何艷平

(上海海洋地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)有限公司 上海 200120)

1 引言

膨脹土是一種富含親水性礦物蒙脫石、伊利石的高塑性黏土。由于其具有多裂隙性、強(qiáng)脹縮性、超固結(jié)性和強(qiáng)度衰減等特性，常給工程建設(shè)帶來隱患[1-3]。近年來，隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的提出，我國在肯尼亞地區(qū)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也逐漸增多[4-7]。由于肯尼亞國內(nèi)分布著大面積的膨脹土區(qū)域，未來的新建鐵路、公路工程將面臨著膨脹土問題的挑戰(zhàn)[8]。

安愛軍[9]等通過核磁共振技術(shù)和掃描電子顯微鏡技術(shù)，研究了肯尼亞地區(qū)膨脹土微觀結(jié)構(gòu)特征；駱云建[10]、張雪東[11]則分別通過室內(nèi)膨脹特性試驗(yàn)，研究了該地區(qū)膨脹土的膨脹潛勢(shì)特征和膨脹變形特性；唐皓[12]則重點(diǎn)對(duì)該地區(qū)膨脹土的化學(xué)處治措施進(jìn)行了研究，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了化學(xué)處治技術(shù)的有效性。盡管部分學(xué)者對(duì)該地區(qū)膨脹土的特性進(jìn)行了一些研究，但仍顯不足，無法有效指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

為此，本文以肯尼亞蒙巴薩地區(qū)的膨脹土為研究對(duì)象，通過室內(nèi)土工試驗(yàn)，研究了膨脹土的膨脹變形特性和抗剪強(qiáng)度特性，并提出相應(yīng)的邊坡防護(hù)建議，為該地區(qū)膨脹土邊坡防護(hù)工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考和借鑒。

2 區(qū)域自然條件

2.1 區(qū)域氣候環(huán)境

蒙巴薩地區(qū)位于肯尼亞東部，印度洋西岸。該地區(qū)的氣候以熱帶草原氣候?yàn)橹?，每?～6月和10～12月為該地區(qū)的雨季，其它月份為旱季，年平均溫度在28℃ ～32℃，年平均降雨量在1 050 mm左右。近年來，該地區(qū)氣溫及降雨情況如圖1所示。

圖1 蒙巴薩地區(qū)氣溫和降雨情況

2.2 膨脹土特性

蒙巴薩地區(qū)為近海丘陵地貌，地形起伏較大。該地區(qū)的膨脹土主要為風(fēng)化性泥巖，顏色多為褐黃色、灰褐色，泥狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，土體表面裂隙較為發(fā)育，其裂隙發(fā)育特征見圖2。此外，室內(nèi)自由膨脹率試驗(yàn)表明，該地區(qū)的膨脹土具有中等膨脹性。

圖2 蒙巴薩地區(qū)膨脹土表面風(fēng)化情況

3 膨脹土的主要工程性質(zhì)試驗(yàn)及研究

3.1 膨脹土膨脹特性

室內(nèi)進(jìn)行了重塑膨脹土在無荷載條件下的膨脹率試驗(yàn)，試樣均采用靜壓成型法制備。在無荷膨脹率試驗(yàn)中，試樣的初始干密度分別取為1.60 g/cm3、1.65 g/cm3、1.70 g/cm3和 1.75 g/cm3；同一初始干密度條件下，試樣的初始含水率分別取17%、19%、21%和23%。

(1)初始干密度對(duì)膨脹率的影響

圖3為不同初始干密度條件下，膨脹率的試驗(yàn)結(jié)果。由圖3可知，在含水率相同的條件下，土體的膨脹率隨其自身干密度的增加而增大。這是因?yàn)楫?dāng)初始含水率相同時(shí)，土體本身的干密度越大，土體的吸水能力越強(qiáng)，膨脹穩(wěn)定時(shí)的變形量也越大，膨脹率也相應(yīng)越大。

圖3 膨脹率隨初始干密度變化關(guān)系曲線

采用線性函數(shù)(式1)對(duì)相同含水率條件下，膨脹率與干密度的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表1。

式中，y1為膨脹土的膨脹率(%)；x1為干密度(g/cm3)；A、B為擬合參數(shù)。

由表1可知，相關(guān)系數(shù)R2多在0.90以上，擬合效果較好。由此可知，當(dāng)干密度在1.60 g/cm3～1.75 g/cm3時(shí)，膨脹土的膨脹率與干密度呈線性增長關(guān)系。

表1 試樣膨脹率與初始干密度擬合結(jié)果

(2)初始含水率對(duì)膨脹率的影響

圖4為不同初始含水率條件下，膨脹土的膨脹率測(cè)試結(jié)果。由圖4可知，在干密度相同的條件下，當(dāng)膨脹土的含水率在17% ～21%范圍內(nèi)時(shí)，膨脹率隨自身含水率的增加而降低；當(dāng)含水率為23%時(shí)，膨脹土的膨脹率則與含水率為21%時(shí)的膨脹率差別不大，但仍有小幅度降低。這是因?yàn)楫?dāng)膨脹土的含水率在17%～21%時(shí)，土體的初始含水率越大，試驗(yàn)前土體因吸水而消耗的膨脹潛勢(shì)越大，浸水膨脹后，表現(xiàn)出的膨脹變形量相應(yīng)越小，膨脹率也越小。由于土體的干密度相同，本身所具有的膨脹潛勢(shì)也相同，當(dāng)初始含水率大于21%時(shí)，土體在試驗(yàn)前因吸水而消耗的膨脹潛勢(shì)較大，剩余的膨脹潛勢(shì)已不能使得土體表現(xiàn)出明顯的變形差異，進(jìn)而導(dǎo)致其膨脹率下降的幅度較小。

圖4 膨脹率隨初始含水率變化關(guān)系曲線

采用線性函數(shù)(式2)對(duì)相同干密度，且含水率為17%～21%條件下，膨脹率與含水率的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見圖5及表2。

式中，y2為膨脹土的膨脹率(%)；x2為含水率(%)；C、D為擬合參數(shù)。

圖5 膨脹率隨初始含水率擬合曲線(初始含水率范圍17%～21%)

由表2可知，相關(guān)系數(shù)R2均在0.85以上，擬合效果較好。由此可知，當(dāng)含水率在17% ～21%時(shí)，膨脹土的膨脹率與含水率呈線性降低關(guān)系；當(dāng)含水率在17%～23%時(shí)，膨脹土的膨脹率與含水率呈分段線性降低關(guān)系。

表2 初始含水率范圍為17%～21%的膨脹率與初始含水率擬合結(jié)果

3.2 膨脹土抗剪強(qiáng)度特性

室內(nèi)進(jìn)行重塑膨脹土在不同條件下的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，試樣均采用靜壓成型法制備。為探究不同干密度對(duì)土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，試樣的初始干密度分別取為 1.50 g/cm3、1.60 g/cm3、1.70 g/cm3、1.80 g/cm3，初始含水率均取為15%；為探究不同含水率對(duì)土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，試樣的初始含水率分別取為10%、15%、20%、25%，初始干密度均取為1.60 g/cm3；為探究干濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，控制試樣的初始含水率為21%，初始干密度為1.70 g/cm3，并分別進(jìn)行0次、1次、2次、4次、6次和8次干濕循環(huán)后的剪切試驗(yàn)，其干濕循環(huán)路徑見圖6。

圖6 干濕循環(huán)路徑

(1)初始干密度對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

圖7為初始含水率為15%時(shí)，不同初始干密度條件下土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果。由圖7可知，相同含水率條件下，膨脹土的黏聚力隨其自身干密度的增加而增大，內(nèi)摩擦角則無明顯變化。這是因?yàn)橥馏w的干密度越大，土體顆粒間的水膜越薄，分子間作用力也越強(qiáng)，土體的黏聚力也相應(yīng)越大；而土顆粒間分子作用力對(duì)土體的內(nèi)摩擦角影響較小，因此土體的內(nèi)摩擦角未隨土體干密度的增大而表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

圖7 膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與初始干密度關(guān)系曲線

采用指數(shù)函數(shù)(式3)對(duì)相同含水率、不同干密度條件下膨脹土的黏聚力與干密度關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表3。

式中，y3為土體黏聚力(kPa)；x3為土體干密度(g/cm3)；E、F為擬合參數(shù)。

由表3可知，相關(guān)系數(shù)R2在0.95左右，擬合效果較好。由此可見，當(dāng)干密度在1.50 g/cm3～1.80 g/cm3時(shí)，土體的黏聚力隨其自身干密度的增加而呈指數(shù)關(guān)系增大。

表3 不同干密度條件下的擬合結(jié)果

(2)初始含水率對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

圖8為初始干密度為1.60 g/cm3時(shí)，不同初始含水率條件下土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果。由圖8可知，相同干密度條件下，土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨其自身含水率的增加而降低。這是因?yàn)橥馏w較大的含水率使得土體顆粒間的水膜相應(yīng)增厚，潤滑作用增強(qiáng)，分子間的作用力減小，導(dǎo)致土體黏聚力和內(nèi)摩擦角相應(yīng)降低。

采用直線函數(shù)(式4和式5)分別對(duì)相同干密度、不同含水率條件下膨脹土的黏聚力、內(nèi)摩擦角與含水率的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見表4。

式中，y4和y5分別為黏聚力(kPa)和內(nèi)摩擦角(°)；x4為含水率(%)；G、H、I、J均為擬合參數(shù)。

由表4可知，相關(guān)系數(shù)R2均在0.90以上，擬合效果較好。由此可見，當(dāng)含水率在10% ～25%時(shí)，土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨其自身含水率的增加而呈線性關(guān)系降低。

表4 不同含水率條件下的擬合結(jié)果

(3)干濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

圖9為土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。由圖9可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，土體黏聚力先大幅降低后趨于穩(wěn)定；而干濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)土體的內(nèi)摩擦角無顯著影響。上述現(xiàn)象與干濕循環(huán)過程中土體裂隙的出現(xiàn)和發(fā)展密切相關(guān)。由于膨脹土本身的透水性較差，在脫水干燥過程中，失水極不均勻，使得其體積收縮也極不均勻；土體不均勻的收縮變形使得土體表面出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)土體表面的應(yīng)力超過土體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，表面裂隙出現(xiàn)并持續(xù)發(fā)展；當(dāng)土體再次吸水后，已出現(xiàn)的裂隙會(huì)因土體的吸水膨脹而愈合，但會(huì)隨著土體的失水收縮而再次開裂。裂隙的出現(xiàn)和發(fā)展對(duì)土體的結(jié)構(gòu)造成破壞，最終影響其強(qiáng)度，造成其黏聚力的大幅衰減。隨著土體干濕過程的反復(fù)進(jìn)行，土體的裂隙逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，黏聚力也逐漸趨于穩(wěn)定，并維持在一定水平。

圖9 膨脹土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

4 針對(duì)該地區(qū)膨脹土邊坡防護(hù)工程的建議

通過以上分析可知，蒙巴薩地區(qū)膨脹土本身的含水率及干密度對(duì)其吸水后的膨脹性和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響顯著，且干濕循環(huán)效應(yīng)會(huì)使得其黏聚力出現(xiàn)大幅度的下降，導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度降低。蒙巴薩地區(qū)為熱帶草原氣候，雨季和旱季分明，雨季雨水的入滲和旱季水分的蒸發(fā)不僅使得土體內(nèi)部土水狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致土體體積發(fā)生脹縮變形，造成防護(hù)結(jié)構(gòu)的開裂、破壞；同時(shí)降雨和蒸發(fā)作用還類似于室內(nèi)干濕循環(huán)效應(yīng)，反復(fù)降雨和蒸發(fā)作用使得土體裂隙發(fā)展，抗剪強(qiáng)度降低，極大地增加了邊坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)于邊坡工程而言，通過防護(hù)措施防止雨水的入滲，保持邊坡內(nèi)部土水狀態(tài)的穩(wěn)定就顯得尤為重要。為此，結(jié)合該地區(qū)的膨脹土邊坡防護(hù)工程案例與膨脹土的特性，提出以下4點(diǎn)建議:

(1)當(dāng)邊坡高度≤3 m時(shí)，邊坡宜設(shè)置合理的坡率并植草防護(hù)，且選擇的植被應(yīng)能適應(yīng)當(dāng)?shù)赜昙緷駸岫嘤辍⒑导狙谉岣稍锏臍夂蛱卣鳌?/p>

(2)當(dāng)邊坡高度為3～10 m時(shí)，邊坡宜設(shè)置合理的坡率并采用片石骨架、混凝土骨架以及錨桿框架格梁與植草防護(hù)相結(jié)合的防護(hù)方式，且坡腳處應(yīng)設(shè)置高度不小于2 m的漿砌片石擋墻。

(3)當(dāng)邊坡的高度＞10 m時(shí)，邊坡應(yīng)進(jìn)行多級(jí)放坡(坡高不宜大于6 m)，并采用樁板墻或鋼筋混凝土擋墻與錨桿框架格梁的組合防護(hù)方式。擋墻的高度不宜小于5 m。此外，邊坡坡面宜采用混凝土進(jìn)行隔水處理。

(4)邊坡防護(hù)工程的設(shè)計(jì)過程，要充分考慮地下水、地表水對(duì)邊坡土體以及防護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。同時(shí)要加強(qiáng)邊坡排水系統(tǒng)的設(shè)置，盡量使其能夠與路基排水系統(tǒng)構(gòu)成一體，從而保證邊坡排水的順暢。此外，還應(yīng)避免在雨季進(jìn)行邊坡防護(hù)工程的施工。

5 結(jié)論

(1)膨脹土本身的干密度和含水率對(duì)膨脹變形特征影響顯著。當(dāng)干密度在1.60 g/cm3～1.75 g/cm3時(shí)，土體的膨脹率與干密度呈線性增大關(guān)系；當(dāng)含水率在17% ～23%時(shí)，土體的膨脹率與含水率呈分段線性減小關(guān)系。

(2)膨脹土本身的干密度、含水率對(duì)其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響顯著。當(dāng)干密度在1.50 g/cm3～1.80 g/cm3時(shí)，土體的黏聚力與干密度呈指數(shù)增大關(guān)系；當(dāng)含水率在10% ～25%時(shí)，土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角均與含水率呈線性減小關(guān)系。

(3)干濕循環(huán)效應(yīng)加劇了膨脹土裂隙的出現(xiàn)和發(fā)展，進(jìn)而導(dǎo)致其抗剪強(qiáng)度降低。其中黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加先大幅降低后趨于穩(wěn)定，而內(nèi)摩擦角無顯著變化。

(4)針對(duì)蒙巴薩地區(qū)的邊坡防護(hù)工程，有必要通過防護(hù)措施防止雨水入滲，進(jìn)而保持邊坡內(nèi)部土水狀態(tài)的穩(wěn)定。