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成都地区膨胀土力学特性试验研究

一、研究背景和意义

成都地处四川盆地西部，地质构造复杂，广泛分布着膨胀土。膨胀土是一种具有特殊工程性质的土类，其显著特点是遇水膨胀、失水收缩，且这种胀缩特性具有反复性。在成都地区，由于气候湿润，降水较为丰富，膨胀土的胀缩变形更为频繁和显著。

这种特性会对当地的工程建设造成严重危害。例如，在建筑物地基工程中，膨胀土的膨胀会使地基隆起，导致建筑物墙体开裂、结构变形；而收缩则会使地基下沉，同样影响建筑物的稳定性。在道路工程中，膨胀土路基的胀缩会造成路面开裂、起伏不平，影响道路的使用寿命和行车安全。此外，水利工程、地下管线工程等也常因膨胀土的不良力学特性而出现各种病害，不仅增加了工程的维护成本，还可能引发安全事故。

目前，虽然针对膨胀土已有一定的研究，但成都地区的膨胀土由于其独特的地质环境和气候条件，在力学特性上可能与其他地区存在差异。因此，开展成都地区膨胀土力学特性的试验研究，深入了解其膨胀性、抗剪强度、压缩性等力学特性及其影响因素，对于指导该地区的工程设计与施工、减少工程病害、提高工程安全性和经济性具有重要的理论和实际意义。

二、试验材料和方法

（一）土样采集与基本物理性质

本次试验的土样采集于成都地区不同典型地段，包括龙泉驿区、双流区等膨胀土分布较为集中的区域。采集深度为地表以下2-5m，以确保土样具有代表性。土样采集后，立即密封保存，防止水分蒸发和外界污染。

对采集的土样进行基本物理性质试验，包括粒度分析、液塑限试验、天然含水量试验和天然密度试验等。粒度分析采用筛分法和比重计法联合测定，得出土样中各粒组的含量；液塑限试验采用液塑限联合测定仪进行，确定土样的液限、塑限和塑性指数；天然含水量试验采用烘干法，将土样在105-110℃的烘箱中烘干至恒重，计算含水量；天然密度试验采用环刀法，测定土样的天然密度。

经试验测定，成都地区膨胀土的基本物理性质如下：天然含水量在20%-30%之间，天然密度为1.7-1.9g/cm3，液限一般大于50%，塑限在20%-30%之间，塑性指数大于20，颗粒组成中黏粒含量较高，通常在30%以上。

（二）试验设备和步骤

膨胀性试验：采用固结仪进行膨胀率试验。试验步骤如下：首先将制备好的环刀土样放入固结仪中，施加1kPa的初始压力，使土样与多孔板紧密接触。然后向固结仪中注水，使土样充分浸水，同时记录不同时间土样的膨胀量，直至膨胀稳定。根据膨胀量计算土样的膨胀率。另外，还进行了不同垂直压力下的膨胀率试验，以研究压力对膨胀性的影响。

抗剪强度试验：采用直剪仪进行快剪和慢剪试验。快剪试验时，在土样上施加垂直压力后，立即快速施加水平剪力，直至土样剪切破坏；慢剪试验则是在施加垂直压力后，让土样充分排水固结，然后缓慢施加水平剪力。分别测定不同垂直压力下土样的抗剪强度，绘制抗剪强度与垂直压力的关系曲线，得出内摩擦角和黏聚力。

压缩试验：使用固结仪进行压缩试验。将土样放入固结仪中，分级施加垂直压力，每级压力稳定后记录土样的压缩量，计算压缩系数和压缩模量，分析土样的压缩特性。

收缩试验：采用收缩仪测定土样的收缩特性。将土样制成一定尺寸的试件，在自然条件下风干，记录不同时间土样的体积变化和质量损失，计算收缩率和收缩系数。

（三）试验参数选择理由

在试验参数选择上，充分考虑了成都地区的实际工程情况和膨胀土的特性。例如，在膨胀性试验中，垂直压力的选择范围参考了当地建筑物和道路工程的实际荷载情况；含水量的变化范围则结合了成都地区的气候特点，涵盖了多雨季节和干旱季节可能出现的含水量变化。通过合理选择试验参数，使试验结果更具实际应用价值，能够更好地反映成都地区膨胀土在实际工程中的力学行为。

三、试验结果与分析

（一）膨胀性试验结果分析

试验结果表明，成都地区膨胀土的膨胀率随着初始含水量的增加而降低。当初始含水量较低时，土样具有较强的吸水膨胀能力，膨胀率较大；随着初始含水量的提高，土样的吸水空间减少，膨胀率逐渐减小。

垂直压力对膨胀率的影响显著，随着垂直压力的增大，膨胀率逐渐降低。当垂直压力达到某一值时，膨胀率为零，该压力称为膨胀力。成都地区膨胀土的膨胀力一般在50-150kPa之间，这一结果为工程设计中确定基础荷载提供了重要参考。

（二）抗剪强度试验结果分析

快剪试验和慢剪试验结果显示，慢剪试验得出的抗剪强度大于快剪试验的结果。这是因为慢剪试验中土样有充分的排水固结时间，土颗粒能够重新排列，结构更加稳定，从而提高了抗剪强度。

内摩擦角和黏聚力是反映抗剪强度的重要指标。成都地区膨胀土的内摩擦角一般在10°-20°之间，黏聚力在20-50kPa之间。随着含水量的增加，内摩擦角和黏聚力均有所降低，这是由于水对土颗粒间的黏结力产生了削弱作用。

（三）压缩试验结果分析

压缩试验