 一试样加载前的量表读数，c m 。 有荷载膨胀性指标不仅反映了无荷载膨胀性指标所揭示的内在特性，而且显 示了荷载与膨胀之间的密切相关性，这在工程上有着重要的实际意义。一般采用 分级加荷测定土体在不同荷载下的膨胀量，也可根据工程的实际需要测定某一特 定荷载下的膨胀量。此外，在膨胀本构的研究中，还经常用到膨胀应变的概念， 其与有荷膨胀量略有差异：不局限于侧限条件、竖直方向上以及膨胀稳定三方面 的限制条件，是指原状或击实试样在定条件下，吸水膨胀过程中某一方向上变 形增量与初始长度之比。若用体积变化来表示，则称为体积膨胀应变。显然，该 指标不仅包含了荷载条件，也包括了水分补给条件对变形的影响。 2 1 3 膨胀力( p r ) 膨胀力是指膨胀土土体在吸水膨胀过程中，伴随体积增大产生的内应力。 在生产中常用一定体积的原状结构或者击实膨胀土试样，在浸水同时采用加荷平 衡法，以测定试样至膨胀稳定时单位面积所承受的最大压力，故又称膨胀压力。 可用下式表示。 g p c a 一 公式中a 一试样面积，硎； g 一施加的总平衡荷重，k g 。 膨胀压力、膨胀应力、最大膨胀压力等都是与膨胀力相似的含义，这些指标 1 7 t 前有些混乱。在膨胀力概念的使用上，有特指和泛指之分。特指含义就是最大 膨胀应力，即土体吸水时保持体积不变时所需要的最小压力。广义的膨胀压力就 是泛指土体吸水膨胀时产生的内应力或者说对约束体产生的作用力。最大膨胀力 对防止膨胀土的膨胀变形有着十分重要的意义。 2 2 膨胀土的胀缩机理及影响因素 膨胀土产生膨胀与收缩的原因是复杂的，它是膨胀土与水之间发生的一种物 理化学反应和力学作用过程的综合体现。研究膨胀土的变形问题，应当首先对膨 1 0 胀土吸水膨胀和失水收缩的原理和机理有一个清晰的了解，只有这样，才能为分 析胀缩变形问题树立一个正确的研究方向。膨胀土之所以产生膨胀与收缩，其一 是必须具备土体本身能够膨胀与收缩的内因，其二是要有水分转移的外部条件， 两者缺一不可。就某一种膨胀土来说，其膨胀程度则取决于其初始物理状态以及 外部的环境条件。 2 2 1 膨胀土胀缩机理 膨胀土一般富含膨胀性粘土矿物，本身具有能够膨胀和收缩的内部因素，但 对其水分转移的机理，目前还没有很清楚的认识。为了解释膨胀土在水分转移过 程中产生的现象及其过程的本质原因，许多学者作了多种假说，但迄今为止，已有 的理论都没有对膨胀土的胀缩机理作出全面的、圆满的解释，而多是从学术的角 度针对胀缩机理问题的某一方面进行探讨。现有理论中，分子膨胀机制和胶体膨 胀机制比较符合实际。下面就这两种理论作以简要概述和讨论。 ( 1 ) 分子膨胀机制 已有研究表明，所有粘性土在与水作用时，都会表现出一定的胀缩性，只不过 是膨胀土表现出的胀缩性更为突出。通常的膨胀土其主要物质组成为粘土矿物， 之所以表现出的膨胀性不同，分子膨胀机制认为是因为有些种类的粘土矿物的晶 体构造是活动的，成为膨胀晶格构造，水分子能够进入晶层之间，形成水化膜夹层 引起晶格扩张，从而引起土体宏观体积膨胀，而另一些粘土矿物则晶格活动性很 小，因而不具备膨胀性。 粘土矿物学研究表明，粘土矿物是由各种硅酸盐矿物分解形成的含水硅铝 酸盐矿物，其晶胞由硅氧理面体和铝氧八面体两种基本结构单元组成的。 粘土矿物会产生像置换现象，即四面体和八面体的中心原子s i 、a l 被低价 的f e 、m g 等置换，其结构形式不变，但物理化学性质发生变化，成为另一种矿物。 四面体、八面体都不是单个存在而是成层排列的，它们在平面上连成一片成为四 面体和八面体层，交界处的粒子为相邻共用。四面体层可与八面体层通过顶部的 0 2 。和0 h 一共用而结合在一起。根据晶胞内四面体和八面体层结合的形式不同，可将 常见的粘土矿物分为三类：蒙脱石族、伊利石族和高岭石族。 蒙脱石的晶体是由很多相互平行的晶胞组成的，每个晶胞厚度约1 4 爿，有三 层，上层和下层为s i 一0 四面体，中间夹一层a 一0 一o h 八面体。其最大特点是每个晶 胞中四面体和八面体数量之比为2 ：l ；晶胞与晶胞之间以o ”接触，故不够紧密， 可以吸收无定量的水分子，因而结构构架活动性大，亲水性强，晶胞之间的a 1 ”可 被f e ”、f e ”、c a ”、m g ”等离子取代而形成蒙脱石组成各种不同的矿物。若为两 价离子所取代，则在构架中出现多余的游离原子价，提高了吸附能力，有助于增强 晶胞间的连接力。由于上述特性，蒙脱石组成矿物具有吸水能力强，使体积大大增 加，甚至使相邻晶胞失去连接力的特性。 1 1 由于蒙脱石相邻晶胞具有同号电荷，因而具有斥力，活动性大。另一方面，晶 胞之间的沸石水也有一些反离子。当膨胀土遇水后，其中的蒙脱石晶胞之间沸石 水也有一些反离子溢出，使吸引力减小，水分子挤入，晶胞间距增大，使矿物颗粒 本身急剧膨胀。 不仅蒙脱石具有上述晶粒内部膨胀机制，而且伊蒙混和层、伊利石矿物也具 有这种膨胀性，只是伊利石的三层结构中的s i0 2 比蒙脱石少一些，其上下两层 s i 一0 四面体中s i 4 十可以被a l ”、f e ”所取代，有时甚至有二价讵离子，以补偿晶胞 中正电荷不足。故伊利石结晶格架活动性比蒙脱石小，亲水性也低一些。 分子膨胀机制对于解释膨胀土的胀缩变形，估计膨胀程度，有一定的意义，但 这种理论仅考虑了晶胞之间的吸附结合水作用，而没有考虑粘土颗粒及其集聚体 的吸附结合水作用。实际上，膨胀土膨胀不仅发生在晶格构造内部，而且也发生在 颗粒与颗粒之间的集聚体与集聚体之间 ( 2 ) 胶体膨胀机制 有些膨胀土并不含蒙脱石、伊蒙混和层和伊利石，也具有膨胀性。例如，粘粒 成分为高岭石时，也具有一定的膨胀性。高岭石的结构格架是由互相平行的晶胞 组成的。由于晶胞之间通过o 与o h + 胶结连接，连接力较强，不允许水分子进入晶 胞之间，所以其亲水性小，遇水后体积膨胀也小。高岭石等粘粒遇到水时，虽然其 晶胞之间不允许水分子，但其粘粒表明具有游离价原子和离子，这些原子和离子 有具有静电吸力场。水分子是极体，一端为正电荷，一端带负电荷，可以为静电引 力所吸引。于是，粘粒表面附近的水分子紧密地、整齐地排列起来。这时水分子 失去了自由活动的能力，越靠近粘粒表明，这种情况就越明显；距粘粒表明越远， 静电引力场的强度减小，水分子失去的自由能力减小，排列也将不那么整齐，此即 为胶体的弱结合水；在远一些，静电引力几乎没有作用，水分子自由活动的能力和 原来差不多，成为自由液态水。完全失去自由活动能力的水分子是胶体中的弱吸 附层中的弱结合水。这两部分结合水共同组成水化膜，使粘粒的体积膨胀。其结 合水力学性质既不同于自由液态水，也不同于固体，而是介于两者之间的过渡类 型。由于粘粒极小，表面积很大，因此，这种吸附能力及其明显。这时的粘粒将形 成胶体，粘粒表面形成很厚的水化膜吸附层，使得粘土在宏观上产生膨胀。这种膨 胀机制并非高岭石独有，蒙脱石、伊利石等其他矿物，只要粒径 o 0 0 2 m m ，均能形 成胶体，具有上述膨胀机制。 结合水厚度于颗粒表面负电荷相对于介质溶液的电位差密切相关，电位差越 大，水膜厚度也越大。研究证明，蒙脱石于天然水的电位差大于高岭石，而伊利石 居中。因此也解释了蒙脱石为主的膨胀土的膨胀性要大于伊利石和高岭石。 1 2 2 2 2 影响膨胀土膨胀的因素 当膨胀土土质确定后，影响其膨胀变形的主要因素是土的初始含水量、干密 度，即初始的物理状态，和其上覆荷载大小和水分的补给条件。 2 2 2 1 初始物理状态对膨胀的影响 大量实践表明，膨胀土的初始状态( 含水量和干密度) 不同，产生的膨胀程度是 不同的。这种初始状态主要是指土体的湿度和密实程度，通常分别用含水量和干 密度来表征。许多研究表明，一般情况下，同类膨胀土在土一水体系相互作用中， 当保证有水分不断补给的条件下，初始含水量愈小，干密度愈大，则产生的膨胀 变形量亦愈大；若起始含水量愈大，干密度愈小，则产生的膨胀变形量愈小。但 当土的起始含水量减小到缩限含水量时，其产生的膨胀变形量却不会再增大。相 反，一俟土的起始含水量增加到接近胀限含水量时，表明土的膨胀却十分有限， 直至含水量再增加，其体积也始终保持不变。 许多学者对初始含水量和干密度对膨胀土的影响作了定性分析，还提出了一 些定量的经验公式。研究表明，有荷膨胀量分别与初始含水量和干密度成线性关 系，此外还有其他一些形式的相关关系。虽然不同学者提出的相关关系有所不同， 但反映的趋势是完全一致的。这些关系对预估膨胀土的膨胀性，估算膨胀土地基 的膨胀变形有一定的应用价值。 2 2 2 2 压力对膨胀的抑制作用和水分补给对膨胀的影响 膨胀土无论作为地基或是边坡，它的实际工作状态，大多是在上部有一定自 重压力或附加压力，或者两种压力同时作用下进行的。由于土体上覆压力增大， 当土体吸水膨胀时，必然首先要克服外部压力的阻抗才能获得充分体现，而压力 对膨胀无疑将产生抑制作用。因此，膨胀土的膨胀变形与压力的关系，主要表现 为土的膨胀随压力增大而减小，随压力减小而增大。同种膨胀土，如果起始含水 量不等，压力对膨胀的抑制作用将会受到土的内应力( 膨胀力) 的阻抗而减弱即 相同压力作用下，起始含水量低的膨胀量大，反之则小。 土的自重作用对膨胀的抑制作用是随深度而增加的。也就是在土的自重压力 作用下，土体浸水产生的膨胀变形量自地表向下随深度增加而减弱。 而压力对膨胀的抑制实质上是通过控制水分来实现的，这也从侧面说明了水 分补给对膨胀的重要影响。显然，即使膨胀土具有很高的膨胀性，如果没有了水 分补给，膨胀变形也无从显示，而如果水分补给不能充分满足土体吸水膨胀的需 要，实际产生的膨胀变形也必然是不充分的。因此，在特定条件下，膨胀土的膨 胀是由于土与水体系中的水介质相互作用而引起土体内应力改变的结果，换言 之，土体中含水量变化是膨胀土膨胀与收缩、强度变化的主要原因。 综上可知，相同类型膨胀土的膨胀量，主要决定与起始湿度、密度和压力 1 3 的大小，以及吸水量的大小。一般起始湿度愈小，起始密度愈大，起始压力愈低， 吸水量越大，土的膨胀量愈大；反之，膨胀量愈小。因此，膨胀土的试验膨胀量 实际上是一个变量，只有在定起始条件下测试的膨胀量，才有实际意义。 2 3 典型膨胀土路段的土质调查 南友公路主要膨胀土路段集中在第1 0 标和1 1 标段，连续分布长约2 0 k m 。 根据挖掘机挖坑取土揭露的场地工程地质特征，结合原路线工程勘察资料，可将 南友路在宁明县境内的路线典型工程地质剖面从上至下依次描述如下： 1 、耕植土层：红黄色、黄灰色或灰色，稍湿，硬塑，土质为高液限土，土质 疏松，含有机质和植物根系为耕植土类，该层厚0 3 0 5 米。 2 、高液限土层：红黄色、红色，稍湿，可塑硬塑，低压缩性土，土质较 纯。该层厚o 1 米。 3 、灰白色膨胀土层：灰白色，灰白色夹红黄色，可塑，局部软塑，密实， 土层夹有薄层的铁染层，为高液限土，具中等偏强的膨胀性，天然含水量大，强 度较低。该层厚度3 4 5 米。 4 、灰黑色膨胀土层：灰黑色，湿，硬塑，密实，为高液限土，具弱的膨胀 性。该层厚度1 2 米。 5 、风化弱膨胀泥岩：灰黑色，稍湿，可塑硬塑，密实，为低液限土，具 弱的膨胀性，为强风化或中等风化泥岩。该层厚度较大，未揭穿。 从以上典型工程地质剖面的描述中可见，对路基边坡和填料影响较大的主 要是第3 层、第4 层膨胀土及第5 层弱膨胀泥岩。 为便于分类，将膨胀土路段的土层简化为3 层：第1 层和第2 层合称为表 土层；第3 层和第4 层合称为灰白色膨胀土层；第5 层称为灰黑色膨胀土层。因 此，其地质剖面情况如下： 第1 层为表土层，为高液限粘土。因其厚度一般在0 5 1 5 米，且含有耕 植土不宜作为填料，因此不作为膨胀土处治研究对象。 第2 层为灰白色膨胀土层，具有中等的膨胀性，天然含水量大，自由膨胀率 在3 5 5 7 之间，土层已基本风化为残积土，强度低，c b r 在1 1 1 4 之间，膨胀量大，c b r 浸水膨胀量为1 1 5 1 4 5 。该层厚度在4 6 米之间， 是工程处理的主要对象，室内试验主要是针对该层进行。 第3 层为灰黑色膨胀泥岩，具较大含水量和弱膨胀性，土层主要为强风化 中等风化的泥岩。虽然其原状土的结构强度较高，但浸水后强度迅速降低，c b r 1 4 值在1 2 1 3 之间，而且c b r 浸水膨胀量为1 0 5 1 1 9 。 为了弄清灰白色膨胀土