淠史杭灌区膨胀土干湿循环效应的特性研究

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摘要： 膨胀土性质极不稳定，常常使建筑物产生不均匀的胀缩变形，是一种典型的工程灾害性地质土。通过模拟土体季节性的涨缩，测试其液、塑限，自由膨胀率，抗剪强度和无侧限抗压强度，以探讨干湿循环效应对膨胀土强度的影响。结果表明，干湿循环对于建于膨胀土上的土木工程建筑物、构筑物的稳定性和抗裂性有很大影响。对建于膨胀土上的公路、铁路等建筑物应引起足够的重视，必要时应对膨胀土进行处理。同时，所得的数据可以为此区域内工程提供参考。

关键词： 膨胀土；干湿循环效应；抗剪强度；无侧限抗压强度

中图分类号：TU44 文献标识码：A 文章编号：

1绪论

膨胀土是一种对环境湿度变化敏感，由强亲水性矿物蒙脱石和伊利石等组成，具有多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性的高塑性粘土。其中膨胀土由于含水量的不同导致的膨胀与收缩的可逆性是其重要属性[1]。关于膨胀土较早的研究多集中于对其基本物理化学性质、变形特性及治理等方面，大部分不考虑多次涨缩对其影响。但在许多膨胀土分布地区，由于季节变化，其气候特征存在较明显的干湿循环。这种干湿循环对膨胀土的胀缩特性有较大影响，导致许多工程初期使用时并未发生破坏，但经过一定时间后却出现破坏。近年来，对于干湿循环的研究越来越受到国内研究的重视[5-9]。

2膨胀土的物理力学性质

根据钻探、土工试验报告、原位测试结果资料综合分析，取土地点地层自上而下分为：

层耕（填）土（Qml）—层厚0.5~3.9m，层底标高为48.45~57.81m。褐灰、灰、灰黄、褐色、黄灰色。含碎石、有机质，少量生活垃圾、植物根

等，软塑~可塑状态。

层粉质粘土（粘土）（）：层厚0.00~2.50m，层底标高47.34~50.51m。呈透镜体状不均匀地主要分布于场地中段的部分地段。黄灰、黄褐、灰黄色，含氧化铁，少量粉砂等，可塑状态，稍光滑干强度、韧性中等，无摇振反应。

1层粘土（粉质粘土）（）：层厚0.00~3.90m，层底标高45.50~53.82m。呈透镜体状不均匀地主要分布于场地中部低洼处。灰黄、黄褐色，含氧化铁、铁锰结核等，可塑~硬塑状态，光滑，干强度、韧性高，无摇振反应。

2层粘土（）：层厚6.00~19.30m，层底标高29.91~42.91m。灰黄、黄褐、褐黄色。含氧化铁、铁锰结核等，可塑~硬塑状态，光滑，干强度、韧性高，无摇振反应。其静力触探比贯入阻力Ps值一般为2.6~6.5MPa，平均值为5.26MPa。

对素土样进行含水率，液限，塑限，自由膨胀率，抗剪试验和无侧限抗压强度试验，测量结果见表2.1：

表2.1物理性质指标

3干湿循环效应的物理力学性质

3.1 制备试样及干湿循环

（1）将原状样烘干碾碎，过2mm筛，再次烘干，将水均匀喷洒于土样上，焖料24h，使土中含水量均匀，测得土样最终含水量ω0=18.5%。

（2）根据环刀容积及所要求的干密度

（d=1.66g/cm3），按式（3-1）计算制备试样所需湿土的质量

（3-1）

式中m0—制备试样所需的湿土的质量（g）；

ω0—最终含水率（%）；

d—试样所要求的干密度（g/cm3）；

V —试样体积（cm3）。

（3）将称好的根据（3-1）计算得到的湿土土样，用击实方法均匀地压入环刀内。

（4）试验设计共进行5次干湿循环，备样工作6组，每组4个，共计24个。

3.2 物理力学性质研究

将不同干湿循环次数的样品分别进行液、塑限和自由膨胀率，抗剪强度测量测量结果见表3.1：

表3.15次干湿循环后的膨胀土的物理性质指标

经整理后得膨胀土的物理性质、力学性质与干湿循环次数关系见图3.1和图3.2，图3.3：

图3.1干湿循环对膨胀土物理性质指标的影响

由图3.1可以看出，随着循环次数的增加，该地区膨胀土的液限随循环次数的增大而增大，呈现出缓慢上升的趋势。土的液限与土颗粒表面所吸

附的双电层中的扩散层中的水多少有关，主要受土粒粒径或比表面积的大小的影响[10]。分析其原因，主要是因为随着循环次数的增加，膨胀土裂隙数量增多，土颗粒粒径减小，比表面积增大。细粒含量，尤其是粘粒含量增多所导致。

而该膨胀土的塑限却随着循环次数的增大而减小，呈现出缓慢下降的趋势。分析原因，主要是因为随着循环次数的增加，粘粒含量增多，粉粒含量降低所致。

图3.2剪切强度与垂直压力关系曲线

图3.3干湿循环对膨胀土抗剪强度的影响

根据图3.2、图3.3可以看出，土体抗剪强度随干湿循环次数增加在不断衰减，特别是前期凝聚力c变化较大，分析原因是由于土样突然烘干和加水，使得土样本身结构受到大的破坏而致，宏观表现为土样出现大裂缝，其中可能存在贯通面。随着循环次数的增加，裂缝逐渐由大变微，逐渐恢复均匀，凝聚力c减小趋势逐渐变缓。而内摩擦角φ的大小围绕这一个平均值上下跳动，大小范围变化并不是很明显。

4干湿循环效应的无侧限抗压强度性质研究

4.1 制备试样及干湿循环

（1）将原状样烘干碾碎，过2mm筛，再次烘干，将水均匀喷洒于土样上，焖料24h，使土中含水量均匀，测得土样最终含水量ω0=18.5%。

（2）根据击样器容积（d=5cm,h=15cm）及所要求的干密度（d=1.66g/cm3），按式（4-1）计算制备试样所需湿土的质量

（4-1）

式中m0—制备试样所需的湿土的质量（g）；

ω0—最终含水率（%）；

d—试样所要求的干密度（g/cm3）；

V —试样体积（cm3）。

（3）将称好的根据式（4-1）计算得到的湿土土样，用击实方法均匀地压入击样器内，试样的直径与高度分别是5cm和5cm。

（4）试验设计共进行5次干湿循环，备样工作6组，每组1个，共计6个。

4.2 无侧限抗压强度性质研究

将不同干湿循环次数的试样，分别进行无侧限抗压强度试验，记录试验数据如表4.1：

表4.15次干湿循环后试样的无侧限抗压强度

关系曲线如图4.1 所示：

图4.1 干湿循环后膨胀土无侧限抗压强度的影响

分析图4.1可以看出，土体的无侧限抗压强度随着循环次数的增加而不断降低。但降低速率却随

着循环次数的增加而逐渐减小。由于循环的影响，土体内的团块逐渐破坏，导致其凝聚力降低，无侧限抗压强度也随着降低。

5结论

本次试验的主要结论是：

（1）经过干湿循环后膨胀土的液限和自由膨胀率少量增加，塑限略微降低，但幅度都不是很大。主要是因为随着干湿循环的进行，土样中的粘粒含量增加，粉粒含量降低导致。

（2）随着循环次数的增加，土的抗剪强度明显降低，主要是由于干湿循环破坏了土体内原有结构，裂缝增加、粘粒增多、粉粒减小，使得凝聚力减小，尤其是前两次干湿循环后，而后减小速率随循环次数的增多而减小。说明膨胀土的凝聚力受干湿循环效应的影响较大，随季节反复而不断衰减，在工程中不应该被忽视。

（3）经过数次干湿循环后，膨胀土的无侧限抗压强度随着循环次数逐渐衰减，而衰减速率逐渐减小。这个结果与土体凝聚力变化基本一致。也说明微观与宏观的结果基本一致。说明季节性干湿循环后，膨胀土的工程性质受到明显影响，对工程建设影响很大。

参考文献

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[9] Robert W Day．Swel1．shrink behavior of comDacted clay [J]．Journal of Geoteehnical Engineering，1994， 120 (3)：618—623

[10] Mitchell J K, Fundamentals of Soil Behavior [M], New York: Wiley & Sons, 1993.