膨胀变形 篇1
膨胀土是一种特殊的非饱和土[1],气候环境变化对膨胀土工程性状影响显著[2,3,4,5]。对于膨胀土边坡,蒸发效应引起土体裂隙的开展是导致边坡灾变的一个重要前提[6]。当大气环境下的相对湿度没有达到饱和状态时,土壤中的水分就会向大气中扩散,从而发生蒸发效应。大气中的相对湿度越小,距离饱和时的差值越大,则土壤中的水分蒸发速度越快;若大气湿度越大,距离饱和时的差值越小,则蒸发速率越小。因此,膨胀土在相对湿度不同的脱湿状态下,土中水分表现出不同的脱湿速率,而脱湿速率对膨胀土的工程性状和持水特征都有较大的影响[7]。
本文通过设置不同湿度的脱湿状态,从而获得土体不同的脱湿速率。将土样放置在不同的脱湿环境下脱湿至预定的含水率,通过膨胀率试验和直剪试验,建立脱湿速率与膨胀土膨胀变形特性、抗剪强度特性之间的相互关系,从而探讨脱湿状态对膨胀土膨胀变形和剪切强度的影响规律,为膨胀土边坡的防护设计、灾害预警和施工方案优化提供参考。
1 试验土样与试验方案
1.1 试验土样
试验土样来自广西南宁市郊外广西农业科学院水牛所草场坡地。土样取自地表以下1.5～1.8m,呈灰白色,可塑,粘性较强,天然含水率较高,裂隙面呈蜡状光滑,属于强膨胀土,在高温多雨的广西地区具有典型的代表性。土样物理力学特性和胀缩特性见表1和表2。
1.2 试验方案
本文设定了四个不同的脱湿环境[7]。在相同的温度(25℃)下,四个不同的相对湿度分别为方案1(30%)、方案2(60%)、方案3(75%)和方案4(90%)。试验中制样设备为恒温恒湿箱,通过试验测试获得相应的土样脱湿速率[7]:方案1(1.49%·h-1)、方案2(0.56%·h-1)、方案3(0.33%·h-1)、方案4(0.08%·h-1)。每个脱湿状态均存在一个土样脱湿速率与之相对应,且相对湿度越大,脱湿速率越小。
(1)脱湿速率影响下的膨胀土膨胀变形特性试验
将含水率和密度相近的土样制成大环刀样,抽气饱和后,分成四组,分组备样的具体土样数量见表3。按照设置的脱湿方案1、方案2、方案3和方案4,脱湿到预定4种含水率状态(35%、30%、25%与20%),然后在保湿器中放置48h。再制成小环刀样,按《土工试验规程》(SL237-025-1999)进行上部荷载分别为12.5kPa、25kPa和50kPa的侧限膨胀率试验。
(2)脱湿速率影响下的膨胀土强度特性试验
将含水率和密度相近的土样制成大环刀样,抽气饱和后,分成四组,分组备样的具体土样数量见表3。按照设置的脱湿方案1、方案2、方案3和方案4,脱湿到预定4种含水率状态(35%、30%、25%与20%),然后在保湿器中陈化放置48h。再制成小环刀样,按规范进行上部荷载分别为12.5kPa、25kPa和50kPa的侧限膨胀率试验。将膨胀完全后的土样放入直剪仪,在与膨胀率试验相同的上部荷载条件下进行固结快剪试验。
2 试验结果与分析
2.1 脱湿速率影响下的膨胀土膨胀变形特性
在膨胀率试验中,采取不同脱湿方案将土样脱湿至不同含水率,每组所备土样的平均干密度见图1。可见含水率越低土样干密度越大。土样脱湿至相同含水率时,脱湿速率越小,所备土样的干密度也越大。说明在湿度大的大气环境下,缓慢的蒸发过程使土体趋于密实,干密度较大。
依据《土工试验规程》(SL237-025-1999)进行有荷膨胀率试验。在不同上部荷载作用下,不同脱湿速率制备土样的膨胀变形试验成果见图2。对于脱湿到同一预定含水率的土样,不同脱湿速率(即不同脱湿状态)下土样的膨胀率各不相同,相同竖向荷载作用下,随着脱湿速率的增加土样的膨胀率都逐渐降低。这说明自然条件下湿度大的气候里,经过长期蒸发,土体的膨胀潜势会较大。相同含水率时,上部荷载越大,膨胀率越小,说明边坡浅层土体的膨胀变形较强,同时框锚、浆砌片石等结构护坡的约束作用能有效降低膨胀土的膨胀变形。
2.2 脱湿速率影响下的膨胀土有荷膨胀强度特性
不同脱湿状态下,土样从饱和状态以不同的速率脱湿到预定含水率时,在不同上部荷载下竖向膨胀完全的土样干密度对比见图3。可见,在上部荷载一定的情况下,对于脱湿到同一预定含水率的土样,膨胀完全后的干密度基本上随脱湿速率的增加而呈降低的趋势。说明在湿度大的气候环境下,缓慢蒸发脱湿后的土体,在经历降雨后,土体密实度较大,而在湿度小的气候环境下,迅速蒸发脱湿后的土体,在经历降雨后,密实度较小。
对比不同的起始含水率可见,含水率越低吸湿膨胀后土样干密度越大。对比不同上部荷载下土样吸湿膨胀后的干密度,可见,上部荷载越大,土样吸湿膨胀后干密度越大。分析表明,对于框锚、浆砌片石等结构护坡,结构的约束可维持表层土体的干密度,同时结构物最好在旱季施工,从而提高膨胀土吸湿膨胀后的密实度。
不同脱湿速率制备的土样,在不同起始含水率下吸湿膨胀稳定后进行剪切试验,饱和剪切强度与脱湿速率关系见图4。可见,随着脱湿速率的增加和上部荷载的减小,土样膨胀后的强度有逐渐降低的趋势。在其他条件相同的情况下,剪切强度一般随土体干密度呈正相关性。结合图3可见,在相对湿度大的环境下,经历缓慢蒸发脱湿过程,土样吸湿膨胀后干密度较大,相应的饱和剪切强度也较大;在相对湿度小的环境下,蒸发速度快,土样趋于松散,饱和剪切强度就降低。在湿度大的环境下,缓慢的蒸发能促进土样的均匀收缩[7],并减弱裂隙的发育,从而降低土样饱和剪切强度的衰减程度。说明在自然条件下湿度大的气候里,缓慢的蒸发过程,有助于维持表层土体的饱和抗剪强度,而剧烈的气象条件不利于边坡稳定。同时,上部荷载的增加使得土体膨胀后的强度逐渐加大,可见上部荷载可提高饱和土体的抗剪强度。对于框锚、浆砌片石等结构护坡,结构的约束可维持表层土体干密度,并最终提高膨胀土饱和剪切强度,从而有利于维持边坡浅层土体的稳定性。
3 结论
不同的蒸发环境,引起土体水分不同的迁移速率,从而导致膨胀土呈现不同的工程性状。本文通过控制温湿度参数,设置不同的脱湿状态,获得了土样不同的脱湿速率。采用室内土工试验,探讨了脱湿速率与膨胀土干密度、膨胀变形和抗剪强度的相互关系,结论如下:
(1)相对湿度较大的气候环境下,缓慢的蒸发脱湿过程,使土体趋于密实,土体干密度较大。
(2)脱湿速率对膨胀土膨胀变形影响较大。在相同竖向荷载作用下,对于脱湿至相同含水率的土样,脱湿速率越小,土体的膨胀率越大。说明自然条件下湿度大的气候里,经过长期蒸发,表层土体的膨胀潜势也会较大。同时,上部荷载越大,膨胀率越小,说明框锚、浆砌片石等约束结构能有效降低浅层土体的膨胀变形。
(3)经历不同脱湿过程的膨胀土,吸湿膨胀稳定后的剪切强度随脱湿速率减小而呈增大的趋势。说明在湿度大的气候环境下,缓慢的蒸发使土体收缩均匀,可减缓土中裂隙的发育,提高土体的密实度,从而有助于维持膨胀土边坡土体的饱和抗剪强度,而剧烈的气象条件变化则不利于膨胀土边坡维持稳定。当初始含水率较小,上部荷载较大时,土体膨胀后的剪切强度得到增强。说明框锚、浆砌片石等结构护坡可约束土体的膨胀变形,维持表层土体的干密度,同时,结构防护最好在旱季施工,从而增加膨胀土吸湿膨胀后的密实度,最终提高膨胀土的饱和抗剪强度,维持堑坡稳定。
本文结论可为膨胀土湿热耦合状态下工程特性的研究提供借鉴,并为膨胀土边坡的防护设计、灾害预警和施工方案优化提供参考。
摘要：非饱和膨胀土的脱湿状态对土中水分散失速率影响较大,不同的脱湿速率又会使膨胀土呈现不同的工程性状。通过控制恒温恒湿箱的温湿度工作参数,设置不同的脱湿环境制备土样,进行土工试验,深入认识脱湿状态对膨胀土膨胀变形和抗剪强度的影响。将饱和土样脱湿到设定的不同含水率,进行有荷载膨胀率试验,结果表明:在相对湿度越大的环境下,脱湿速率越小,土体膨胀率越大;起始含水率和上部荷载越小,土体膨胀变形越大。将不同起始含水率的土样膨胀完全后放入直剪仪,进行固结直剪试验,结果表明:脱湿到不同含水率的试样,脱湿速率越小,土体越密实膨胀后的抗剪强度越大;上部荷载存在可提高土体的抗剪强度,起始含水率越小上部荷载越大土样的抗剪强度越高。研究结果可为大气作用下膨胀土边坡的防护设计提供参考,有助于对自然气候环境下膨胀土边坡的灾变进行预警,并可优化膨胀土边坡的施工方案。
关键词：膨胀土,脱湿速率,膨胀率,强度
参考文献
[1]谭罗荣,孔令伟.特殊岩土工程土质学[M].北京:科学出版社,2006.
[2]李雄威,孔令伟,郭爱国.气候影响下膨胀土工程性质的原位响应特征试验研究[J].岩土力学,2009,30(7):2069～2074.
[3]杨果林,王永和.不同气候条件下膨胀土路基中温度变化规律试验[J].水文地质工程地质,2005,(3):97～102.
[4]刘杰,姚海林,胡梦玲等.大气作用下非饱和土路基湿度及影响因素分析[J].上海交通大学学报,2011,45(5):772～776.
[5]陈建斌,孔令伟,郭爱国等.降雨蒸发条件下膨胀土边坡的变形特征研究[J].土木工程学报,2007,40(11):70～77.
[6]孔令伟,陈建斌,郭爱国等.大气作用下膨胀土边坡的现场响应试验研究[J].岩土工程学报,2007,29(7):1065～1073.
膨胀变形 篇2
膨胀 (岩) 土是一种吸水膨胀软化、失水收缩开裂的特殊性粘土, 其矿物成分以亲水性较强的蒙脱石和伊利石为主, 遇水后强度大幅度下降[1,2]。膨胀土常呈大面积分布, 公路布线难以避让。对公路的破坏作用主要表现为路基的湿胀和干缩变形导致路面开裂以及柔性路面平整度降低和翻浆冒泥, 因裂缝渗水导致路基强度下降而引起路堤坍塌、滑坡、纵裂缝和沉陷、边坡坍塌及众多的浅层滑动等, 这些破坏形式具有多次反复性特征, 如不加以改造将会造成公路工程的永久性病害[3,4]。
由于膨胀岩的特殊性, 膨胀岩人工边坡的破坏模式往往有着独特的工程特征, 比如:只有6 m高的路堑产生坍塌, 在很缓的坡度下也会产生滑动等, 变形破坏模式随着工程地质特征不同而各有差异。与此相对应, 不同的破坏模式下, 对边坡稳定性分析采用的方法和力学模型也各不相同。
1 自然边坡的调查统计
在现场调查的基础上, 选用与张 (家口) 石 (家庄) 高速公路通过区域岩性、构造以及地下水赋存状况等条件相同或相近的天然斜坡进行量测。对不同高度的边坡进行大量的调查, 测量坡顶、坡底的相对坐标, 从而可以换算成坡长 (L) 与坡高 (H) , 此坡高与其相应的最小坡面水平投影长度即为所获得的一组数据。将这些数据对标在双对数坐标系下, 并把经验汇聚点P的坐标求对数后也投在同一坐标系下, 采用最小二乘法进行估计, 从而得到完整的坡高、坡长的投影规律, 计算任意坡高下稳定自然边坡坡率推算值, 为人工边坡坡率设计提供参考。
2 推荐坡率确定方法
膨胀岩出露地表区域, 风化作用强烈, 表层多已经风化呈土状, 仅保留原岩结构, 自然边坡较缓, 在地貌上多形成浑圆状山丘。挖方边坡在开挖后, 表面膨胀岩很快会产生干缩裂隙, 并致使原岩结构不断破坏, 岩体弱化。但总体而言, 自然形成的边坡经过长时间风化, 已经达到平衡状态, 风化深度、程度较高, 因而形成的自然边坡的坡率一般会比开挖边坡稳定坡率要低。根据所得到的回归方程, 经过计算列出了不同坡高 (4 m~30 m) 所对应的推测坡长值 (见表1) 。
根据试验及相关工程经验, 张家口地区膨胀岩为中~强膨胀性, 对比表1与根据JTG D30—2004公路路基设计规范中相关规定发现, 规范推荐坡率相对自然边坡坡率高1.2倍~1.5倍。
由于规范规定的取值范围跨度很大, 针对具体边坡高度下的坡率并无推荐值, 对于强膨胀性的膨胀岩边坡防护并无特殊坡率规定。根据自然边坡坡率值进行统计, 确定稳定自然边坡坡率值后进行折减, 折减方法如下式:
其中, φ'为自然边坡稳定坡率, 由调查确定;φ为拟推荐人工边坡坡率;S为折减系数, S=1.2~1.5。
根据膨胀性进行S取值, 当膨胀性强时取高值, 膨胀性弱时取低值。
3 裂隙的影响分析
裂隙的分布、倾斜度、形状和粗糙度对岩土体的强度具有明显影响[5], 而膨胀岩边坡与其他类型边坡不同的特征之一就是:在干湿循环作用下能够产生大量裂隙。地表水向下渗透, 主要借助于收缩产生的裂隙进行。干湿循环不但对岩体结构进行破坏, 还能够使裂隙进一步向下发展。
由于裂隙展布深度不同, 单个岩土柱体的破坏也不相同, 形成浅层破坏与深层破坏相结合的破坏模式, 在浅层由于裂隙间距密集, 容易产生倾倒破坏, 从而形成表层的溜坍。在深层, 受到深大裂隙影响, 容易产生滑动, 而整体形态上处于近似圆弧状滑动。
不同位置的裂隙对边坡稳定性影响也不相同, 采用极限平衡法对裂隙位置的影响进行了敏感性分析, 模型采用45°斜坡 (坡比为1∶1) , 坡高为8.0 m, 由膨胀岩组成, 岩体力学参数为:岩体重度20 k N/m, 饱和c值为10 k Pa, Φ=15°。边坡稳定性计算分析见图1。
根据计算结果, 可见边坡上的裂隙位置对整体滑动稳定性影响非常大, 发育于后部的裂隙影响最大。
在边坡防护时, 特别要注意对坡角的保护和对坡顶的保护, 及时封闭, 防止收缩产生, 坡顶产生裂隙, 造成路堑整体失稳。
但在膨胀岩地区, 防止边坡破坏的主要方法仍然为放缓边坡坡率。
4 结语
1) 在膨胀岩地区进行自然坡率调查基础上, 研究膨胀岩不同坡高情况下的自然边坡坡率规律, 并在自然坡率基础上, 对照规范规定坡率, 提出了折减方法, 符合膨胀岩地区实际情况, 能够为工程所应用。
2) 膨胀岩边坡稳定性较差, 除了与干湿循环后强度大为降低有关, 还和收缩造成边坡岩体整体性破坏有关。裂隙是造成边坡渐进破坏和浅层溜坍、滑动破坏的基础, 整体稳定分析表明裂隙位于边坡后部时对稳定性的影响最大。
参考文献
[1]唐大雄, 孙愫文.工程岩土学[M].北京:地质出版社, 1985.
[2]刘特洪.工程建设中的膨胀土问题[M].北京:中国建筑出版社, 1997.
[3]汤国璋.膨胀岩的工程特性与路基工程防治途径[J].兰州铁道学院学报, 2002, 21 (1) :111-115.
[4]答治华, 王小军.堑坡岩石膨胀性评价及设计原则[J].铁道工程学报, 2001 (2) :70-72.