膨胀土是一种吸水膨胀、失水收缩开裂的特殊黏性土。在自然条件下, 多呈硬塑或坚硬状态, 裂隙较发育, 常见光滑和擦痕, 裂缝随气候变化张开和闭合, 并具有反复胀缩的特性。膨胀土的复杂工程特性导致其成为一种问题土, 给其所在地区的工程建设带来了很大危害, 并造成大量经济损失^[1,2,3]。我国关于膨胀土的研究工作开展至今, 已在其各个方面取得了很多有价值的研究成果, 主要包括膨胀土的矿物成分与其膨胀性的关系, 膨胀土的胀缩性、超固结性、裂隙性等^[4]。

　　 在有关膨胀土的诸多特性研究中, 其强度特征和变形特性作为指导相关工程设计、施工的关键性因素, 长期受到了学术界和工程界的广泛重视, 且一直是膨胀土研究工作的重点^[5,6]。本研究针对某引水渠工程所在地的膨胀土, 研究膨胀土的胀缩特性随着含水率变化的规律, 为工程建设提供指导。

　　 胀缩特性是膨胀土区别于其他土体的一种特有属性, 矿物组成和化学成分是决定膨胀土特殊工程性质的指标, 研究膨胀土的物质组成与结构不仅可以了解膨胀土工程特性的内在因素, 探讨其胀缩机理, 也是改良膨胀土的重要技术手段;膨胀土吸水膨胀, 影响上附建筑物安全, 失水体积收缩, 土体开裂, 易造成上附建筑物下沉, 通常可以通过自由膨胀率、膨胀力等指标来表示膨胀特性的强弱。

　　 本研究所用的膨胀土取自某引水渠道工程现场, 共10个钻孔, 每个钻孔取两个土样, 共20个土样, 每个钻孔点间隔约500m, 每个土样包含2桶原状土, 试验过程中一种土样采用一个室内试验编号, 如表1所示。其中1号土样为取土深度较浅的土样, 2号土样为取土深度较深的土样。

　　 本文对20个土样进行了比重试验, 结果表明, 20个代表性土样的比重在2.70~2.77之间, 其值在一般黏土常见比重值范围之内;对土样进行颗粒分析后得出, 该土样的主要颗粒分别为黏土、粉质黏土、砂质黏土, 其中黏土和粉质黏土分别占总量的45%和30%;对其进行液塑限试验发现, 土样中低液限黏土数量占总土样数量的比例高达60%, 低液限粉质黏土数量占总土样数量的比例达35%。

　　 自由膨胀率是人工制备的松散、干燥的土试样在水中膨胀稳定后的体积增量与原体积之比。本文采用自由膨胀率试验来测定黏性土试样在无结构情况下的膨胀率。以1号钻孔ES1所在位置为原点, 整理了20个土样的自由膨胀率在渠道走向方向的变化规律, 结果见图1。图1 (a) 中每个土样的取样深度表示该种土样取样顶深和底深的平均值。由试验结果可知, 土样的自由膨胀率随着取样深度的增加无明显的分布规律。在水平方向上, 除ES6号钻孔的1号土样ES6-1和ES3号钻孔的2号土样ES3-2外, 其他土样的膨胀率则差别不大, 均为弱膨胀土。

　　 膨胀率是指原状土样在有侧限条件下浸水膨胀的高度增量与初始高度之比值。根据加载条件可分为:无荷载膨胀率试验和有荷载膨胀率试验。本研究对20个代表性原状土样进行了无荷载膨胀率试验与50k Pa荷载膨胀率试验。试验结果表明, 无荷载下土的膨胀率在0.4%~4.6%;50k Pa荷载下土的膨胀率仅为0.1%~0.5%, 即土样的膨胀率较小, 不易产生膨胀破坏。同一土样在50k Pa荷载下的膨胀率小于无荷载下膨胀率。由图2可知, 沿深度方向, 土样的膨胀率 (无荷载和50k Pa荷载下) 均呈减小的趋势。由图3可知, 在渠道走向方向上, 2km以内无荷载下土的膨胀率变化不大, 2.5~4.5km内的无荷载下土的膨胀率变化比较大;在渠道走向方向上, 50k Pa荷载下土的膨胀率则变化不大, 数值在0.1%~0.5%之间。

　　 膨胀力是土体在吸水膨胀时所产生的内应力。本试验结果是测定土样在体积不变时由于膨胀而产生的最大内应力。原状土样浸水后的膨胀力在6.7~76.7k Pa之间, 其膨胀力变化范围较大。膨胀力试验结果见表2。其中大部分土样的膨胀力是较小的。由试验数据可知, 土样的初始含水率和干密度对土的膨胀性有一定的影响。

　　 土在水分蒸发过程中体积减小的现象称收缩。本研究测定细粒土的收缩特性指标有:线缩率、体缩率及收缩系数, 结果见图4、图5。由试验结果可知, 土样的线缩率在1.5%~6.6%之间;体缩率在6.2%~19.5%;收缩系数在0.13~0.66之间。

　　 土样的体缩率随着取样深度的增加呈现减小的趋势, 而线缩率的分布比较零散, 无明显的规律 (图4) ;在深度方向和渠道走向方向上, 土样的收缩系数变化都比较大, 分布较零散 (图5) 。对比线缩率和收缩系数在深度方向的分布可知, 两者具有一定的相关性, 而体缩率受土样含水量和干密度的影响较大, 土分布规律也有一定不同。

　　 由土样的膨胀性试验可知, 按照自由膨胀率划分, 本文所用土样为弱膨胀趋势的土体, 而土体的膨胀率 (无荷载、50k Pa荷载下) 和膨胀力试验结果表明, 土的膨胀性指标数值相对较小, 这是因为原状土样为击实膨胀土的缘故, 而击实膨胀土对自由膨胀率试验影响不大。

　　 已有的研究成果表明, 击实膨胀土的胀缩特性主要取决于含水率与干密度^[6]。本试验结果表明, 同类膨胀土击实后, 其含水率愈大, 膨胀量愈小;控制含水率一定时, 膨胀率与干密度呈正相关关系;但是含水率对膨胀率的影响比干密度对膨胀率的影响相对较明显 (图6) 。因此, 要想控制渠道填方段不产生过大的变形破坏, 必须同时兼顾填筑含水率与干密度这两个条件。只有当填筑含水率控制在比最优含水率稍大、干密度较最大干密度略低的条件下, 填筑土的膨胀和强度可以得到兼顾, 对于填土稳定比较有利。

　　 膨胀土的膨胀力与含水率 (或饱和度) 和干密度之间有密切的关系。由图7可知, 不同含水率或干密度的土样, 其膨胀力结果分布较零散, 进行线性回归后可知, 土体的初始含水率高则膨胀力小, 干密度大则膨胀力大。

　　 针对某引水渠道工程地区的膨胀土开展了膨胀土的膨胀率、膨胀力及收缩特性试验, 研究了膨胀土的胀缩特性的变化规律, 得到了以下结论:

　　 (1) 在深度方向上, 无荷载和50k Pa荷载下土体的膨胀率基本呈减小的趋势;在渠道走向上, 以1号钻孔为原点, 2 km以内无荷载下土的膨胀率变化不大, 2.5~4.5 km内无荷载下的土膨胀率变化较大。

　　 (2) 膨胀土的膨胀率及膨胀力均与土的含水率及干密度有密切关系。含水率越大, 膨胀率及膨胀力越小;干密度越大, 膨胀率及膨胀力也越大;含水率对膨胀量的影响比干密度相对较明显。

　　 (3) 对于击实膨胀土, 在施工过程中需要同时兼顾填筑含水率与干密度这两个条件, 才能将土的膨胀性影响降低到最小。