初始干密度、含水率对无荷膨胀率影响试验

 为了研究娄益高速路基膨胀土的初始干密度、含水率与无荷膨胀率之间的关系,进行了膨胀土的室内无荷膨胀率试验。结果表明在初始含水率一定时,娄益高速路基膨胀土的无荷膨胀率会随干密度的增大而增大;在干密度一定时,无荷膨胀率随含水率的增大而减小。根据结果建立了娄益高速路基膨胀土的无荷膨胀模型和时间函数模型,并给出了针对娄益高速路基膨胀土的模型参数。 
  关键词膨胀土;无荷膨胀率;初始含水率;干密度 
  中图分类号U416.1文献标志码B 
  Experimental Study of Impact of Initial Dry Density and Water Content on Free Swell Ratio of Expansive Soil 
  ZENG Juanjuan, WEN Changping, BAI Yinyong, SU Wei 
  (School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China) 
  Abstract In order to study the relationship between the initial dry density, water content and free swell ratio, the indoor test on free swell ratio of expansive soil in the subgrade of Louyi expressway was carried out. The results show that when the initial water content is constant, the free swell ratio of expansive soil will increase with the increase of dry density; when the dry density is constant, the free swell ratio diminishes with the increase of water content. The free swell model and time function model were established for the expansive soil in the subgrade of Louyi expressway based on the results, and the model parameters were given. 
  Key words expansive soil; free swell ratio; initial water content; dry density
  0引言 
  膨胀土由亲水黏性矿物组成,形成于天然地质过程中,具有突出的吸水膨胀和失水收缩特性的黏性土14。随着中国基础设施建设的快速发展,由膨胀土的胀缩特性,尤其是膨胀变形特性所引发的工程实际问题日益增多511。其中,膨脹土在无荷条件下的膨胀变形问题更是工程实际中关注的热点。 
  国内外学者通过对膨胀土进行无荷膨胀试验1214,研究了膨胀土无荷膨胀特性,且已取得了诸多成果。在对南阳中膨胀土进行试验后,饶锡保等15得到当含水率大于最优含水率可以有效抑制膨胀土的膨胀。张婷等16采用击实样进行试验,研究了压实度、上覆荷载、初始含水率和膨胀特性的之间关系。Poulos H G等用线性函数拟合了无荷状态下膨胀土的膨胀变化过程。黄斌等17建立了膨胀土的膨胀率与初始含水率、压实度、上覆荷载之间的膨胀率公式。章为民等18提出了关于初始干密度、初始含水量、上覆荷载对膨胀变形的综合影响的膨胀模型。谭罗荣等19用公式描述膨胀压力p在50 kPa下的膨胀率、含水量、干密度及饱和度的关系。以上这些研究主是针对膨胀土膨胀特性与物理指标之间关系开展的,并没有提出初始干密度、初始含水率与无荷膨胀率的膨胀模型。且专门针对膨胀土无荷膨胀率与初始干密度、初始含水率影响试验研究仍是空白。 
  本文通过对湖南省娄底至益阳高速公路路基膨胀土进行室内无荷膨胀特性的试验研究,得到影响膨胀率的各因素,建立膨胀土的膨胀模型,该模型可反映初始干密度、初始含水率对无荷膨胀率的综合影响。同时本文建立了膨胀土的时间函数模型。 
  1试验土样与试验方法 
  1.1试验土样 
  试验对象土取自娄益高速公路,取样深度为5 m,块状、呈灰白色,其物理性质指标如表1所示。根据《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)可以判别该膨胀土为中膨胀土。 
  当初始含水率一定时,膨胀土的无荷膨胀率随着干密度的增加呈上升趋势,如图2所示。增大干密度反而会增大无荷膨胀量或积蓄更多的膨胀潜势能。从中还可以发现当初始含水率较低时,曲线变化幅度较陡,无荷膨胀率快速增加;随着初始含水率的增加,曲线变化幅度趋于平缓,无荷膨胀率缓慢增加。 
  研究表明增大初始含水率可抑制无荷膨胀率;增大初始干密度可以促进无荷膨胀率。这是由于膨胀土中蒙脱石矿物较多,小于0002 mm的黏粒占较多比重,遇水显示出强烈的胀缩性,从而增大初始含水率恰好可以提前释放其膨胀潜势能,在制作试样过程中,初始含水率越大,焖料24 h后使膨胀土颗粒充分吸水膨胀,土颗粒逐渐达到饱和,残留的膨胀潜势能较小,因此随着初始含水率的增加,无荷膨胀率变化反而减小。增大初始干密度可以增加蒙脱石矿物,增加亲水矿物,因此随着初始干密度的增加,无荷膨胀率增加。
 2.3膨胀土的无荷膨胀模型 
  通过查阅已有文献资料发现,对无荷膨胀率的研究中所考虑的影响因素不是单一的。试验表明在同一干密度下,娄益高速膨胀土的无荷膨胀率与初始含水率呈良好的线性关系;同一含水率下,娄益高速膨胀土的无荷膨胀率与初始干密度也呈现良好的线性关系。因此,可以将初始含水率、初始干密度对无荷膨胀率的影响关系表示为 
  δ=aω0+bρ0+c(2) 
  式中a、b、c均为与土种类相关的系数;ω0为初始含水率(%);ρ0为初始干密度(g·cm-3)。 
  根据式(2)所提出的无荷膨胀率计算方程,再利用实测的娄益膨胀土无荷膨胀率数据,基于MATLAB的多元拟合功能,娄益膨胀土无荷膨胀率可修正为 
  δ=10.298ω0-81.665ρ0+8.501 3 
  R2=0.933 2(3) 
  将无荷膨胀率试验数据和拟合结果进行比较分析,结果如图3所示。 
  最终的拟合结果中,调整后的决定系数达到了0.933 2。且从图3看出试验数据点大部分都落在拟合平面上。由此可知,所建立的计算模型是符合实际情况的。 
  2.4初始含水率及初始干密度对膨胀时程的影响 
  以干密度为1.4、1.5、1.6、1.7、1.8 g·cm-3在不同初始含水率条件下的土样进行试验。探究不同初始含水率及不同干密度对娄益膨胀土膨胀时程的影(1)初始阶段膨胀土试样体积迅速膨胀,测得的无荷膨胀率增大,且增长速度快而明显,之后无荷膨胀率增长速度变缓慢。分析原因可知,初始阶段膨胀土中亲水矿物吸水中离子较多,从而使土颗粒之间的距离增大,之后膨脹土中空隙慢慢被水分充满,试样吸水速率变小,无荷膨胀率增长幅度趋于平缓,达到稳定状态。 
  (2)分析曲线可以明显的观察到无荷膨胀过程的3个阶段(快速膨胀阶段、减速膨胀阶段和稳定阶段)。初始含水率越小,这3个阶段越明显,尤其是加速膨胀阶段。随着初始含水率的增加,无荷膨胀率曲线趋于平缓,无荷膨胀的3个阶段渐渐没有那么明显。 
  (3)土样无荷膨胀基本达到稳定的时间受到初始含水率的影响。试验结果表明干密度为14、15、16、17、18 g·cm-3的试样在24 h后基本达到稳定阶段,其无荷膨胀量占总膨胀量的80%以上。而含水率为29%的试样在24 h后,其无荷膨胀量占总膨胀量分别为785%、77.3%、75.3%、67.2%、66%,都小于80%,在48 h后才能基本达到稳定阶段。 
  2.5无荷膨胀率与时间公式的建立 
  可知无荷膨胀率随时间变化的关系曲线可知,无荷膨胀率随时间的增长逐渐增大,最终达到稳定,采用半对数函数拟合,所得的回归方程为 
  δ=aln t+b(4) 
  式中a、b(a>0,b>0为常数)与土体的初始含水率和初始干密度有关。 
  应用Origin数学软件对娄益高速公路中膨胀土膨胀率随时间变化曲线进行拟合(以ρ=16 g·cm-3为例),拟合曲线见图4(c),可以发现无荷膨胀率和膨胀时间之间的关系可以用拟合曲线很好的表达。因此,在已知含水率情况下,可以用时间函数模型对娄益高速中膨胀土无荷膨胀率与时间的关系进行预测。其中,参数a、b及相关系数见表3。以拟合参数a、b为纵坐标,试样初始含水率为横坐标,可以绘出参数a、b随初始含水率变化的关系图,如图5、6所示。 
  可见,拟合参数a、b与试样初始含水率变化均呈良好线性关系,线性回归方程分别为 
  a=-0.1607ω+4.7931R2=0.970(5) 
  b=-0.2345ω+7.077R2=0.996(6) 
  膨胀土的膨胀率一般受到土的矿物成分、颗粒组成、土体结构的影响,对于同种类型的膨胀土主与初始含水率、干密度及土壤上部荷载等条件相关。通过本次试验,可以发现初始含水率是影响a、b的主因素,a、b值与初始含水率的强相关关系正好验证了这一点。 
  将a、b代入式(4)可得 
  δ=(-0.160 7ω+4.793 1)ln t+ 
  (-0.234 5+7.077)(7) 
  从式(7)可以验证在时间趋于无穷大,初始干密度一定情况下,初始含水率是影响无荷膨胀率的主因素。同时该函数可以作为预测娄益无荷膨胀率随时间的变化情况的依据。 
  3结语 
  (1)在初始含水率一定时,增大干密度反而会增大无荷膨胀量或积蓄更多的膨胀潜势能;在初始干密度一定时,增大含水率能有效地削弱无荷膨胀率。 
  (2)根据无荷膨胀率与初始含水率、初始干密度之间变化规律,建立了娄益膨胀土的无荷膨胀二元计算模型。 
  (3)通过对娄益膨胀土的膨胀时程曲线分析发现,膨胀变形分为3阶段快速膨胀阶段、减速膨胀阶段和稳定阶段。初始含水率是影响无荷膨胀达到稳定的主因素。 
  (4)娄益高速中膨胀土无荷膨胀率与膨胀时间的关系用对数函数拟合,呈强相关关系。其中参数a、b与含水率呈线性负相关关系。 
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