貴廣高鐵某區域大橋橋墩下覆巖土體膨脹特性研究

朱海峰, 李 林, 王金淑, 吳 光, 姜永杰

(西南交通大學, 四川成都 611756)

新建貴廣高鐵，自2010年起，通過對某區域大橋橋墩的監測數據顯示(圖1)，橋墩在夏季多雨季節會出現異常抬升，夏季過后橋墩又會發生明顯的沉降，超出了高鐵設計規范，這種現象使得高鐵經過該區域時要降速，這不僅增加了運營成本還影響了鐵路的行車安全，經研究發現這種現象是由于橋墩下覆膨脹巖土造成的。

膨脹巖土是一種特殊巖土，具有吸水膨脹、失水收縮和反復脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發育等不良特性，性質極不穩定。因此開展對膨脹巖土的研究對鐵路工程具有重要意義。

圖1 橋墩沉降監測

1.1 巖土膨脹特性研究現狀

2013年，歐孝奪[1]等人以重塑樣為研究對象，分別對他們進行不同變形量的膨脹力試驗，從而得到規律，判斷出主要影響因子。

2013年，QY Fan[2]等人研究了在不同含水率下，巖樣膨脹變形與蠕變的耦合規律。

2015年，Vergara[3]等人主要研究了膨脹巖膨脹力的影響因素，主要通過了膨脹巖試驗裝置獲得的結果，進行比較。

2016年，H Zhou[4]提出了通過控制各向異性應力來控制橢圓腔膨脹的理論。

2017年，鮑碩超[5]等人對研究區膨脹土采取了宏觀和微觀相結合的研究方式，根據實驗結果得到了孔隙分布模型，得到了膨脹土的孔隙分布和膨脹特性的強弱有直接關系。

于琳茗[6]等人和郭永春[7]等人都通過土體吸水膨脹，得到土體初始含水率和膨脹力之間的關系規律。

江凱[8]分析了委內瑞拉北部鐵路膨脹土的膨脹特性。薛新華[9]等針對膨脹土的改良進行了室內試驗研究，說明摻加水泥對改善崩解性效果較好。

1.2 膨脹儀研究現狀

1992年，袁聚云[10]等人研制了一套新型儀器—三軸儀，該套儀器受到的干擾較小，適用性強，操作簡單，并詳細介紹了試驗的一些規程和方法。

2003年，崔鳳娥[11]等人通過對膨脹儀內部結構的調試，將其控制系統進行升級，能更好的研究溫度的改變對巖樣膨脹變形的影響，使膨脹數據更加靈敏。

2008年，羅愛忠[12]改進了一套三軸儀，通過對不同物理性能狀態下重塑土的試驗，得到了不同的變化規律。

2008年，Simon[13]采用膨脹儀進行了不排水膨脹性能試驗研究，并針對試驗結果對經驗公式進行了驗證。

2009年，邵生俊[14]等人研發了一套新興的三軸儀，該儀器最大的特別之處在于真正的實現了三個方向加壓的獨立性，互不干預。

1.3 小結

巖土的膨脹特性國內外學者有很多研究，對于測試巖土體膨脹應力應變的儀器也很多，但每種儀器都有適用性。針對貴廣高鐵某區域大橋下覆巖土體的試驗需要一種不僅能準確得到膨脹巖土的變形特征和膨脹力學性質，還能夠模擬巖土樣真實受力狀態的儀器，通過得到的橋基覆蓋層下膨脹巖土的變形特征和膨脹力學性質，為膨脹巖土的研究和今后該地區的勘察設計提供幫助。

2 膨脹儀試驗裝置

2.1 膨脹儀的研究背景與意義

目前膨脹力學性質的研究主要通過室內試驗完成，然而膨脹力學試驗儀器市場上種類很少，主要以動三軸儀(圖2)和高壓固結儀為主，且不具有規范性和針對性。由于大橋下覆巖體的膨脹性能和特殊性，這兩個儀器難以滿足本文試驗要求(動三軸儀的研究對象以土體為主，高壓固結儀難以滿足模擬橋墩下覆巖土體的受力情況)。針對上述困難，本論文組根據實際情況及項目需求，自主研發了一套符合實際操作的一套PZY-1膨脹儀(圖3)，通過儀器，能有效的測出膨脹巖土在吸水膨脹過程中的一些參數，如任意時刻的含水率和膨脹力以及吸水量等。該套儀器能夠真實的模擬巖樣在受到荷載和滲透水壓的作用下的變形情況，并且該裝置測出的準確性高，誤差小。

PZY-1膨脹儀主體部分主要由3個裝置構成(圖4)。

圖2 動三軸儀

圖3 PZY-1膨脹儀構造

圖4 PZY-1膨脹儀裝置

2.2 膨脹儀裝置

2.2.1 裝載室

鉆孔取樣獲得的巖樣為圓柱形，為了方便制樣，采取圓柱形護筒作為試驗裝置。根據試驗要求，選取了護筒尺寸直徑為(50+2) mm,高度選取100 mm(圖5)。

圖5 裝載護筒

2.2.2 壓力裝置

該壓力裝置和三軸儀的不同之處在于三軸儀是通過在計算機輸入，然后系統自動加壓，屬于數字化加壓。而此裝置為人工加壓，加壓系統的來源是氮氣瓶。

2.2.3 膨脹應力與吸水量測裝置

變形測量裝置主要是由形變千分表、承壓筒、桶蓋連接處的活塞以及活塞上的移動桿組成(圖6)。產生的膨脹變形，會通過千分表上數字采集信號傳遞到計算機上， 可以實時監控巖樣的膨脹變形情況。

圖6 膨脹應力裝置

吸水量測主要由100 ml儲水瓶，長頸玻璃管(帶有刻度)以及錄像機組成。

2.2.4 數據采集系統

該裝置主要是由壓力傳感器(圖7)、形變千分表、計算機組成。操作界面主要顯示了軸壓、內壓以及位移的變化曲線(圖8)，為了方便查看曲線變化規律，該系統還有可以調節坐標范圍等優點(圖9)。

圖7 傳感器

圖8 參數收集

圖9 參數調節

2.2.5 恒溫系統

恒溫系統主要是由恒溫箱構成，它的操作原理類似于內置小空調。根據試驗要求，可以自行設置溫度。這個裝置有效的降低了溫度對試驗的影響，確保在試驗過程中有一個相對穩定的氣壓值(圖10)。

圖10 恒溫箱

該裝置下方由可控開關、調節冷熱裝置以及LED燈光組成。

2.2.6 抽真空系統

該系統主要是由真空泵、干燥劑和卸壓閥組成。當試驗開始前，將真空泵安裝在泄壓閥上，進行抽真空試驗，該目的是防止裝置內的氣體對試驗造成的誤差，以及保證裝置的密閉性。

3 膨脹試驗

膨脹試驗主要包含在PZY-1膨脹儀裝置下進行的膨脹變形試驗、平衡膨脹力試驗。除了獲得巖樣的膨脹力以及位移外，還獲得了吸水量與體積變化的關系以及干密度、初始含水率對試驗結果的影響。

3.1 膨脹變形試驗

實驗設備主要為PZY-1型膨脹儀、帶有數據采集系統的千分表(量程10 mm,分度值0.001 mm)、電子天平、透水石、石英砂、氮氣瓶等。

其試驗操作步驟主要為：制樣、儀器的安裝、查漏、抽真空、試驗開始、數據采集，試驗結果處理。

3.1.1 試驗結果

3.1.1.1 時間與位移關系

將所得到的試驗結果繪制成時間—位移關系曲線，如圖11所示。

圖11 時間—位移曲線

從曲線關系可以看出，巖樣變化主要經過了6個過程：(1)加速壓縮階段：在抽真空基礎下，巖樣在軸壓作用下加速壓縮；(2)壓縮緩慢：經過了加速壓縮，巖樣壓縮速率降低；(3)壓縮穩定：巖樣基本壓縮到最大值，基本穩定；(4)加速膨脹階段：該階段巖樣在遇水時產生快速膨脹；(5)膨脹緩慢：在此階段，巖樣經過了前面的加速膨脹，膨脹只能降低，膨脹速率減??；(6)膨脹穩定：經過了前面兩個階段，該階段巖體大致飽和，膨脹趨于穩定。

3.1.1.2 時間與吸水量之間的關系

在試驗過程中不僅獲得了時間-位移間的關系還獲得了時間-水量之間的關系,吸水量的確定通過量筒示數采集獲得，下表1為部分原始數據，并根據此數據繪制了時間-吸水量曲線，如圖12所示。

從上圖中看出巖樣膨脹過程的吸水量也是先快速吸收然后緩慢最后趨于穩定，這個結論從側面反映了巖樣膨脹的三個過程。

通過試驗數據分析，還可以得到在實驗過程中巖樣的吸

初始高度 61.78mm 初始含水率 4%

初始直徑 52mm 初始干密度 1.83

表1 時間-吸水量關系

圖12 時間—吸水量曲線

水量和體積的變化值，對變化值進行對比，繪制如下吸水量與體積變化曲線，如圖13、圖14所示。

圖13 ω0=4%吸水量和體積變化曲線

圖14 ω0=10%吸水量和體積變化曲線

從試驗曲線可以看出：(1)ω0=4%的吸水量高于ω0=10%。(2)巖樣在實驗過程中的吸水體積和增長的體積都是快速增長—增長緩慢—趨于平穩。但是巖樣吸水體積總是大于體積膨脹量，這是因為當試驗進行一段時間后，巖樣膨脹潛勢下降，此時有少量水和巖體發生膨脹作用變成結合水，還有部分水以自由水的形式存在于巖樣的孔隙中。

本文還研究了針對不同含水率，不同干密度的土樣，在不同荷載作用下的膨脹應變曲線，發現其中的規律。本次實驗選取初始含水率為5 %和20 %，干密度為1.7 g/cm3,以及初始含水率為20 %，干密度為1.85的巖樣在膨脹儀內進行豎向應力與膨脹應變關系試驗，試驗結果如圖15～圖17所示，并根據此數據得到不同含水率、干密度下軸向應力與膨脹應變的變化曲線，如圖18、圖19所示。

圖15 w=5%,pd=1.7g/cm3應力應變

圖16 w=20%,pd=1.7g/cm3應力應變

圖17 w=20%,pd=1.85g/cm3應力應變

圖18 不同含水率下軸向應力與膨脹應變曲線

圖19 不同干密度下軸向應力與膨脹應變曲線

從圖18、圖19中可以看出，隨著軸向應力的增加，膨脹應變以指數型減小。當軸向應力達到400 kPa時，此時含水率和干密度對巖樣的影響變化不大。

相同干密度下，初始含水率越大對應的膨脹應變越小。相同含水率下，干密度越大對應的膨脹應變越大。

3.2 平衡膨脹力試驗

PZY-1膨脹儀測平衡膨脹力采用的試驗方式是通過加壓使千分表示數不變的方法—加壓平衡。其試驗操作步驟主要為：制樣、儀器的安裝、查漏、抽真空、試驗開始、加載、數據采集、試驗結果處理。

實驗結果。將制好的初始含水率分別為5 %、12 %、20 %、25 %，干密度為1.68 g/cm3的18組試樣進行平衡膨脹力試驗。通過相同干密度，不同初始含水率的試驗，可以得到膨脹力隨著初始含水率的變化規律.，如圖20所示。

圖20 初始含水率—膨脹力曲線

從圖20擬合曲線中可以看出相同干密度下，隨著初始含水率的增加，巖樣的膨脹力也隨著減小，二者呈現負相關關系。

前面驗證了相同干密度，不同含水率對膨脹力的變化規律。接下來本文又進行了24組關于在相同初始含水率情況下，不同的干密度對膨脹力的變化關系。本文選取了初始含水率分別為5 %、20 %、25 %三組試驗，將實驗結果繪制如下關系曲線，如圖21～圖23所示。

圖21 w=5%干密度—膨脹力曲線

圖22 w=20%干密度—膨脹力曲線

圖23 w=25%干密度—膨脹力曲線

從圖21～圖23可以看出在相同初始含水率的情況下，膨脹力隨著干密度的增大而增大，變化趨勢以指數型增長。其中三張圖的R2均大于0.95，擬合度較高，為了更好的比較初始含水率干密度對膨脹力的影響，將三種曲線擬合到一張圖中，如圖24所示。

圖24 不同初始含水率干密度—膨脹力曲線

從圖24三種擬合曲線中可以得到：(1)在同一干密度下，初始含水率越大膨脹力越小。(2)在同一初始含水率下，膨脹力隨干密度的增大而增大，并且初始含水率越小的，膨脹力的變化趨勢越大。

傳統平衡膨脹力通過試驗獲得施加的荷載，然后在通過公式計算得到巖樣的膨脹應力，這個過程比較繁瑣，比較容易出現誤差。而PZY-1膨脹儀可以直接測得巖樣的膨脹力，不需要通過計算，準確性比較高。

4 結論

通過本文對橋墩下覆膨脹巖土的試驗研究，得到如下結論：

(1)從儀器的研制目的及后期的調試，該PZY-1膨脹儀可用于進行如下試驗研究：膨脹應力試驗、膨脹變形試驗、無荷膨脹力試驗、蠕變試驗等，該套儀器能夠真實的模擬巖樣在受到荷載和滲透水壓的作用下的變形情況，能有效的測出膨脹巖土在吸水膨脹過程中的一些參數，如任意時刻的含水率和膨脹力以及吸水量等。并且該裝置測出的準確性高、誤差小、用途廣泛。

(2)通過膨脹變形試驗得到了時間和位移關系曲線，當巖樣在壓縮過程中，經歷了三個階段：加速壓縮，壓縮緩慢，壓縮穩定。當巖樣壓縮后遇水膨脹也經歷了三個階段：加速膨脹，膨脹緩慢，膨脹穩定。

(3)膨脹變形試驗發現吸水量大于巖樣體積的變化量,這是因為一部分水和巖樣發生反應形成結合水產生膨脹，而另一部分水以自由水的形式填充到巖樣的孔隙中。

(4)隨著軸向應力的增加，膨脹應變以指數型減小。當軸向應力達到400 kPa時，此時含水率和干密度對巖樣膨脹的影響不大。相同干密度下，初始含水率越大對應的膨脹應變越小;相同含水率下，干密度越大對應的膨脹應變越大。

(5)通過平衡膨脹力試驗得到：在同一干密度下，初始含水率越大膨脹力越小;在同一初始含水率下，膨脹力隨干密度的增大而增大，并且初始含水率越小的，膨脹力的變化趨勢越大。