砂-膨润土-石膏混合材料胀缩特性试验研究

胡金山

（中铁第一勘察设计院集团有限公司地质路基处，陕西西安710043）

膨胀土具有裂隙性、超固结性等性质，主要分布于我国中部、东部省份，具有遇水膨胀、失水收缩的特殊性质。膨胀土地基工程事故频繁发生，造成巨大经济损失。例如铁路、公路等路基沉降、隆起、开裂；边坡坡面隆起、溜坍；建筑物及地坪开裂变形；围岩失稳等工程事故［1-2］。

目前，膨胀性材料胀缩特性研究逐步增多［3-8］，砂-膨润土-石膏混合物膨胀性材料研究较少，本文结合土工试验探索研究不同配比的砂、膨润土、石膏混合物胀缩特性及变形机理，为研究膨胀土胀缩变形机理、裂隙性提供参考，也为工程中如何更好的处理膨胀土地基提供好的思路。

1 试验研究

1.1 材料

试验采用细砂经过洗涤、干燥，过0.5 mm筛，模拟膨胀土中主要矿物成分。采用石膏加强砂颗粒间的粘结，主要化学成分是硫酸钙（CaSO4·1/2H2O）。

1.2 试样制备

准备砂、膨润土、石膏材料，按质量比7∶6∶1比例进行配置混合材料，配制不同含水率多组试样，实验采用内径为61.8 mm高为20 mm环刀制取试样。每一种含水率混合材料制取3～5组试样。

1.3 试验过程

1.3.1 无荷膨胀变形试验

采用WZ--2型膨胀仪进行无荷胀缩对比试验，如图1所示。通过室内击实试验，获取含水率17.3%、干密度1.76 g/cm3试样。烘干透水石，放入试样，注水，记录膨胀变形量随时间变化读数，注意观测膨胀仪中水位，并及时注水，保证试样上下同时浸水，测读百分表，直至试样不再膨胀为止。

1.3.2 无荷收缩变形试验

无荷载收缩试验采用自制的底座板、百分表、透水底板及透水盖板组成，如图2所示。膨胀试验完成后，去掉试样刀环，进行收缩试验。放置试样，进行自然风干失水试验，记录变形量随时间变化读数，测读百分表，直至试样不再收缩为止。

图1 无荷膨胀试验

图2 无荷收缩试验

1.3.3 膨胀力试验

采用YYW--2应变控制式无侧限压力仪进行材料膨胀力试验，如图3所示。通过室内击实试验，获取含水率13%试样。按自制的装置组装，试样上下部为透水石，下部构件应带孔，保证试样上下同时浸水，组装高度略低于茶杯口。装置放入压力仪，调整百分表，进行注水，通过调整试样上下位置使百分表稳定在初始数值，保证试样体积不变，记录膨胀力随时间变化读数，注意观测膨胀仪中水位，并及时注水，测读百分表，直至试样不再膨胀为止。

图3 膨胀力测定仪

采用下式计算膨胀力

式中，Pc为膨胀力，kPa；A为试样面积，cm2；G为试样上部所受力，N。

2 试验结果及分析

2.1 无荷膨胀试验

无荷条件下膨胀、收缩量随时间变化不断增大，初期胀缩快，后期逐渐趋缓；最大膨胀量2.1 mm，线膨胀率10.6%；最大收缩量1.6 mm，线收缩率8.3%，如图4所示。

2.2 40 h收缩特性

40 h收缩变形观测显示：试样沿边沿收缩开裂，裂缝逐渐增大，收缩13 h达最大，约3.2 mm。随后裂缝宽度逐渐缩小，约40 h裂缝消除［9］。

2.3 膨胀力试验

制取含水率13%试样，击实，测定膨胀力。

膨胀力随着时间逐渐增大，初期增长速率快，后期逐渐减缓；干密度越大，膨胀力越大，如图5所示。

图4 胀缩变形——时间关系曲线

图5 膨胀力与时间的关系曲线

2.4 试验结果分析

2.4.1 胀缩变形机理

膨胀曲线及数据说明砂-膨润土-石膏混合物具有遇水膨胀，失水收缩特性，且膨胀与收缩并非一个完全可逆过程。胀缩变形曲线可由下列公式表示［10］

式中，δ为膨胀率或收缩率，t为时间，α、β为常数。

2.4.2 膨胀疲劳现象

40 h收缩变形试验说明胀缩非可逆过程。

陈浮华等在进行粘土试验中得出：粘土试样浸水完全膨胀，再干燥收缩至初始含水量，再浸水饱和，进行多次循环试验，干湿循环试验显示出疲劳现象［11］，膨胀疲劳曲线如图 6 所示［12］。

2.4.3 膨胀力与初始干密度关系

浸水初期膨胀力增长快，然后逐渐减缓。这是因为试样浸水膨胀，逐渐破坏颗粒间分子力，颗粒间密实性逐渐减弱。

初始干密度越大，颗粒间越密实，膨胀潜势越大，膨胀力越大。

图6 膨胀疲劳曲线

3 结论

（1）砂-膨润土-石膏混合材料具有遇水膨胀、失水收缩特性，裂隙性是在收缩过程中产生的。

（2）砂-膨润土-石膏混合材料收缩量小于膨胀量，膨胀与收缩不是可逆过程，胀缩具有疲劳衰减的特性。

（3）砂-膨润土-石膏混合材料遇水膨胀产生膨胀力，膨胀潜势与初始干密度密切相关，初始干密度越大，膨胀力越大。

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