弥勒原状膨胀土物理力学参数与固结特性

陈伟志¹，蒋关鲁¹，王智猛²，李安洪²

(1. 西南交通大学土木工程学院，四川 成都，610031；

2. 中铁二院集团有限责任公司，四川 成都，610031)

摘要：针对云桂铁路弥勒试验段原状膨胀土开展一系列常规室内试验，掌握弥勒膨胀土的物理力学参数，在此基础上，以高路堤分段堆载方式为研究依据，基于GDS三轴试验系统进行原状膨胀土分级连续加载K₀固结试验。结果表明：膨胀土的应力-应变关系呈阶梯状变化，割线模量与应力的关系呈镰刀型变化；对超固结膨胀土，Wroth推荐的经验公式能较好地描述K_0(OC)与η_OCR(超固结比)的关系。与分级加载固结试验结果相比，膨胀土在分级连续加载K₀固结试验中的压缩系数更高。研究结果对膨胀土地基沉降评价具有一定的指导意义和参考价值。

关键词：原状膨胀土；物理力学参数；分级连续加载；K₀固结试验

中图分类号：TU443          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)06-1908-08

Physical-mechanical parameters and consolidation characteristics of undisturbed expansive soil in Mile

CHEN Weizhi¹, JIANG Guanlu¹, WANG Zhimeng², LI Anhong²

(1.School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;

2. Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering, Ministry of Education, Chengdu 610031, China)

Abstract: At present, many passenger dedicated lines are constructed or designed in China, which traverse through expansive soil regions regularly, such as Yun—Gui high-speed railway. To master the physical-mechanical parameters of the undisturbed expansive soils, a number of series tests are carried out for the intact expansive soil,and these samples were taken from different soil layers in Mile town of Yun—Gui railway. Based on it, taking the stage loading of high embankment as the object of study, the K₀ oedometer tests of undisturbed expansive soil under stage continuous loading are performed on geotechnical digital systems (GDS) triaxial apparatus. The test result shows that the stress-strain curves of expansive soil is varies with ladder, and the relationship between secant modulus and stress is like sickle. The empirical formula recommended by Wroth could describe the relationship between K_0(OC) and η_OCR (overconsolidation ratio) well for the overconsolidated expansive soil reasonably. Compared with the result in stage loading oedometer test, the compression of undisturbed expansive soil is found to rise in stage continuous loading oedometer test. The conclusion provides a reference and a guideline for analyzing the settlement of subgrade for high-speed railway in expansive soil regions.

Key word: undisturbed expansive soil; physical-mechanical parameters; stage continuous loading; K₀ oedometer test

膨胀土是一种高塑性、高分散性的特殊土，国内外学者对其强度、胀缩性、裂隙性及蠕变性等工程性质均进行了相关的研究^[1-6]。目前，我国在建或勘察设计中的多条铁路客运专线的沿线广泛分布膨胀土。国内高速铁路路基对此类土的地基加固处理往往工程量大、成本高。因此，针对高速铁路膨胀土地基物理力学和变形特性的研究，具有重要的理论价值和实践意义。路基填筑属于多级加载^[7-8]，若采用常规固结仪进行土体变形特性研究，其加荷速率远大于在现场地基上的加荷速率，难以模拟现场缓慢的加载方式；而采用连续加载固结试验则可以较好地克服以上缺点。Davison等^[9]对土在连续加载条件下的固结试验方法、理论基础及成果整理进行了相关的研究；Landva等^[10]在开环设备中开展了城市固体垃圾的分级连续加载固结试验，分析了固体垃圾的压缩特性和静止侧压力系数；程海涛等^[11]在GDS静三轴仪进行黄土连续加载固结试验，研究了黄土的K₀固结特性。高速铁路高路堤填筑一般采用分段堆载，即路基填筑至一定高度放置一段时间，以进行地基沉降评估。为了模拟现场高路堤填筑，本文作者结合云桂高速铁路(以下简称“云桂线”)建设，在获取弥勒膨胀土物理力学参数的基础上，采用GDS静三轴仪开展原状膨胀土分级连续加载K₀固结试验，研究膨胀土的变形特性，为地基沉降评价提供试验参数。

1  弥勒膨胀土的物理力学参数

1.1  工程地质概况

云桂线弥勒试验段位于弥勒断陷盆地内，段内路基工程主要以高填方通过。根据地质勘查报告，弥勒膨胀土是由第三系泥岩、泥灰岩和黏土岩经风化淋滤后，被水流搬运而形成的冲积-湖积膨胀土，下伏基岩为三叠系个旧组白云岩；大部分膨胀土为颜色交混的斑状黏土与粉细砂互层，黏土切面光滑、黏性强，局部可见钙质结核，裂隙发育，有的地方层理清晰。受土层沉积年代及亚热带气候环境的影响，土层的颜色及性质沿深度呈显著的不均一性和各向异性，表1所示为弥勒膨胀土的物理性质。盆地的地下水位在0.7~1.7 m，故本次所取原状土样均为饱和土。

1.2  物理性质指标

由表1可知：膨胀土具有低密度(ρ=1.814~2.098 g/m³)、高孔隙比(e=0.623~1.056)，高含水率(ω=23.47%~ 38.49%)、高液限(ω_L=41.24%~80.62%)等工程特性。

Willams等^[12]的黏土膨胀势判别图法是国际上流行的一种判别方法(图1)，结合表1中塑性指数I_p和图2中小于2 μm胶粒含量可判别各组土样的膨胀势，结果也列于表1中。由图1可知：弥勒大部分膨胀土具有中等膨胀势，局部表层土为强膨胀土。

图1  Williams & Donadson黏土膨胀势判别图

Fig. 1  Identification of swelling potential with Williams & Donadson

表1  弥勒膨胀土的物理性质

Table 1  Physical parameters of expensive soils in Mile

1.3  物质组分

粒度组成是影响膨胀土胀缩特性的重要因素之一，人们常将粒径＜5 μm黏粒含量和粒径＜2 μm(或＜1 μm)胶粒含量作为膨胀土判别和分类的指标^[12]。

图2所示为表1中9组土样的颗粒分析曲线。由图2可知：浅层膨胀土(深度小于10 m)的级配曲线表现出明显差异性，其细粒组含量沿深度呈依次减少的变化特征，相应土层的物理特性(表1)也产生了显著的变化；深层膨胀土(深度大于10 m)的级配曲线则具有一定的归一化性状。分析结果表明，成土过程中母岩堆积环境、风化程度等因素造成了弥勒膨胀土层的显著不均一性。由图2可知：与粉土相比，膨胀土的细粒含量较高，其黏粒(粒径＜5 μm)含量为42.41%~ 67.19%，胶粒(粒径＜2 μm)含量为24.28%~57.04%。

图2  膨胀土粒径分布曲线

Fig. 2  Particle size distribution curves of expansive soil

X线衍射(XRD)是目前黏土矿物成分分析的主要方法。试验的主要步骤包括黏土分离、样品处理(天然样提纯、乙二醇饱和处理、550 ℃加热处理)、衍射分析。图3所示为黏土矿物的X线衍射谱，黏土矿物含量见表2。在工程上仅研究黏土矿物的相对含量是不够的，为了便于分析，应计算出黏土矿物的绝对含量。经过大量试验，小于2 μm颗粒是黏土矿物集中的粒级，通过对粒径＜2 μm的胶粒含量计算黏土矿物的绝对含量(表2)。由图3和表2可知：膨胀土和粉土均含有高岭石、伊利石、绿泥石和蒙脱石等黏土矿物，以高岭石为主，约占总量的40%，伊利石和绿泥石次之，蒙脱石含量最少，说明弥勒膨胀土的风化机理主要表现为长石向高岭石转化程度较高，而伊利石向蒙脱石转化程度较低。

图3  黏土矿物X线衍射谱

Fig. 3  XRD patterns of clay minerals

膨胀土的微结构特性与其工程力学性质密切相关。采用荷兰FEI公司生产的Quanta 200扫描电子显微镜(SEM)对试样进行仔细观察并拍摄图像(见图4)，该套设备还配备了X线能谱分析仪，可进行化学成分分析，结果见表2。

根据文献[13]的研究，黏土颗粒中边缘具有卷曲特征的片状颗粒为蒙脱石，边缘仅有弯曲但未有卷曲特征的片状颗粒为伊利石或高岭石。从图4可知：蒙脱石、伊利石和高岭石的颗粒形貌特征在膨胀土中表现较明显，而在粉土中则少见。另一方面，膨胀土的微结构单元主要是片状聚集体，以面-面或边-面接触为主，呈絮凝结构，单元之间在局部上有定向排列，但在整体上无明显定向排列，属于半定向排列；粉土的微结构则相对松散，以粒状堆积体为主且大孔结构明显。表2测试结果表明：膨胀土和粉土的粗颗粒以石英矿物相对富集，而黏土颗粒以铝硅酸盐矿物为主。

1.4  抗剪强度特性

膨胀土的抗剪强度与含水率密切相关。本课题组在直剪仪和GDS三轴试验系统中分别进行膨胀土抗剪强度测试。膨胀土抗剪强度指标与天然含水率的关系见图5。由图5可知：膨胀土抗剪强度指标均随含水率的升高而呈幂函数减小变化。水在降低膨胀土力学特性上主要表现为黏聚力降低，这主要是由于天然含水率高的土样，孔隙率高，密实度低，土颗粒之间胶结作用弱；此外，水对亲水性黏土矿物具有软化作用，随着土样含水率的升高，土体塑性状态由硬变软，也导致了土样黏聚力降低。

表2  黏土矿物成分与主要化学成分(质量分数)

Table 2  Clay minerals and chemical components

图4  土样的SEM像

Fig. 4  SEM images of soil samples

图5  抗剪强度指标与天然含水率的关系

Fig. 5  Relationships between shear strengths indices and initial water content

另一方面，裂隙的存在破坏了土体的完整性^[3]，易使膨胀土抗剪强度指标表现出明显的不均一性和变动性。SEM试验结果表明：弥勒膨胀土存在微裂隙结构，在气候干燥时，土中非结合水分子沿着微裂隙蒸发，水膜厚度逐渐变小，体积收缩，微孔隙极易变成裂隙，甚至进一步形成滑裂面，导致土层性质恶化。因此，在铁路路堑边坡和地基稳定设计时应考虑含水率对膨胀土强度的影响，可在边坡或地基表面设置防水层以避免土体含水率大幅变化导致土中裂隙扩张发展。

2  膨胀土分级连续加载下固结特性

2.1  试验概况

分级连续加载K₀固结试验是由GDS三轴试验系统中的K₀固结模块实现的，其加载机理是逐渐施加围压，控制器将根据LVDT径向传感器反馈的侧向变形匹配以适当的轴向压力，保证试样处于K₀固结条件。系统的位移传感器精度为满量程的0.07%，压力传感器精度为满量程的0.1%，典型的试验加载过程见图6。试样直径50.0 mm、高度100.0 mm，各组试样在加载前均先进行真空抽气饱和与反压饱和，之后进行B-Check，以检查孔隙水压力系数是否大于0.98，确保K₀加载前试样已接近完全饱和。

为了与分级连续加载K₀固结试验进行比较，采用WG-IA三联固结仪开展了分级加载固结试验，土样直径61.8 mm、高度20.0 mm，试验过程及其他要求严格按照文献[14]规定执行。

图6  典型的加载过程

Fig. 6  Typical loading process

2.2  应力-应变关系

图7所示为各试样在分级连续加载固结下的应力-应变关系。由图7可知：试样的轴向应变随有效应力增加呈阶梯状变化；但部分稳载期出现了由轴向荷载计算所得的有效应力降低的现象，这主要是因为当试验进入稳载期后，土中有效应力基本维持不变，而孔隙水压力逐渐消散甚至出现负值，外加荷载完全由土骨架承担，在骨架应力作用下，土体发生蠕变变形，骨架滑移错动、土颗粒重新排列，由此产生侧向变形略微增大，系统将根据局部位移传感器的反馈信息，适当减小轴向应力，确保试样处于K₀状态。随着荷载级次的增大，上述现象逐渐消失，这主要是由于土体密实度增大，稳载期孔隙水压力未能完全消散至出现负值。

表3  一维固结试验方案

Table 3  Conditions of one dimension consolidation test

图7  不同深度膨胀土的应力-应变曲线

Fig. 7  ε_v-lg σ curves of expansive soils of different layers

由图7还可知：随着应力的增大，曲线变化率△ε/△lgσ′趋于一稳定值(本文定义为应变压缩指数C_ce)，应变压缩指数C_ce与压缩指数C_c的关系为

           (1)

式中：e₀为土样的初始孔隙比。

表4所示为膨胀土的压缩参数。为研究膨胀土的应力历史，结合图7的ε_v-lg σ曲线，采用Casagrande作图法确定膨胀土的先期固结压力σ_c(表4)，表4还给出土层上覆应力σ₀与超固结比η_OCR。由表4可知：膨胀土超固结比η_OCR沿地基深度呈衰减变化，当深度小于15 m时地基表现出超固结特性。

表4  膨胀土的压缩参数和应力历史

Table 4  Parameters of compression and stress history of expensive soil

图8所示为膨胀土割线模量与应力的关系，其中割线模量E_sec=p_i/ε_i。由图8可知：割线模量与应力的关系呈镰刀型变化，当σ≤σ_c时，割线模量随应力呈由大变小，衰减速度不断减小；当σ＞σ_c时，割线模量随应力呈微幅递增变化。该结果表明应力历史对土层割线模量有显著影响，在工程实践中，采用割线模量进行沉降评价应结合土体应力历史，根据有效应力是否超过前期固结压力，按图8中虚线或实线选取合适的计算参数。另外，黏土割线模量-应力曲线具有归一化特性，粉质黏土则不在此归一化曲线中。

图8  割线模量与应力的关系

Fig. 8  Relationships between secant modulus and stress

2.3  静止侧压力系数

静止侧压力系数K₀是指土体在无侧向变形的条件下，侧向有效应力与轴向有效应力之比。图9所示为膨胀土静止侧压力系数与轴向应力关系曲线。由图9(a)可知：当σ≤σ_c时，K₀随轴向应力的增加而减小，最后趋于稳定，即土体在超固结状态下的K_0(OC)。上述K₀的变化规律与文献[15]关于土体沉积→冲刷→再加荷过程中K₀的变化特征是一致的；由图9(a)还可知：在小应力下部分土样出现K₀增大的现象，这主要是由于原状土样经过反压饱和后的应力状态与K₀应力状态差距较大，土样的初始结构需要一定的调整。当σ＞σ_c时，土样由超固结状态进入正常固结，稳载期典型的K_0(NC)与轴向应力关系曲线如图9(b)所示。由图9(b)可知：随着轴向应力的增加，K_0(NC)基本为一定值，这与土层进入正常的沉积状态是相对应的。

已有的研究已表明，超固结比对超固结土的K_0(OC)影响显著，针对K_0(OC)与η_OCR的关系，前人做了大量的研究^[15-16]，表5给出了土体在超固结状态下常见的K_0(OC)经验计算公式。本课题组根据室内试验获取的参数和表5中的经验公式分别计算4组土样的K_0(OC)，计算结果与试验值进行对比分析(见图10)。由图10可知：K_0(OC)的计算值均大于试验值，其中式(3)的计算值与试验值最为接近，其次为式(2)，而式(4)和(5)两者的计算值虽基本一致，但与试验值相差最大。由以上分析可知，Wroth提出的经验公式比较适合于超固结状态下原状膨胀土K_0(OC)的预测。

图9  静止侧压力系数随轴向应力的变化

Fig. 9  Variations of lateral coefficients with axial pressure

表5  土体在超固结状态下K_0(OC)的计算公式

Table 5  Formulas of K_0(OC) for OC soils

图10  K_0(OC)的试验值与计算值的关系

Fig. 10  Relationships between test and calculation of K_0(OC)

2.4  分级连续加载与分级加载下土的压缩性比较

压缩系数α_v是衡量土压缩性的定量指标之一，

               (6)

式中：e_i和e_i-1分别为第i和i-1级荷载作用下的最终孔隙比。

图11所示为膨胀土压缩系数与固结压力的关系曲线。为便于讨论，分级连续加载与分级加载膨胀土的压缩系数分别表示为α_vR和α_vG。由图11可知：α_vR与α_vG随着固结压力的曲线变化规律基本相同，整个曲线发展过程类似负指数关系，以上试验现象反映了压力具有引起膨胀土密实度增加的功效。在相同压力下，α_vG＜α_vR，两者的差值随着应力的增加而逐渐减小，其原因本文从分级连续加载固结试验稳载期有效应力降低和侧限作用两方面进行分析探讨。从上述分析结果可知：在部分稳载期中由于土的次固结效应导致了有效应力降低，引起土体产生部分回弹变形，但仍保留一部分不可恢复的塑性变形，即有效应力降低并没有引起相当的变形回弹，导致稳载期结束的应力状态下轴向应变偏大，而连续加载固结试验的外加荷载是恒定的，不存在上述现象。另一方面，在WG-IA三联固结仪进行一维固结试验，采用钢环进行侧向变形约束，属于刚性侧限；而在GDS三轴试验系统进行一维固结试验，通过液压进行侧向约束，属于柔性侧限。

图11  压缩系数与固结压力的关系曲线

Fig. 11  Relationships between coefficient of compressibility and consolidation pressure

3  结论

(1) 由于土层沉积年代和风化程度不同，弥勒膨胀土地基中分布有黏土、粉质黏土及粉土，各地层的物理力学参数具有明显的不均一性和各向异性。

(2) 弥勒膨胀土具有低密度、高孔隙率、高含水率、黏粒含量大、中-强膨胀势、超固结(深度小于15m的土层)等特性，其抗剪强度指标与初始含水率呈幂函数变化。

(3) 在分级连续加载条件下膨胀土的应力-应变关系呈阶梯状变化，土的次固结效应造成部分稳载期出现有效应力降低；割线模量与应力的关系呈镰刀型变化，在工程实践中，超固结土层的沉降计算参数必须结合地基应力状态合理选取。

(4) K₀与土层的固结状态紧密相关，在超固结状态下，Wroth推荐的经验公式能较好地反映原状膨胀土K_0(OC)与η_OCR的关系。

(5) 在相同压力下，α_vG＜α_vR，两者的差值随着应力的增加而逐渐减小，其原因主要是分级连续加载K₀固结稳载期有效应力降低和侧限拘束方式不同。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2013-08-06；修回日期：2013-11-20

基金项目：铁道部科技研究开发计划项目(2010G003-F)

通信作者：蒋关鲁(1962-)，男，浙江富阳人，博士，教授，从事道路与铁道工程方向研究；电话：028-87634193；E-mail：wgljiang@wjtu.edu.cn