膨胀土的膨胀力及吸水过程的试验研究

GXF360 2018-04-16

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1969年第二次国际膨胀土研究会议期间讨论过膨胀土的定义，认为膨胀土是一种对环境变化特别是对于湿度状态的变化非常敏感的土，其反应是发生膨胀与收缩，在有约束的情况下会产生膨胀压力[1-2]。其吸水膨胀、失水收缩等与一般黏土有所不同的工程性质，给人类工程活动带来了巨大的危害[3-5]。因此国外工程界称它为“隐藏的危害”“难对付的土”“问题多的土”“工程中的癌症”等，国内在膨胀土地区修筑铁路时，也常常是“逢堑必滑，无堤不塌”。

国内膨胀力变化规律研究取得了一系列的成果，但是研究方向主要集中在矿物成分、结构、初始干密度、初始含水率对膨胀力的影响[6-12]。而对膨胀力的形成机理、性质以及膨胀力随时间、吸水量的变化规律少有研究。因此，本文基于膨胀土胀缩机理理论，解释膨胀力的形成机理，分析膨胀力的性质，并通过连续吸水膨胀力试验研究膨胀力随时间和吸水量的变化规律。

1 膨胀力的基本概念

1.1 膨胀力形成机理

膨胀土的胀缩机理十分复杂，比较有代表性的有黏土矿物晶格扩张理论和双电层理论。晶格扩张理论认为，膨胀性黏土矿物(蒙脱石、蛭石)的晶层间存在着水化能力极强的、平衡层间负电荷(来源较远的八面体)的阳离子(钙、镁)。这些阳离子极易水化，水分子进入层间很快地排列形成黏土矿物晶体的一部分，使基本晶层的面间距的高度增加，导致膨胀。双电层理论认为，黏粒表面带有一定量的负电荷，由于静电引力的作用，孔隙水溶液会吸引水中的阳离子到土粒表面。带有负电荷的黏土矿物颗粒表面与吸附的水化阳离子层合起来称为双电层[12-13]。双电层内的离子对水分子具有吸附能力，被吸附的水分子在电场力作用下定向排列，在黏土矿物颗粒的周围形成表面结合水(水化膜)。由于结合水增厚“楔开”土颗粒，从而使固体颗粒之间的距离增大，导致土体膨胀[14]。

上述2种理论都认为，膨胀土胀缩的实质是土中的黏土矿物与水互相作用，形成水膜夹层或结合水(水化膜)。水膜夹层或结合水(水化膜)增厚首先填充土颗粒与土颗粒间的孔隙。当水膜夹层或结合水(水化膜)继续增厚，则会受到周围土颗粒的约束，颗粒之间会形成一种“楔”力(见图1)。

图1 膨胀力及膨胀变形形成机制

当外部约束足够大，膨胀土吸水且保持体积不发生变化时，土颗粒间的“楔”力逐渐累加，并通过土颗粒向外部传递，形成宏观的膨胀力，即恒体积法测量的膨胀力，如图1(a)所示。当外部约束不足以保持膨胀土体积不变，土颗粒间的“楔”力使膨胀土产生膨胀变形，并通过变形使土颗粒间的“楔”力逐渐减小，直至膨胀土的宏观膨胀力和外界约束力相等。这是受部分约束的膨胀变形，如图1(b)所示。当不存在外部约束时，“楔”力使颗粒与颗粒之间或者集聚体与集聚体之间的距离增加，导致膨胀土体积增加，产生自由膨胀变形，如图1(c) 所示。

1.2 膨胀力的性质

在弹性理论中认为凡是能导致物体变形和产生内力的物理因素都称为载荷[15],可分为2大类：第1类载荷如重力、机械力和电磁力，称为外力。它直接施加在物体上引起物体的变形与内力。第2类载荷如温度、中子辐照等物理因素，它直接引起物体变形，仅当变形受到约束(物体内部自身的约束或外部约束)时才产生。

从膨胀力的形成机理分析可知，膨胀土胀缩的实质是土中水与黏土矿物互相作用，自由水渗入矿物颗粒转化为结合水或水化膜厚度变化的过程，是土颗粒骨架吸附水分子以后的宏观现象。当结合水或水化膜增厚到一定程度时，颗粒之间会形成一种“楔”力。这种 “楔”力使颗粒与颗粒之间或者集聚体与集聚体之间的距离增加，导致膨胀土体积增加。综上可见，只有当水膜增厚受到阻止时，才会产生“楔”力。在整个过程中，吸水量的变化直接引起了膨胀土的变形，当变形受到约束时才会产生膨胀力，当没有外部约束时，则不会产生膨胀力。故膨胀力属于第2类荷载。

1.3 定义膨胀力

国内外众多学者认为，膨胀力是指膨胀土含水率增加而保持体积不变产生的力，它随含水率的变化而变化。从图1受部分约束的膨胀变形形成机制的分析中可以看出，膨胀土吸水膨胀时，不仅是体积保持不变会产生膨胀力，当外部约束不足以保持膨胀土体积不变时，膨胀土同样也会产生膨胀力。而在实际工程中，支挡结构允许存在一定的位移。因此，可以认为膨胀力是膨胀土含水率增加时，存在约束阻碍其自由膨胀变形而产生的力。由于保持体积不变而产生的膨胀力简单易测，且在工程设计中偏于安全，因此目前测量膨胀力多采用恒体积法。

2 试验装置及步骤介绍

2.1 试验装置

为了研究膨胀力随时间和含水率增量的变化规律，基于恒体积法测量膨胀力的思想，设计了如图2所示的连续吸水膨胀力试验装置。

1-反力螺栓; 2-荷重传感器; 3-不透水钢板; 4-土样; 5-排气管; 6-密封盖; 7-进水管; 8-有孔钢板; 9-制样容器; 10-观察孔; 11-阀门; 12-电子称; 13-水箱
图2 连续吸水膨胀力试验装置示意

试验土样可用原状样或者扰动样。试验时将环刀和土样一并放入制样容器内，这避免了土样的扰动。土样下部为透水钢板，试验时通过进水管注水，电子称实时监测水量的变化。

土样上部分别为不透水钢板、测力原件和反力螺栓，测力元件为安徽蚌埠中诺传感器厂的荷重传感器，不透水钢板和反力螺栓具有足够大的刚度，用以固定土样和测力原件。膨胀土吸水时反力螺栓提供相应的反力，保证膨胀土不发生变形，通过读数仪读出膨胀力的数值。

2.2 试验步骤

1)配置试验所需初始含水率及初始干密度的膨胀土，压制土样，静置24 h，试验土样物理参数见表1。

表1 试验土样物理参数

土样最大干密度/(g/cm3)干密度/(g/cm3)自由膨胀率/%塑限/%液限/%缩限/%成都膨胀土1.621.550224313呈贡膨胀土1.551.5100336417

2)按照图2所示组装仪器设备，旋紧反力螺栓，施加1 kPa的预压力使反力螺栓、荷重传感器、滤纸、土样、滤纸以及不透水钢板之间紧密接触，将荷重传感器读数调零。

3)关闭阀门，往水箱内加一定量水，打开录像设备，记录荷重传感器读数，打开阀门，待2 h内读数<0.1>

4)试验结束后，拆除装置，取出土样测量含水率，计算土样的吸水量。

3 试验结果

利用连续吸水膨胀力试验装置对呈贡、成都膨胀土进行试验，研究不同初始含水率下膨胀力随时间和吸水量的变化规律。

3.1 膨胀力随时间的变化规律

不同初始含水率时，呈贡、成都膨胀土连续吸水条件下膨胀力时程曲线见图3。

图3 连续吸水条件下不同膨胀土的膨胀力时程曲线

由图3可知：①呈贡膨胀土0～5 h内，不同初始含水率膨胀土的膨胀力迅速增长，相继在3～5 h达到最大膨胀力；5～25 h内不同初始含水率膨胀土的膨胀力都呈现较明显的衰减现象，并逐渐趋于一个稳定值，且初始含水率越低，衰减现象越明显，初始含水率为30%时没有衰减现象；25 h之后不同初始含水率膨胀土的膨胀力不发生变化。对于成都膨胀土，1 h内不同初始含水率膨胀土的膨胀力迅速增长并到达最大膨胀力，1 h之后膨胀力几乎维持在最大膨胀力，并没有出现类似呈贡膨胀土的膨胀力衰减现象。②呈贡膨胀土不同初始含水率膨胀土的膨胀力都会先达到一个最大值，然后再衰减到一个稳定值。这是因为呈贡膨胀土属于强膨胀土，在吸水膨胀受到约束后，膨胀土颗粒之间会产生较强的楔力。当这种楔力大到一定程度后，会使膨胀土土颗粒重分布和黏结，进而导致膨胀力衰减。而成都膨胀土不存在膨胀力衰减现象，这是因为成都膨胀土属于弱膨胀土，膨胀土吸水后，土颗粒间产生的楔力较小，不足以使土颗粒重分布。

3.2 最大膨胀力随初始含水率的变化规律

图4 膨胀土最大膨胀力随初始含水率的变化规律

将图3中不同初始含水率膨胀土最大膨胀力加以整理，得到最大膨胀力随初始含水率的变化规律曲线，见图4。可知：呈贡膨胀土初始含水率<>

3.3 膨胀力随吸水量的变化规律

呈贡、成都膨胀土的膨胀力随吸水量的变化规律见图5。

图5 膨胀力随吸水量的变化规律

由图5可知：①不同初始含水率的膨胀土吸水后，膨胀力随吸水量的增加呈线性增长，膨胀力增幅不大，在一定临界吸水量之后膨胀力急剧增长，膨胀力增幅较大。文献[9-10]也得出类似的试验规律。由膨胀力形成机制可知，膨胀土吸水增厚的水膜夹层或结合水(水化膜)首先会填充土颗粒与土颗粒之间的孔隙，因此膨胀土前期吸水不会导致较大的膨胀力增幅。随着膨胀土的吸水，导致水膜夹层或结合水(水化膜)填充土颗粒间的孔隙，此时膨胀土继续吸水则会表现出较大的膨胀力增幅。②呈贡膨胀土和成都膨胀土都表现出，初始含水率越低，膨胀力急剧增长时所需的临界吸水量越大。这是因为初始含水率越低，土颗粒间的孔隙越大，膨胀土需吸收更多的水来形成足够厚的水膜夹层或结合水(水化膜)来填充土颗粒间的孔隙。③呈贡膨胀土膨胀力达到最大膨胀力后存在衰减现象，而成都膨胀土膨胀力到达最大膨胀力后保持稳定，不存在衰减现象。