摘 要 膨胀土是一种常见的建筑行业常见土体，在膨胀土上的建筑物会因季节气候的变化而产生反复的不均匀沉降和膨胀，而产生大量墙体和基底裂缝。因此有必要研究膨胀土在不同含水量条件下模拟干旱、洪涝等条件进行固结试验。基于此，选取安徽地区几种代表性的膨胀土进行压缩试验，探究土体在不同含水量条件下的压缩变形性质，绘制e-p关系曲线、压缩系数曲线，找出不同膨胀土在不同含水量和压强下的压缩性质关系。为该地区工程建设以及建筑物总沉降量以及时间和变形的关系提供参考。
关键词 固结试验；含水量；孔隙比；压缩模量；压缩系数
中图分类号：TU443 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2017.14.062
1 研究背景
1.1 膨胀土分布情况
膨胀土广泛分布在我国大部分地区，其中安徽、江苏、湖北、河南和陕西等省份均有分布，而安徽地区是膨胀土的主要分布省份之一，其中淮北平原、沿江丘陵平原，江淮波状平原3个区域分布居多[1-4]。膨胀土具有很强的失水收缩和吸湿膨胀性质的强塑性黏土[5]，另外膨胀土强度还有土体强度较高、压缩性较小的特点，并且还有很高的膨縮特性[6-8]。
本文固结压缩试验采集的一号土样（淡红色土）、二号土样（红色土）、三号土样（黄色土）均来自合肥市区蜀山区地铁二号线挖掘的地基土。合肥市区属于江淮波状平原，为弱膨胀潜势膨胀土分布区域，安徽地区膨胀土的资料见表1和表2。
膨胀土的成分、地形地貌、气候、水文条件及日照通风条件等因素影响了膨胀土的膨胀变形和沉降变形。膨胀土地基在上述因素的影响和控制下，在自发地进行着不规则的周期性的涨缩变形，不同膨胀土在不同含水量条件下有着不同的变形性质，导致膨胀土地基上构筑物的裂缝或者破坏。
1.2 合肥地区土壤条件介绍
合肥市地处江淮波状平原，属于定远-肥西膨胀土灾害中型区，平均海拔高度30～90 m，在此地区分布广阔的黏土、粉黏土，自由膨胀率在47%～65%，蒙脱石含量21%～29.6%，属中等膨胀土，此种膨胀土在各类工程项目建设和灾害防护上的危害性较大。
2 试验部分
2.1 试验方法和步骤
固结试验有压缩试验和快速压缩试验两种方法，采用的固结仪器一般有杠杆式固结仪、气压式固结仪。
本试验采用一般压缩试验，采用杠杆式固结仪进行，试验步骤主要：测定原状土主要物理指标、试验含水量土的制备、进行固结试验、按规定时间读指示表读数、试验数据整理处理、绘制相关系数曲线。
2.2 原状土试验
本次试验共采集3种土样，分别为一号土样（淡红色土）、二号土样（红色土）、三号土样（黄色土）。在固结试验之前，设计进行3种土样的原状土试验，每种土样设计两组对比试验。
此次原状土试验设计测量天然堆积土密度、天然含水率、塑限、液限和颗粒比重，结果见表3～5。
2.2.1 天然密度试验
本次密度试验采用环刀法，适用于测量细粒土密度。
试验仪器：环刀（环刀内径：61.8 mm，高度：
20 mm），天平（精度0.01 g），修土刀，玻璃板。土样质量见表6。
2.2.2 天然含水率试验
本次天然含水率试验采用烘干法，本试验使用于粗土、细土、有机质土、冻土。
试验仪器：电热烘箱（设置温度100～110 ℃）、分析天平（感量0.01 g）、称量盒。土样质量见表7。
2.2.3 液限试验
本试验采用手动落锤法。
试验仪器：锥式液限仪、标准筛（0.5 mm筛）、铝称量盒、吹风机、研钵、滴管、烘箱等。
通过试验找到了《土工试验标准》中的土样一、土样三的10 mm液限和17 mm液限（土样二为红砂土无液限）的土样，通过调刀取出锥孔附近土样10～15 g进行烘干。试验进行两次取样测试，要求含水率不得相差超过2%，再取平均值。土样质量见表8。
2.2.4 塑限试验
本次试验采用搓条法测定塑限，此种方法适合颗粒直径小于0.5 mm的土样。
试验仪器：毛玻璃板、称量天平（感量0.01 g）、烘箱、调刀、风机、胶头管和称量盒。本次试验要求测量两组试验数据，且当含水率小于40%时，相差不超过1%；含水率高于等于40%时，相差不超过2%，再取两组试验数据平均值。
通过搓条法得出土样一、土样三（土样二为砂土不测塑限）两组对比样本的塑限样本，进入烘箱烘干，得到试验数据。土壤质量见表9。
以上为所有原状土试验基础数据，经过处理计算后得到最终结果。
2.3 原状土试验数据和结论
原状土物理试验数据见表10。
由表10可得：第一，一号土样和三号土样为黏土，二号土样为砂土；第二，一号土样和三号土样液性指
数>17为黏土；第三，一号土样的液性指数为0.352，处于0.25～0.75，对照可知天然土为可塑状态；三号土样的液性指数为0.025，处于0～0.25，对照可知天然土为硬塑状态；第四，三号土样黄色黏土密度最高，一号土样红色黏土密度其次，二号红色砂土密度最小。
3 固结试验
3.1 不同含水量土样的准备
在固结试验开始前需准备3种土样的不同含水量的试样，首先取每种土样于托盘中放入烘箱中干燥8 h，干燥后取出干燥土于研钵中研磨，在根据事先计算的相应含水量条件下每500 g干燥土所需水兑水浸润得到所需土样，其中土样一设置含水率为18%、21%、24%、27%和30%的土样。土样二设置含水率为12%、15%、18%、21%和24%的土样。土样三设置含水率为18%、21%、22%、24%和27%的土样。
3.2 固结试验试验仪器和步骤
3.2.1 固结试验所用仪器
加压设备：中低压杠杆固结仪、轴承式单杠杆固结仪，杠杆比为1∶10。
指示表的精度为0.01 mm。
其他设备：计时器、砝码、透水石、凡士林、透水滤纸、环刀、玻璃板和调刀等。
3.2.2 固结试验步骤
第一，取相应含水量土样，用内壁涂上凡士林的环刀刀口向下垂直切入土体，用调刀调整刀口平整，并擦净环刀外壁。
第二，取两片滤纸分别放置刀口两侧贴近土体，将环刀放入固结仪环口中上下分别放置湿润洁净的透水石一枚，将固结仪传压盖盒盖上，并将传导活塞的凹部盒传压盖上的凸部扭紧保持合适压力接触。
第三，安装指示表，在安装前确定指示表的活动灵敏自如，并调节指示表于某一合适度数。
第四，使用砝码预压1 kPa，使装置和土体接触紧密，减少误差，并记下指示表读数。
第五，加第一级荷载50 kPa，再加入砝码的同时启动计时器，轻放砝码避免晃动。
第六，按下列时间测记读数：0.5、1、2、5、20、30、60 min和120 min，以及24 h等。直到达到稳定固结为止。其标准是：固结24 h以上，或者指示表每小时变化不超过0.005 mm。
第七，第二级100 kPa、第三级200 kPa、第四级
300 kPa、第五级400 kPa荷载按第一级荷载的方法测记。
第八，拆去指示表，拆卸荷重，拆卸装备，清理装置。
第九，处理试验数据，制作数据表格，绘制关系曲线，得出结论。
3.2.3 固结试验处理数据
整理数据可绘制3种土样不同含水量下的孔隙率与外加压强的关系曲线，如图1～3所示。
由图可知，三种土样的e-p曲线基本为非线性关系，呈现递减变化，满足正常土壤压缩性变化。
通常可将常规压缩试验所得的e-p数据采用普通直角坐标绘制成e-p曲线，如图所示。设压力p1由增至p2，相应的孔隙比由e1减小到e2，当压力变化范围不大时，可将M1M2一小段曲线用割线来代替，用割线M1M2的斜率来表示土在这一段压力范围的压缩性。
且可知压缩系数越高压缩性越高，压缩系数a值与土所受的荷载大小有关。工程中一般采用100～200 kPa压力区间内对应的压缩系数a1-2来评价土的压缩性，且有：
a1-2<0.1 MPa-1属低压缩性土；0.1 MPa-1≤a1-2<0.5 MPa-1属中压缩性土；a1-2≥0.5 MPa-1属高压缩性土。图4～9为3种土样的压缩系数图。
从土样一的含水量与压缩系数关系图可以看出：30%、27%、24%含水量土为中压缩性土，21%含水量土为低压缩性土，18%含水量土为高压缩性土，且在30%～21%压缩系数呈现递减现象，压缩性越来越小，但在18%含水量发生突变，压缩性质不稳定。
从土样二的含水量与压缩系数关系图可以看出：24%、21%、18%、15%含水量土为中压缩性土，12%含水量土为高压缩性土，且可知在24%～15%压缩系数呈现递减现象，压缩性越来越小，但在12%含水量发生突变，压缩性质不稳定。
从土样三的含水量与压缩系数关系图可以看出：27%、24%、22%、21%含水量土为中压缩性土，18%含水量土为高压缩性土，且在27%～21%压缩系数呈现递减现象，压缩性越来越小，但在18%含水量发生突变，压缩性质不稳定。
从3种土样的压缩系数曲线可知，3种土样在某一含水量范围内都有稳定的压缩性质，但低于某一含水量界限，则压缩性质变得不稳定，极易产生固結现象。
且可以发现3种土样的压缩系数不相同，即3种土样的压缩性质不相同。
4 结论
由本试验的合肥蜀山区长江西路地铁二号线3种土样的15组含水量的土样固结压缩试验得到的数据和图形，可为当地的地底土基施工和建筑沉降提供参考。
第一，当地土样成分众多的条件下施工，需考虑不同土样的固结系数、压缩系数等条件进行施工。
第二，在施工时需考虑相同土样的不同含水量的固结性质进行施工，在开工前有必要结合不同土样的不同含水量查阅资料并且进行工前试验。
第三，在不同土样的土层进行建筑施工时，需考虑到不同土样的固结性质，防止建筑物处在两种不同土壤环境上出现不均匀沉降现象，是建筑物的地基基础和墙体承重结构发生倾斜和裂缝现象，引起建筑结构的安全隐患和使用效果。
第四，从3种土样的压缩系数曲线可知，3种土样在某一含水量范围内都有稳定的压缩性质，但低于某一含水量界限，则压缩性质变得不稳定，极易产生固结现象。在工程施工时需考虑这些参数。
参考文献
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（责任编辑：刘昀）
