膨胀土胀缩变形规律与灾害机制研究.pdf

第 31 卷增刊2 岩 土 力 学 Vol 31 Supp 2 2010 年 11月 Rock and Soil Mechanics Nov 2010 收稿日期 2010 05 13 基金项目 中国科学院工程地质力学重点实验室基金项目 2008 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室开放基金项目 2008 河海大学岩 土力学与堤坝工程教育部重点实验室开放基金项目 No GH200802 国家科技支撑计划项目 No 2008BAK50B04 3 中国科学院知识创新工程青 年人才领域前沿项目 2009 联合资助 第一作者简介 李志清 男 1981 年生 博士 助理研究员 主要从事非饱和特殊土与地质灾害防治方面的研究工作 E mail lizhiq 2002 文章编号文章编号 1000 7598 2010 增刊 2 0270 06 膨胀土胀缩变形规律膨胀土胀缩变形规律与与灾害灾害机机制制研究研究 李志清 1 2 3 余文龙1 付 乐4 胡瑞林1 王艳萍5 1 中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院工程地质力学重点实验室 北京 100029 2 同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室 上海 200092 3 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室 南京 210098 4 北京科技大学 土木与环境工程学院 北京 100083 5 中国公路工程咨询集团有限公司 北京 100083 摘摘 要要 采用普通固结仪和收缩仪分别进行蒙自重塑膨胀土浸水膨胀变形试验和膨胀土失水收缩变形试验 系统地研究了不 同初始状态下膨胀土胀缩变形规律与致灾机制 并应用 Does Response 模型 定量模拟了膨胀土胀缩时程规律 研究表明 蒙自膨胀土胀缩变形差异较大 一般吸水膨胀率远大于失水收缩率 相似状态下试样膨胀系数越大 收缩系数亦越大 表现 出较强的各向异性 膨胀土含有的大量细小黏土颗粒与较强的蒙脱石晶体矿物及显著的微结构特征 是其产生强烈胀缩变形 灾害的内因与本质 而土中发育的微孔隙 裂隙结构及其初始状态 是发生胀缩变形灾害的外因 关关 键键 词词 膨胀土 膨胀 收缩 变形 灾害 中图分类号中图分类号 TU 443 文献标识码文献标识码 A Research on expansion and contraction rules and disaster mechanism of expansive soil LI Zhi qing1 2 3 YU Wen long1 FU Le4 HU Rui lin1 WANG Yan ping5 1 Key Laboratory of Engineering Geomechanics Institute of Geology and Geophysics Chinese Academy of Sciences Beijing 100029 China 2 Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education Tongji University Shanghai 200092 China 3 Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering Hohai University Nanjing 210098 China 4 School of Civil 5 China Highway Engineering Consulting Group Company Ltd Beijing 100083 China Abstract Swelling tests of Mengzi remolded expansive soil immersed with water are carried out by simple consolidometer and shrinkage tests are made by contractometer The characteristics of expansion and contraction and break down mechanism for expansive soil under different initial conditions are studied systematically Does Response model is used to fit quantitatively the rules of swelling and shrinkage time interval for expansive soil The results show that the difference between swelling and shrinkage for expansive soil is remarkable Generally speaking swelling ratio of samples immersed with water is larger than shrinkage ratio The larger the expansion coefficients of samples under the same conditions are the larger the contraction coefficients are The anisotropy of samples is stronger The internal and essence of shrinkage deformation disaster of expansive soil is that there are a lot of small clay particles montmorillonite mineral crystal and significant microstructural characteristics And the external cause is the development of micropore fracture structure and the initial state Key words expansive soil swelling shrinkage deformation disaster 1 引 言 膨胀土是土中黏土矿物主要由亲水矿物组成 具有吸水膨胀 软化 崩解和失水急剧收缩特点 并能产生往复变形的特殊黏土 1 膨胀土胀缩变形 特性造成了构筑物的胀裂破坏 研究膨胀土的胀缩 规律十分必要 兰常玉 2 研究了膨胀土失水收缩时 收缩压的变化规律 林玉山 3 研究了膨胀土胀缩性 评价中存在的若干问题 朱建强 4 研究了水分对膨 胀土变形与压力的液限关系 增刊 2 李志清等 膨胀土胀缩变形规律与灾害机制研究 271 膨胀土发生胀缩变形可以分为 2 类 一类为粒 间膨胀 另一类为晶格 晶层 膨胀 即膨胀性矿 物的膨胀 膨胀土颗粒 晶格间水膜变化是导致其 胀缩变形的直接原因 随着结合水膜的厚度变厚 使土粒间的净距离增加 导致土体的膨胀 而涉及 膨胀土收缩性问题研究较少 往往膨胀土的收缩会 造成工程的致命破坏 在实际工程中无法准确地确 定膨胀土体的水膜厚度变化情况 但可以对膨胀土 胀缩变形的有关参数进行定量分析与测试 鉴于 此 对膨胀土进行不同含水率 不同干密度 不同 上覆压力条件下的膨胀与收缩试验 对其胀缩变形 规律与灾害机制进行系统研究 可以为工程设计 施工与边坡稳定性评价提供重要指标 2 试验取样与制备 试验土样取自云南省蒙自地区 滇南蒙自是我 国膨胀土地基工程危害最为频繁的地区 该区地基 土在干 湿交替的亚热带半干旱气候条件影响下土 体易产生剧烈的膨胀 收缩可逆性变化 常导致建 筑物成群开裂破坏或边坡失稳灾害 造成严重的经 济损失 蒙自位于北纬 23 20 东经 103 23 海拔 1 309 m 属亚热带半干旱气候区 大气影响深度为 5 4 m 蒙自膨胀土属残积类裂隙化膨胀土 5 其黏 土矿物成分中蒙脱石含量较高 一般为 22 48 此外含有伊利石 高岭石等 其化学成分主要由 SiO2 倍半氧化物 Fe2O3 Al2O3 及少量钙 镁 钾 钠氧化物等组成 蒙自膨胀土与其他地区膨胀 土相比 具有高含水率 低密度 高塑性 强收缩 等不良工程性质 由于沉积方式的不同 它们在湿 度 密度 物质组成 物化性质 结构特征上明显 不同 在强度和变形特性上有本质区别 6 膨胀土膨胀试验是在室内普通固结仪上完成 的 分别进行了干密度为 1 5 1 6 1 7 1 8 g cm3 含水率为 11 0 13 5 17 0 19 5 上覆压 力为 0 12 5 25 0 50 0 100 0 kPa 的分组试验 膨胀变形在 24 h 内达到稳定 每小时膨胀量要求小 于 0 01 mm 该试验共制备了 100 余个试样 历时 接近 60 d 土样主要物理力学指标见表 1 表表 1 膨胀土物理力学指标膨胀土物理力学指标 Table 1 Physical and mechanical indices of expansive soil 土样 天然含 水率 液限 塑限 塑性 指数 最大干密度 g cm3 最佳含 水率 自由膨 胀率 膨胀力 kPa 红褐色 25 3 56 9 21 7 35 2 1 86 17 1 77 334 8 膨胀土收缩变形试验是在普通收缩仪上完成 的 在室内制备含水率为 14 0 17 1 20 3 土 样 每种含水率土样分别制备成干密度 1 5 1 6 1 7 g cm3 3 种环刀样 在室温为 20 湿度为 20 条件下自然风干后进行收缩变形试验 试验历时 72 h 3 膨胀土胀缩变形特性试验 3 1 膨胀变形时程规律膨胀变形时程规律 限于篇幅 膨胀试验以含水率为 13 5 干密 度为 1 5 g cm3膨胀土试样为例 在不同上覆压力下 浸水膨胀变形随时间变化规律如图 1 试验点数据所 示 在半对数坐标系整条数据点呈 S 型的变化规 律 相同干密度和含水率条件下膨胀土膨胀变形随 上覆压力的增加而变小 膨胀速率的快慢与起始含 水率 干密度 上覆压力密切相关 7 用药物反应 对数模型可以拟合该膨胀时程规律 膨胀土试样在 不同上覆压力下的膨胀时程曲线拟合如图 1 所示 图图 1 膨胀率随时间变化拟合曲线膨胀率随时间变化拟合曲线 Fig 1 Fit curves of swelling ratio with time increasing 数学表达式见式 1 膨胀时程Does Response 模型拟合方程见表 2 12 2 0 1 p AA A t t 1 式中 1 A 2 A为待定参数 p为指数 0 t为 50 时t的值 膨胀土膨胀时程规律可分为 3 个阶段 膨胀 率随时间呈缓慢增长 1 凹曲线 阶段 浸水发生 后短暂时间内 约10 min 膨胀随时间呈缓慢增长 关系 快速增长 2 斜直线 阶段 浸水后2 h 内膨胀变形快速增长 可以基本完成膨胀量的80 90 膨胀随时间呈线性增长关系 稳定增长 3 平直线 阶段 土样在较长时间内发生缓慢膨胀 272 岩 土 力 学 2010 年 变形 历时较长 表表 2 Does Response 模型拟合胀缩规律方程模型拟合胀缩规律方程 Table 2 Fitting equations of expansion and contraction by Does Response model 类型 含水率 干密度 g cm3 拟合结果 1 5 1 015 77 19 307 97 19 586 22 1 12 106 29t 1 6 1 130 88 22 340 6 22 475 99 1 32 251 94t 膨胀 变形 13 5 1 7 0 873 83 28 482 96 28 948 69 1 60 789 23t 1 5 1 770 64 1 080 88 1 091 52 1 4 967 68t 1 6 2 032 16 1 062 39 1 100 69 1 5 497 63t 径向收 缩变形 14 0 1 7 1 861 6 0 984 12 0 980 32 1 5 377 63t 膨胀土浸水膨胀随初始含水率变化的变形规 律如图 2 所示 由图可见 试样膨胀率与初始含水 率呈线性减小关系 随着上覆压力的增加 这种线 性减小的关系越来越不明显 可见试样上覆压力对 膨胀土膨胀具有显著的抑制作用 所以工程施工中 较常采用重力形式的防护方案抑制膨胀土膨胀变 形 图 2 中 直线斜率即为试样膨胀系数 其物理 意义是膨胀土增加单位含水率时所减小的膨胀率 是不随含水率变化而变化的 对于某一种膨胀土是 定值 膨胀系数越大 含有的膨胀性物质越多 颗 粒间连接越弱 相同含水率时的膨胀土膨胀变形越 大 图图 2 初始干密度为初始干密度为 1 6 g cm3试样膨胀率随试样膨胀率随 初始初始含水含水率率的变化规律的变化规律 Fig 2 Swelling ratio rules of samples with initial dry intensity of 1 6 g cm3 with initial water content increasing 已有研究成果 8 10 表明 膨胀土浸水最终膨胀 率 与初始上覆压力 P 初始干密度 d 初始含水 率 w 成线性关系 采用式 2 对蒙自重塑膨胀土 浸水试验数据进行三元线性回归拟合 结果见式 3 d abcdPw 2 0 142 221 075 60 61311 494 5 d Pw 3 各地区膨胀土浸水变形规律差异较大 主要原 因是不同地区膨胀土成因类型 矿物成分 化学特 征等差异 以及室内试样制备及仪器误差所致 膨 胀土矿物成分 化学特征及成因是其浸水膨胀变形 的内因 而膨胀土起始状态是影响其变形的外因 且从膨胀变形影响程度上排序依次为初始上覆压 力 初始含水率 初始干密度 一般说来 上覆压 力较小 初始含水率较低 初始干密度较大 含水 率变化较大的情况下 膨胀土的膨胀变形量较大 3 2 收缩收缩变形变形时程规律时程规律 膨胀土含水率减小 土体将发生收缩变形 收 缩变形将导致地基发生收缩沉降 土体自重压力及 附加压力对膨胀土的膨胀变形起着抑制的作用 直 接影响着膨胀变形的过程和结果 但对收缩变形的 结果影响不大 只能加快收缩变形过程的速度 11 以初始含水率 14 0 的膨胀土收缩试样为例 由图 3 可见 随水分逐渐蒸发 试样收缩逐渐稳 定 起始阶段水分蒸发较快 后逐渐趋于稳定 土 样收缩亦是开始阶段较快 后逐渐稳定 由于受室 内温度 湿度影响 当试样含水率达到 5 左右时 试样线缩率出现波动 即试样吸水 蒸发处于动态 平衡阶段 此时试样已接近缩限 横向 径向 初始收缩率增加较快 后逐渐稳定 最终横向收缩 率低于竖向收缩率 随试样失水收缩 试样体变 逐渐增大 其变化率逐渐变小 最后趋于稳定 试 样初始含水率越高 其体变越大 试样体变量分式 为 ar 2VV 4 式中 a r 分别为竖向与径向应变 计算的体变 值与利用实际尺寸计算的体变值相差不大 12 同一 含水率 不同干密度试样 体变相差不大 干密度 对试样体变影响较小 图 4 为线缩率与初始含水率的关系 图中密度 分试样的径向高度方面的密度变化 2 种 由图可见 试样线缩率与初始含水率呈线性增长关系 初始含 水率越大 试样线缩率越大 线缩率变化越快 收 缩越明显 各向异性越强 虽然试样干密度不同 但线缩率和含水率基本呈线性关系 可见试样线缩 率与干密度无直接关系 相同含水率 不同干密度 增刊 2 李志清等 膨胀土胀缩变形规律与灾害机制研究 273 对应不同饱和度 可见线缩率与饱和度亦无直接关 系 图 4 中直线斜率即为试样收缩系数 其物理意 义是膨胀土失去单位含水率时增长的收缩率 是不 随含水率变化而变化的 对于某一种膨胀土是定值 收缩系数越大 含有的膨胀性物质越多 颗粒间连 接越弱 相同含水率时的膨胀土收缩变形越大 一 般膨胀系数与收缩系数并不相等 但膨胀系数越大 收缩系数亦越大 二者由膨胀土自身物质组成 微 结构特征及上覆压力等因素决定 a 线缩率随时间变化曲线 b 含水率随时间变化曲线 c 体缩率随时间变化曲线 图图 3 初始初始含水率含水率 14 0 的膨胀土收缩曲线的膨胀土收缩曲线 Fig 3 Shrinkage curves of expansive soil with water content of 14 0 由图 5 可知 试样失水收缩开始阶段 横向与 竖向线缩率比值 R 值较大 横向与竖向线缩率差别 较大 即表现出较强的各向异性较大 随水分的继 续蒸发 R 值逐渐减小 竖向与横向线缩率逐渐靠 拢 各向异性程度减小 逐渐稳定在相近水平 试 样收缩后的 R 值与干密度无直接联系 收缩完毕后 的 R 值与初始含水率关系呈曲线变化 即存在一个 点为曲线的最佳初始含水率和最小 R 值点 该含水 率的试样 其收缩后的各向异性最小 图图 4 线缩率与初始线缩率与初始含水率含水率关系关系 Fig 4 Relationships between linear shrinkage ratio and initial water content a 含水率 14 0 试样 R 值随时间变化 b R 值随初始含水率变化曲线 图图 5 线缩率比值变化曲线线缩率比值变化曲线 单位单位 g cm3 Fig 5 Linear shrinkage ratio variation curves unit g cm3 3 3 胀缩特性对比胀缩特性对比 研究膨胀土胀缩变形时程规律与滑坡灾害密 274 岩 土 力 学 2010 年 切相关 具有很大的现实意义 膨胀土吸水膨胀失 水收缩 其胀缩速率关系到一定时间内土体强度衰 减程度 影响到灾害防治中的施工程序与施工方式 在灾害治理中要尽量加强排水 减小土体含水率变 化 控制胀缩速率 做到及时防护 8 10 应用 Does Response 模型拟合含水率 13 5 的 膨胀土试样自由膨胀时程曲线和含水率 14 0 试样 径向收缩时程曲线 如图 6 所示 拟合方程见表 2 由图可见 膨胀曲线与收缩曲线在整体变形规律上 具有相似性 都随时间呈 S 型增大趋势 可以用同 一个数学模型拟合变形曲线 实现定量化研究 胀 缩变形随时间变化曲线均呈缓慢增长 1 凹弧线 快速增长 2 斜直线 稳定增长 3 平直线 3 个阶段 3 个阶段所持续的时间及发生的胀缩率有 很大差异 而且相似状态下试样吸水膨胀率远大于 失水收缩率 可见重塑膨胀土的胀缩变形并不是完 全可逆的 膨胀土土体内部含水率发生 1 0 的变 化 13 将会引起膨胀土工程性质的显著变化 发生 路基胀缩变形及失稳等事故几率明显增加 蒙自膨 胀土胀缩时程规律对蒙自膨胀土地区及土性指标与 其相近的其他膨胀土地区的工程建设具有重要的指 导意义 a 含水率 13 5 膨胀曲线 半对数 b 含水率 14 0 径向收缩曲线 半对数 图图 6 Does Response 模型拟合曲线模型拟合曲线 Fig 6 Fitting curves of Does Response model 4 蒙自膨胀土胀缩机制微观解释 许多研究学者对膨胀土胀缩机制提出了各式 各样的理论与求解方法 14 15 对于膨胀土浸水膨胀 而言 水分子不断包裹晶层或土颗粒 水膜厚度不 断增加 水膜张力逐渐减小 当不能承受上部土颗 粒重力及外力作用时 即发生水膜崩解 流动 水 分子在土体内部流动 崩解的水膜接受补给水分子 实现水膜再造 然后再崩解 再流动 直到水膜厚 度达到一个阈值 实现动态平衡为止 水膜以各种 作用力的方式和矿物颗粒或土颗粒相互联结 土体 中含有的细小颗粒越多 比表面积越大 吸水能力 越强 水分能够自由出入土体 主要是由于土体内 部溶液与水溶液之间存在溶度差 即渗透压力 水 分子克服水溶液引力楔入晶层内部 由自由水变为 结合水 晶体发生晶层膨胀 以降低高浓度区粒子 浓度并提高低浓度区粒子浓度 直到土体内外浓度 平衡或土体内部水膜厚度达到一定程度为止 膨胀土收缩主要是由于土中非结合水不断蒸 发 使得水膜厚度变小 体积发生收缩所致 在一 定温度与湿度条件下 当空气中水分与土颗粒或矿 物中结合水达到动态平衡后土体收缩变形即停止 膨胀土扫描电子显微图像见图 7 a 500 倍 b 2 000 倍 图图 7 膨胀土扫描显微图像膨胀土扫描显微图像 Fig 7 The scanning microscopy images of expansive soil 增刊 2 李志清等 膨胀土胀缩变形规律与灾害机制研究 275 试样微结构单元是以片状颗粒和扁平状聚集 体颗粒为主 并有明显的弯曲和卷曲片状颗粒 这 种架空 密集排列的方式反映了土体高孔隙的特 点 该地区膨胀土微结构特征是以封闭式絮凝结构 为主 局部有定向排列 紊流结构或胶黏式结构 膨胀土中除含有的蒙脱石晶体发生晶层间变化和颗 粒间距变化外 土中发育的微孔隙 裂隙结构为胀 缩变形提供了空间 为吸水与失水提供了便利的通 道 从微孔隙扩展为裂隙 进而形成滑裂面 导致 灾害的发生 水分子沿微裂隙通道渗入土体 楔入 土颗粒之间或晶层之间 蒙脱石晶体吸水发生晶层 膨胀与离子交换 土颗粒吸水后被水分子包围 水 膜厚度不断增加 蒙自膨胀土含有的大量细小黏土 颗粒与较强的蒙脱石晶体矿物及显著的微结构特征 是其产生强烈胀缩现象的内因与本质 5 结 论 1 Does Response 对数模型能较好地模拟膨 胀土浸水膨胀与失水收缩时程规律 并得出定量关 系 膨胀土胀缩时程曲线呈 S 型变化规律 2 膨胀土胀缩变形与其矿物成分 化学特 征及成因类型密切相关 可以通过量测膨胀土初始 状态 即初始含水率 初始干密度 上覆压力与胀 缩变形的关系 研究膨胀土的变形规律 3 蒙自膨胀土胀缩变形差异较大 相似状 态下试样吸水膨胀率远大于失水收缩率 膨胀系数 越大 收缩系数亦越大 可见重塑膨胀土的胀缩变 形并不是完全可逆的 膨胀土膨胀系数与收缩系数 是不随含水率变化而变化的 对于某一种膨胀土是 定值 胀缩系数越大 含有的膨胀性物质越多 颗 粒间连接越弱 相同含水率时的膨胀土胀缩变形越 大 并表现出较强的各向异性 二者由膨胀土自身 物质组成 微结构特征及上覆压力等因素决定 4 蒙自膨胀土微结构特征是以封闭式絮凝 结构为主 局部有定向排列 紊流结构或胶黏式结 构 蒙自膨胀土含有的大量细小黏土颗粒与较强的 蒙脱石晶体矿物及显著的微结构特征是其产生强烈 胀缩变形灾害的内因与本质 而土中发育的微孔隙 裂隙结构为吸水与失水提供了便利的通道 是其发 生胀缩变形灾害的外因 参参 考考 文文 献献 1 漆宝瑞 秦小林 膨胀土的膨胀系数 收缩系数求解及 应用 J 铁道标准设计 2005 6 11 13 QI Bao rui QIN Xiao lin Derivation and application on expansion coefficient and contraction J Railway Standard Design 2005 6 11 13 2 兰常玉 膨胀土失水收缩时收缩压的变化规律 J 科 学技术与工程 2006 22 6 3650 3652 LAN Chang yu The change rules of shrinkage pressure for expansive soil in the condition of water loss J Science Technology and Engineering 2006 22 6 3650 3652 3 林玉山 膨胀土胀缩性评价中的有关问题研究 J 工 程地质学报 1998 6 3 264 268 LIN Yu shan Some problems in assessment of swelling and shrinkage potential of expansive c