考虑初始状态影响的膨胀土一维膨胀特性研究

　　摘要：以南阳中膨胀土为研究对象，通过室内一维膨胀特性试验和土水特性试验探究不同初始状态(包括吸力、含水率和干密度等)影响下非饱和重塑土膨胀率或膨胀力的演化规律。试验结果表明，在不同初始含水率下，无荷膨胀率与初始吸力呈幂函数关系，且与初始干密度无关;膨胀力随初始干密度的增加呈幂函数增大，而膨胀力随初始含水率的增加却是先增大后减小;膨胀力与初始干密度和最终吸水量均呈幂函数关系，给出初始干密度-最终吸水量-膨胀力的三变量模型;构建了全吸力范围内初始含水率-初始干密度-初始吸力-膨胀力的统一模型;本文所提模型不仅参数少，方程左右量纲统一，且与试验数据具有良好的一致性，便于工程应用。研究结果为非饱和南阳膨胀土的膨胀特性和土水特性分析提供了可靠的理论方法。

　　关键词：膨胀土;膨胀特性;土水特性;初始状态;模型

　　0引言

　　在边坡工程中，地下水位上升或降雨可引起边坡隆起变形和吸力降低，从而降低其稳定性;在膨胀土 支档结构中，挡土墙墙后膨胀土因吸湿膨胀受限对墙背产生较大的水平膨胀力，对挡土墙的稳定性有不可忽视的作用[1]。膨胀土膨胀特性的相关研究主要集中在膨胀变形(如膨胀率)与膨胀力两个方面。不少学者研究了不同初始条件下(如初始含水率和初始干密度[2]、矿物成分[3]、盐溶液[4]等。)膨胀率或膨胀力的变化规律并提出相应的预测模型。一些学者还将吸力的变化引入到膨胀土变形及强度特性的研究中[5,6]。

　　初始含水率和和初始干密度是影响膨胀特性的主要外部因素之一[2]，下文提到的主要外部因素仅涉及这两个因素。非饱和膨胀土的吸力与膨胀特性密切相关，一方面，基质吸力由毛细力和吸附力(受库仑力、氢键力和范德华力等影响)组成，而膨胀力由晶层膨胀力、双电层膨胀力和水合力(分别受库仑力和范德华力、渗透压力和氢键力等影响)组成[7]。另一方面，在非饱和膨胀岩吸湿过程中，随着初始含水率的减小，饱和度的增量变化率较膨胀率的变化更快[8]，这意味着非饱和膨胀土的持水性对其膨胀变形具有一定的影响，而膨胀变形反过来又影响膨胀土的持水性。

　　尽管吸力对膨胀特性具有重要的影响，但将其与含水率、干密度一起作为初始状态分析非饱和土膨胀土膨胀特性的系统性研究并不多见。 基于南阳中膨胀土在初始含水率和初始干密度影响下膨胀率的研究结果[9]，本文将侧重于这两种影响因素下膨胀力的试验研究，并结合土水特性试验分析这两种因素影响下膨胀率随初始吸力的演化规律，探究膨胀力随不同影响因素的演化规律，建立初始含水率-初始干密度-初始吸力-膨胀力四者关系的统一模型、常初始含水率下初始干密度-初始吸力-膨胀力的关系模型以及常初始干密度下初始含水率-初始吸力膨胀力的关系模型，从而为构建非饱和膨胀土的本构模型及相关工程实践提供参考。

　　1试验方案

　　试验所用膨胀土样取自南水北调工程中线工程南阳试验段，属于中膨胀土，其基本物理力学指标如下：比重2.71，液限66.38%，塑限23.15%，自由膨胀率70%，最大干密度1.82g/cm3，最优含水率16.7%。土样经过碾碎、风干并过2mm筛，根据不同的设定含水率配置湿土样并密封静置至少24h，通过击样法完成环刀样(直径61.8mm，高度20mm)的制作。为了研究南阳中膨胀土在不同初始含水率或干密度下的膨胀特性和土水特性。

　　其中，d0为试样初始干密度，d0=1.401.60g/cm3表示d0分别取1.40、1.45、1.50、1.55和1.60g/cm3;w0为试样初始含水率，w0=1222%表示w0分别取12%、14%、16%、18%、20%和22%;对于无荷膨胀力试验，实测w0的平均值分别为：11.11%、13.57%、16.16%、17.23%和18.99%。对于SWCC试验，采用真空抽气饱和试样，吸力施加的顺序依次为：50、100、200、390、678、980、1280kPa，以排水量连续72h小于0.01g作为吸力平衡的标准。

　　2试验结果及讨论

　　2.1初始吸力与膨胀率的关系

　　其中s是基质吸力(kPa)，w是重力含水率。可见，在低吸力范围内，SWCC随着初始干密度的增加逐渐下移，且脱湿速率不断减小;在较高吸力范围内(超过500kPa)，SWCC几乎不受初始干密度的影响。

　　2.2膨胀力与主要外部因素的关系

　　在初始含水率一定时，膨胀力随初始干密度的增加而单调增大。这是因为当制样体积一定时，单位体积试样中蒙脱石含量随初始干密度的增加而增大。

　　此外，随着初始干密度的增加，晶层间距减小，微观膨胀力(由晶格膨胀力、双电层膨胀力和水合力组成)不断地增大，最终试样表现的宏观膨胀力增大。当初始干密度一定时，膨胀力随初始含水率的变化规律并非是单调的：1)初始干密度较小时，膨胀力基本不受初始含水率的影响;2)初始干密度较大时，膨胀力随初始含水率的增加先增大到峰值，后逐渐减小。这与文献[14]的结论是一致的。

　　当试样初始干密度较小时，晶层间距较大，在不同初始含水率下微观膨胀力均较小，因此试样表现的宏观膨胀力较小，且几乎与初始含水率无关。当试样初始干密度较大时，晶层间距较小，膨胀土表现的宏观膨胀力较大，但明显受初始含水率的影响。随着初始含水率的增加，弱结合水膜的厚度变大，当土中含有较多的弱结合水时，土体往往表现为高塑性和易胀缩性等特点，因此宏观膨胀力在增大;当初始含水率超过一定值时，弱结合水膜的厚度不再变大，此时宏观膨胀力最大;随着初始含水率的继续增加，土颗粒集聚体间在外力作用下发生相对滑动而使试样的孔隙结构发生变化[15]，导致宏观膨胀力逐渐减少。

　　工程论文投稿刊物：岩土工程学报是中国水利学会、中国土木工程学会、中国力学学会、中国建筑学会、中国水力发电工程学会、中国振动工程学会联合主办的1979年创刊的期刊，已经成为水利、土木工程、力学等领域的核心期刊。

　　3结论

　　本文对非饱和南阳中膨胀土的重塑样进行不同初始条件下的室内膨胀特性试验和土水特性试验，研究初始含水率、初始干密度和初始吸力与膨胀特性的关系，主要结论如下：

　　(1)在一定初始含水率范围内，非饱和膨胀土的初始吸力与无荷最大膨胀率呈幂函数关系，且与初始干密度无关。

　　(2)当初始含水率一定时，膨胀力随初始干密度的增加而单调地增大;当初始干密度一定时，膨胀力随初始含水率的变化规律并非是单调的，当初始干密度较小时，膨胀力基本不受初始含水率的影响，随着初始干密度的增大，膨胀力随初始含水率的增加先增大后减小。

　　(3)膨胀力随试样最终吸水量(或含水率增量)的变化是单调的。当初始含水率一定时，膨胀力随试样最终吸水量的减少而增加;当初始干密度一定时，试样最终吸水量随初始含水率的增加而减小。在不同初始含水率下，膨胀力与初始干密度(或压实度)、最终吸水量均呈幂函数关系，由此建立的初始干密度最终吸水量-膨胀力的函数关系与试验数据具有良好的一致性。

　　(4)为定量描述非饱和膨胀土样在不同初始状态(干密度、含水率和吸力等)下膨胀力的变化规律，建立了初始干密度-初始含水率-初始吸力-膨胀力或初始饱和度-压实度-初始吸力-膨胀力的多元函数关系，所提模型不仅具有良好的可靠度，而且适用于全吸力范围。

　　(5)当初始含水率和初始干密度一定时，基于该多元函数，分别构建了初始干密度(或压实度)-初始吸力-膨胀力、初始含水率-初始吸力-膨胀力的函数关系，前者是考虑残余膨胀力的连续函数，后者是考虑饱和及非饱和状态的分段函数，它们与相应的试验数据均具有良好的一致性，这为研究非饱和膨胀土的强度和变形特性提供了理论依据。

　　参考文献

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　　[5]石北啸,陈生水,韩华强,等.考虑吸力变化的膨胀土边坡破坏规律分析[J].水利学报,2014,45(12):1499-1506.(SHIBei-xiao,CHENSheng-shui,HANHua-qiang,etal.Failurelawoftheexpansivesoilslopeconsideringthesuctionchanges[J].ShuiLiXueBao,2014,45(12):1499-1506.(inChinese))

　　作者：叶云雪1,2，邹维列2,韩仲2*，谢鹏3，张俊峰4，徐永福5

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