云桂铁路弱—中膨胀土膨胀力试验研究
王亮亮，杨果林，刘黄伟，徐亚斌，汪鹏福
(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075)
摘要：为了满足云桂铁路典型弱—中膨胀土路段边坡支挡结构设计的要求，利用平衡加压法进行膨胀力现场试验，研究膨胀力随时间、含水率增量、卸荷回弹量的变化规律，并对膨胀力现场试验方法进行探讨。研究结果表明：竖向膨胀力随时间和含水率增量的变化规律基本相似，呈缓变型，可划分为4个阶段，即初始快速膨胀阶段、过渡阶段、二次线性增长阶段和稳定阶段；饱和膨胀土的卸荷回弹变形量与膨胀力呈线性负相关性；本试验方法原理简单，试验结果能够真实反映现场膨胀力及其发展规律。
关键词：膨胀土；膨胀力；含水率增量；卸荷回弹变形
中图分类号：TU443 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)11-4658-06
In-situ testing studies of swelling pressure on weak-medium expansive soil of Yun-Gui Railway
WANG Liangliang, YANG Guolin, LIU Huangwei, XU Yabin, WANG Pengfu
(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract: In order to meet the design requirements of expansive soil slope supporting and retaining structure of Yun-Gui Railway, in-situ swelling pressure test studies were undertaken using swelling pressure balance method. The variation law of vertical swelling pressure associated with time, increment in water content and unloading resilience amount change were researched, and rationality of the testing method was discussed. The results show that the relationship among vertical swelling pressure and immersion time and increment in water content can be divide into four phases, i.e. initial rapidly swelling, gradual transition, second time linearly increase and stable stage. Unloading resilience amount increases as linear model with the decrease of the vertical swelling pressure. The theory of the testing method is simple.
Key words: expensive soil; swelling pressure; increment in water content; rebound deformation during unloading process
膨胀土地区经常会出现建筑物开裂、边坡支挡结构破坏、地下管道变形、铁(公)路基床鼓胀等病害，产生这些病害的主要原因是膨胀土遇水膨胀变形时产生的实际膨胀压力大于构筑物设计时采用的膨胀力设计值，因此，膨胀土的膨胀力与构筑物的使用效能和寿命密切相关，国内外学者对此进行了大量研究工作。Kayabali等[1]将膨胀力的确定方法归纳为间接测定法和直接测定法2类。间接测定法即通过研究初始含水率、干密度、液塑限、阳离子交换量以及膨胀性物质含量等与膨胀力之间的关系，通过建立各膨胀性指标与膨胀力之间的经验关系对膨胀力进行预测和计算。受膨胀土物质组成、密实度等复杂多变的影响，间接法确定的膨胀力与实际值之间存在较大差异，主要用于膨胀土的膨胀性定性判断[2]或构筑物的初步设计。直接测定法即膨胀土增湿膨胀变形时，在其膨胀方向上施加约束反力，膨胀变形达到稳定状态时的最大约束反力就是膨胀力。直接测定法又可细分为以下3种：1) 一维膨胀力试验，采用刚性侧向约束，只允许膨胀土在竖直方向(z方向)上产生膨胀变形，如Pejon等[3]进行了膨胀土体积不变条件下的膨胀力试验；Steiner等[4-5]通过研究发现体积不变法测得的膨胀力偏大；Ofer等[6-7]发现若允许膨胀土产生较小变形，则膨胀力会显著减小，李献明等[8]研究了膨胀力与膨胀变形量之间的关系，并给出二者的拟合关系式。2) 二维膨胀力试验。Franklin[9]指出侧向约束刚度会影响膨胀力试验结果，并采用柔性侧限仪研究了膨胀土的胀缩特性。柔性侧限仪是将传统膨胀力试验仪的刚性侧壁用柔性环代替，当膨胀土膨胀变形时，利用应变计测定柔性环的应变，然后，根据柔性环的应力-应变标定曲线推算侧向(x和y方向)膨胀力，通过改变柔性环的刚度，可以研究不同侧向变形条件下的轴向和侧向膨胀力，但该设备缺点是不能准确反映x方向和y方向的侧向膨胀力差异。3) 三维膨胀力试验。我国铁道部科学院西北研究院研制了三向胀缩特性仪[10]，后勤工程学院在此基础上进行了改进，使其可同时量测x，y和z这3个方向的变形和力。谢云等[11]利用改进后的三向胀缩仪进行了典型膨胀土三向膨胀力试验，研究了竖向膨胀力和水平膨胀力的关系以及侧向变形对膨胀力的影响。随着试验技术和设备的不断发展，室内膨胀力试验在一定程度上可以模拟构筑物的工作环境，但受到试样尺寸效应、边界条件、扰动等影响，试验结果依然不能真实反映构筑物在实际工作中的受力状况，为此，开展膨胀力现场试验是必要的。国内外研究者都非常重视现场试验研究，如Tang等[12]对法国Saint-Marseille城市间高速铁路的轨枕和基床进行了长期监测，并结合室内试验成果，研究了膨胀土路段出现基床鼓胀、边坡滑塌等病害的原因和治理措施。目前，关于膨胀力的现场试验成果较少，对于现场试验中试验体的形状、尺寸、饱和方法、加荷方式等也没有形成统一的认识。文献[13]将膨胀力的测试方法分为3种：膨胀反压法、加压平衡法或“压力-膨胀量法”、平衡加压法，并分析了这3种试验方法对试验结果的影响。李凤起等[14-15]采用“加压平衡法”进行膨胀力现场试验，试样为直径约30 cm的圆柱体，研究了不同荷载作用下膨胀力的发展规律，试验结果为工程建设提供了依据，但不足之处在于二者都没有考虑各试样的内部微观裂隙、膨胀物质分布情况以及周边土体侧向约束能力等对试验结果的影响。根据文献[13]的分析，平衡加压法是通过实时监测试样变形情况，随时调整平衡压力，使试样在试验过程中始终保持体积不变，从而测得膨胀土的膨胀力，该方法可以避免文献[14]和[15]中采用的“加压平衡法”现场试验的不足之处。为满足云桂高速铁路的建设需要，本文借鉴平板载荷试验，利用千斤顶提供连续反力，按照“平衡加压法”原理，进行典型膨胀土的膨胀力现场试验。
1 试验方案设计
1.1 试验场地概况
土体呈褐红、褐黄色，硬塑状，遇水易软化、崩解，黏性较差，分布不均，局部含少量砂岩、碎石及角砾，土层厚2~6 m。其主要化学成分和物理力学指标见表1和表2。
为判断试验场地膨胀土的膨胀性，取扰动膨胀土进行自由膨胀率试验，共47组。试验结果具有一定的离散性，其中自由膨胀率小于90%的有39组，占总试验组数的83.0%，其余的自由膨胀率均大于90%，根据《铁路工程特殊岩土勘察规范》的相关规定，拟将试验场地的膨胀性定为弱—中膨胀性。
表1 试验点膨胀土化学分析结果(质量分数)
Table 1 Chemical analysis results of expansive soil in test site %
表2 膨胀土常规物理力学参数
Table 2 Physical and mechanic indexes of swelling soil
1.2 试体准备
(1) 用挖掘机清除选定的2个试验场地表层风化土，人工平整场地，为避免相互干扰，两试验场地相距30 m；(2) 将2块试验场地分别标记为场地1号和场地2号。《土工试验规程》规定载荷板面积为0.25~0.50 m2，最小不应小于0.10 m2。此次试验中选用正方形载荷板，面积为0.50 m2，则试验体正方形表面边长为0.707 m；(3) 在场地中心下挖5 cm后制作试体(下挖5 cm的目的是方便加水和防止注水流散)，按照膨胀土的强烈大气影响深度[16]和TB 10035—2002(《铁路特殊路基设计规范》)对膨胀土地区铁路基床换填厚的相关要求，确定试验体深度为150 cm；(4) 在试验体表面上设置纵、横各3条渗水砂沟，等间距、互相垂直分布，砂沟深、宽各约7 cm，并在9个砂沟交点位置钻直径为5~6 cm、深度为150 m的竖向辅助渗水孔，砂沟和竖向辅助渗水孔内充填粗砂并压实。设置水平和竖向砂沟的目的是保证试体范围内膨胀土能够均匀浸水。
1.3 监测系统和反力系统设置
1.3.1 设备准备
预制24根钢筋混凝土柱，用作反力系统支柱；2块底面积为0.50 m2的正方形钢筋混凝土载荷板；堆载板2块(6 mm厚钢板)；16 t螺旋千斤顶4个(为防止荷载板在膨胀力作用下发生翘曲而影响试验结果，每个荷载板采用2个千斤顶提供反力)，百分表12个，JMZX-5006A型土压力盒8个，JMZX-3001综合测试仪1台。
1.3.2 反力系统设置
土压力盒平面布置图见图l，竖向膨胀力原位实 验示意图见图2。在预定位置埋设反力系统混凝土支柱，架设工字钢梁，铺堆载板，堆载。
1.3.3 土压力盒埋设
试体表面被砂沟平分为16块小正方形，选择靠近中心的4个小正方形为土压力盒埋设位置(如图1所示)；土压力盒埋设后，撒一薄层粗砂，粗砂上覆盖无纺布，盖上混凝土承压板，再安装千斤顶。
1.3.4 变形观测系统
在试验影响范围之外设置变形监测槽钢支座，在槽钢上按照图2安装百分表。其中荷载板四角对称安装4个百分表，监测试体的膨胀变形量；在距离试体10 cm和20 cm位置分别安装百分表，监测试验过程中试体周边地表的变形量。
图1 土压力盒平面布置图
Fig.1 Layout for earth pressure cell
图2 竖向膨胀力原位实验示意图
Fig.2 Sketch map of vertical swelling pressure in-situ text
1.4 试验过程
(1) 浸水前，对千斤顶施加预压力，使试验系统各部分紧密接触，记录土压力盒、百分表的初始读数。
(2) 向试体注水，随时记录注水时间和注水量。当荷载板上百分表读数变化时，调节千斤顶压力，使百分表指针回到初始读数。试验初期每10 min观测1次，随着试验的进行，膨胀土膨胀变形速率变小，观测时间间隔可适当延长；当膨胀土竖向变形和膨胀力均保持不变时试验结束。
(3) 试验结束后进行分级卸载，记录土压力盒读数及百分表读数，得到饱和状态膨胀土的回弹变形规律。
2 试验结果分析
2.1 膨胀力变化规律
图3所示为场地1和场地2这2组试验的竖向膨胀力与浸水时间关系曲线。分析图3可知弱—中膨胀土的现场膨胀力随时间的变化曲线总体上呈缓变形，可划分为以下4个阶段。
(1) 初始快速膨胀阶段，即试验开始后0~1 h。该阶段膨胀力的增加主要是土压力盒下试验体表面膨胀土浸水后膨胀变形产生的。
(2) 过渡阶段，为试验开始后1~20 h。膨胀力随时间的增加继续增大，但增长速率不断减小。其原因是：一方面，随着浸水时间的增加，表层膨胀土的晶格和粒间扩张逐渐完成，膨胀潜势逐渐减弱；另一方面，膨胀土的渗透系数小，自地表下渗的水分有限，导致试验体内部发生膨胀变形的膨胀土减少；再次，通过竖向辅助渗水孔入渗的水分尚集中在孔周边膨胀土内，主要产生径向膨胀变形，对竖向膨胀力的贡献不大。
(3) 二次线性增长阶段，为试验开始后20~200 h。在该阶段膨胀力增长的主要原因是：① 水分通过试验体表面继续向内部缓慢渗透引起土体膨胀变形；② 竖向辅助渗水孔孔边土体的径向膨胀变形逐渐完成，水分以稳定速率向试验体内部缓慢渗透，引起试验体内部膨胀土发生膨胀变形，因此，膨胀力的增长速率小，持续时间长。
(4) 稳定阶段。随着浸水时间的不断增加，试体范围内的膨胀土膨胀变形逐渐稳定，相应的膨胀力也逐渐趋于稳定。
从上述分析可知：在现场试验中，膨胀力的发展过程与室内试验的不同[11]，室内试验中膨胀力主要增长阶段是初始阶段，且“二次线性增长阶段”不存在或不明显。出现这种差异的原因可能是室内试验所用试样体积较小，加水后土样吸水并很快达到饱和，其膨胀变形相当于现场试验中试验体表层土体的膨胀变形，无法反映大体积膨胀土或膨胀土地基浸水后深层膨胀土的膨胀变形影响。因此，本文采用的现场试验方法是合理的，试验结果能够真实地反映现场膨胀力的大小和发展规律。
图3 竖向膨胀力时程曲线
Fig.3 Vertical swelling pressure time-history curves
图4所示为场地1和场地2的膨胀力随含水率增量的发展规律。需要说明的是，这里的含水率增量是根据试验过程中的累计加水量，在忽略水分渗漏情况下计算得到的。从图4可知：当含水率增量为0~2%时，膨胀力基本保持不变。这是因为此时的水分主要存在试验体表面砂沟和竖向辅助渗水孔内，尚未引起膨胀土的大面积膨胀；随着加水量的增大，膨胀土开始迅速膨胀变形，膨胀力随之增大。膨胀力随含水率增量的发展过程为缓变形，与膨胀力随时间的发展过程基本相似。
各监测点的膨胀力离散性较大(见表3)，但场地1和场地2这2组试验膨胀力平均值基本相同，可以用平均值作为该工点弱—中膨胀土的代表值。监测结果离散性大的原因可能是：(1) 试验体表面积较大，试验时从荷载板外侧砂沟加水，水分到达各土压力盒底面膨胀土的速度不同，导致试体表面膨胀土的膨胀变形不同步；(2) 试验体中的膨胀物质、夹杂砂砾、裂隙以及硬度等分布不均匀；(3) 荷载板上的2个千斤顶采用人工调节，调节量不可避免地会存在差异，导致荷载板下的土压力盒受力不同。
图4 膨胀力与含水率变增量关系曲线
Fig.4 Relationship between swelling pressure and increment in water content
表3 膨胀力试验结果
Table 3 Results of swelling pressure tests kPa
2.2 试体周边土体变形规律
随着试验体浸水时间的增加，膨胀力不断发展，试验体周边地表的竖向变形量也不断增大，如图5所示。其中，距离试验体较近的2号(10 cm位置)监测点变形量大于较远的1号监测点(20 cm位置)变形量。试验体周边地表发生竖向变形主要原因是：试验体的竖向膨胀变形受到反力荷载的约束作用，内部膨胀力不断积聚增大，试验体产生发生侧向鼓胀变形，从而引起地表抬升。
图5 试体周边地表变形时程曲线
Fig.5 Ground surface deformation surrounding specimen
2.3 卸荷时膨胀力与变形量的关系
深挖路堑或基坑支挡结构受到的膨胀压力来源有2个：膨胀土的遇水膨胀变形和卸荷回弹变形[12]。张颖钧[18]认为在进行膨胀土路堑边坡支挡结构设计时应考虑卸荷膨胀产生的膨胀力。目前，针对膨胀土卸荷回弹变形量与膨胀力关系的研究较少[19-20]，而对于含水率较高、地下水发育路段或处于饱和状态的膨胀土，尚未见其卸荷膨胀变形规律的相关研究资料。为此，竖向膨胀力试验结束后，2名试验人员对荷载板上的2个千斤顶同步分级卸载，测定不同荷载时对应的膨胀变形量。试验结果见图6。由图6可知：卸荷回弹曲线基本呈线性；随着上覆荷载的减小，膨胀土试体的回弹变形量逐渐增大，场地1和场地2的最大回弹变形量分别为0.77 mm和0.54 mm。
图6 卸荷时膨胀力与回弹变形量关系曲线
Fig.6 Relationship between unloading and resilience amount
3 结论
(1) 借鉴平板载荷试验，按照“平衡加荷法”原理，进行了膨胀力现场试验，测试结果说明该方法能够真实地反映膨胀力的实际值。
(2) 现场膨胀力的变化规律呈缓变型，可划分为4个阶段：初始快速膨胀阶段、过渡阶段、二次线性增长阶段和稳定阶段。其中，膨胀力主要增长阶段为“二次线性增长阶段”；而室内试验中膨胀力主要增长阶段是初始阶段，且“二次线性增长阶段”不存在或不明显。
(3) 各监测点膨胀力试验结果离散性较大，但2组试验的平均值基本相同，分别为156.5 kPa和159.5 kPa。因此，膨胀力现场试验时试验体不宜过小，试验体表面应布设不少于2个土压力盒监测点，以便于试验结果之间互相校合。
(4) 饱和状态的弱—中膨胀土卸荷回弹量与膨胀力关系曲线基本呈线性。进行路堑支挡结构设计时，除考虑膨胀土的浸水膨胀压力外，还需要考虑卸荷回弹引起的膨胀压力。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2012-10-14；修回日期：2012-12-28
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51278499)；铁道部科技研究开发计划项目(2010G016-B)；湖南省研究生科研创新项目(CX2012B062)
通信作者：王亮亮(1982-)，男，陕西延安人，博士，从事道路与铁道路基、岩土工程的设计研究工作；电话：13787169904；E-mail: wlltm0304@163.com
