牡佳鐵路沿線土體膨脹性試驗研究

陳 喆，柴金飛

(1.中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300251；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

膨脹土是一種以蒙脫石、伊利石、高嶺石等礦物成分為主的高塑性黏性土[1]。蒙脫石的比表面積大，親水性強(qiáng)，使得膨脹土具有吸水膨脹和失水收縮的特性，導(dǎo)致其性質(zhì)極不穩(wěn)定，危害工程建設(shè)，經(jīng)濟(jì)損失巨大[2-5]。因此，如何快速準(zhǔn)確地預(yù)測巖土的膨脹性對工程設(shè)計、工程造價及工程施工有著重要影響。

不同國家不同行業(yè)對膨脹土的判別指標(biāo)也不同。我國GB 50112—2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》僅使用自由膨脹率作為判別指標(biāo)，JTG D30—2004《公路路基設(shè)計規(guī)范》使用自由膨脹率、標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水量和塑性指數(shù)作為判別標(biāo)準(zhǔn)，TB 10042—1995《鐵路工程地質(zhì)膨脹土勘測規(guī)則》使用自由膨脹率、蒙脫石含量與陽離子交換量作為詳判標(biāo)準(zhǔn)[6]。實際試驗結(jié)果表明，選用不同的指標(biāo)，判別結(jié)果常存在不一致的問題。因此，本文以在建牡佳鐵路為研究對象，從不同土質(zhì)的自由膨脹率、蒙脫石含量和陽離子交換量指標(biāo)間的相關(guān)性，以及自由膨脹率和土體物理指標(biāo)間的相關(guān)性2方面，對牡佳鐵路沿線土質(zhì)的膨脹性進(jìn)行統(tǒng)計和分析，研究其膨脹指標(biāo)的匹配性。

1 牡佳鐵路沿線不同土質(zhì)的膨脹性統(tǒng)計分析

試驗所用膨脹土均取自牡佳鐵路沿線，隨機(jī)抽取300組土樣進(jìn)行試驗。采用自由膨脹率、蒙脫石含量和陽離子交換量作為膨脹性等級劃分的指標(biāo)[7-8]。膨脹土分級標(biāo)準(zhǔn)采用鐵路標(biāo)準(zhǔn)[9-10]，見表1。

表1 膨脹土的分級標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)地質(zhì)人員對巖土的描述定名，將上述300組土樣分成粉質(zhì)黏土、粉土、泥巖、砂巖、礫土5組，對不同膨脹判別指標(biāo)分別進(jìn)行統(tǒng)計匯總，結(jié)果見圖1。

圖1 5組土樣的不同膨脹判別指標(biāo)統(tǒng)計

按照表1的分級標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計5組土樣中各級膨脹土的數(shù)量，見圖2。

圖2 不同判別指標(biāo)下各級膨脹土占比

由圖1、圖2可知：5組土樣自由膨脹率的均值升序排列為粉土、礫土、砂巖、粉質(zhì)黏土、泥巖；蒙脫石含量的均值升序排列為砂巖、礫土、粉土、粉質(zhì)黏土、泥巖；陽離子交換量的均值升序排列為砂巖、粉土、礫土、粉質(zhì)黏土、泥巖?？梢娔鄮r和粉質(zhì)黏土的膨脹性較大，砂巖、礫土、粉土的膨脹性較小。按照自由膨脹率劃分，泥巖主要分布在非-弱膨脹區(qū)，按照蒙脫石含量劃分，泥巖主要分布在弱-中-強(qiáng)膨脹區(qū)，按照陽離子交換量劃分，泥巖主要分布在非-弱-中膨脹區(qū)；對于粉質(zhì)黏土來說，按照自由膨脹率劃分，主要是非-弱膨脹區(qū)，按照蒙脫石含量劃分，主要分布在中-強(qiáng)膨脹區(qū)，按照陽離子交換量劃分，主要分布在非-弱-中膨脹區(qū)。

2 牡佳鐵路沿線膨脹土自由膨脹率、蒙脫石含量與陽離子交換量三者間的相關(guān)性

對于相鄰地區(qū)，由于環(huán)境、地殼運(yùn)動等因素相同，其土質(zhì)礦物含量應(yīng)遵循一定規(guī)律，土樣膨脹性也應(yīng)存在一定規(guī)律[8]。根據(jù)表1的分級標(biāo)準(zhǔn)對上述300組土樣進(jìn)行分類，對牡佳鐵路沿線土質(zhì)自由膨脹率、蒙脫石含量和陽離子交換量兩兩之間的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2.1 樣品統(tǒng)計特征

依照表1的分級標(biāo)準(zhǔn)，對上述土樣的3項指標(biāo)進(jìn)行了匯總分析，結(jié)果如表2所示。

表2 3項膨脹指標(biāo)匯總結(jié)果

由表2可知：3項指標(biāo)的分布較廣，最大值和最小值跨越的膨脹等級也比較廣，變異系數(shù)較大，說明牡佳鐵路沿線膨脹潛勢隨地區(qū)差異較大，所選樣本具有一定的代表性。

對照表1分類標(biāo)準(zhǔn)對表2中各個指標(biāo)的平均值進(jìn)行分級。以自由膨脹率為判別指標(biāo)，該批樣品屬于非膨脹土;而以蒙脫石含量作為判別指標(biāo)，該批樣品屬于中膨脹土;以陽離子交換量作為判別指標(biāo)，又屬于弱膨脹土。由此可以看出3項指標(biāo)間存在一定的差異。

2.2 自由膨脹率、蒙脫石含量和陽離子交換量兩兩之間相關(guān)性分析

為了研究自由膨脹率、蒙脫石含量和陽離子交換量兩兩之間的相關(guān)性，依次分別對2指標(biāo)進(jìn)行線性回歸分析，得到指標(biāo)間的線性關(guān)系見圖3。

圖3 自由膨脹率、蒙脫石含量和陽離子交換量兩兩相關(guān)性

由圖3可知：3項指標(biāo)間均成線性關(guān)系，尤其是蒙脫石含量和陽離子交換量之間線性擬合系數(shù)達(dá)到 0.794。說明三者之間有較好的相關(guān)性，作為膨脹性的判別與分類指標(biāo)具有一定的合理性。

對照表1的分類標(biāo)準(zhǔn)對所取300組土樣進(jìn)行了判別分類，分類結(jié)果見表3。僅有21組土樣的3項判別指標(biāo)能達(dá)到一致，而大多數(shù)土樣的判別結(jié)果出現(xiàn)較大的差異。其中，自由膨脹率與另外兩項指標(biāo)相差較大。以自由膨脹率作為判別指標(biāo)，土樣大多是非膨脹土；而以蒙脫石含量和陽離子交換量進(jìn)行判別，所取土樣分別以弱～中膨脹土、非～弱膨脹土為主,分別占總土樣個數(shù)的66.3%和78.0%，此外，還出現(xiàn)了強(qiáng)膨脹土。顯然，以自由膨脹率為判別指標(biāo)比以蒙脫石含量、陽離子交換量為判別指標(biāo)得出的土體膨脹性低。

表3 各級膨脹土分類結(jié)果 組

3 自由膨脹率與常規(guī)物理性質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性分析

3.1 試驗內(nèi)容

土樣的膨脹性大小除了與礦物成分含量有關(guān)，在一定程度上也會受到土體微結(jié)構(gòu)的影響，單純測定蒙脫石含量和陽離子交換量無法準(zhǔn)確判斷土的膨脹潛勢強(qiáng)弱[11-12]。選取300組土樣中的40組膨脹土樣進(jìn)行自由膨脹率試驗和常規(guī)5項物理試驗，對牡佳鐵路沿線自由膨脹率與常規(guī)5項物理指標(biāo)之間的關(guān)系進(jìn)行分析。

3.2 試驗結(jié)果與討論

牡佳鐵路沿線自由膨脹率與常規(guī)物理指標(biāo)之間相關(guān)性統(tǒng)計結(jié)果，見表4。

表4 自由膨脹率與常規(guī)物理指標(biāo)相關(guān)性統(tǒng)計

由表4可知：自由膨脹率與常規(guī)物理指標(biāo)中的液限和塑性指數(shù)有較好的相關(guān)性，而與其他物理性質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性較差。

從物理意義上講，塑性指數(shù)在一定程度上反映控制形成脹縮性能的濃差滲透吸附結(jié)合水的發(fā)育程度，即土粒與水的相互作用的程度,所以，塑性指數(shù)本身是一種反映膨脹土本質(zhì)特征的指標(biāo)[13]。

采用文獻(xiàn)[14-16]提出的分類標(biāo)準(zhǔn)對牡佳鐵路沿線膨脹潛勢進(jìn)行劃分。具體分級標(biāo)準(zhǔn)見表5。

對照表5的分類標(biāo)準(zhǔn)對所取土樣進(jìn)行了判別分類，分類結(jié)果見表6。

表5 膨脹土的分級標(biāo)準(zhǔn)

表6 各級膨脹土分類結(jié)果 組

由表6可知：分別以液限、塑性指數(shù)和自由膨脹率作為分類指標(biāo)，所取土樣均以非膨脹土為主，分別占總土樣的 82.5%,62.5%，85%;弱膨脹土樣分別占17.5%，37.5%，15%;無中、強(qiáng)膨脹土樣。這說明液限、塑性指數(shù)和自由膨脹率3指標(biāo)對牡佳地區(qū)膨脹土判別結(jié)果具有較好的一致性，可以作為聯(lián)合指標(biāo)對牡佳鐵路沿線的土質(zhì)進(jìn)行膨脹性判別。

4 牡佳鐵路沿線膨脹潛勢分級探討

結(jié)合基本力學(xué)特征和地質(zhì)人員的土樣描述資料，牡佳鐵路沿線的膨脹土主要是弱膨脹土和中膨脹土。因此，該地區(qū)更適合以蒙脫石含量和陽離子交換量作為膨脹土的判別指標(biāo)。而綜合上文分析可知，以液限、塑性指數(shù)和自由膨脹率作為判別指標(biāo)比以蒙脫石含量和陽離子交換量作為判別指標(biāo)得出的土體膨脹性低。這說明規(guī)范所提出的液限、塑性指數(shù)和自由膨脹率的分界標(biāo)準(zhǔn)不能完全適用于牡佳鐵路沿線的膨脹土劃分。應(yīng)根據(jù)該地區(qū)膨脹土的特點(diǎn)，適當(dāng)降低液限、塑性指數(shù)和自由膨脹率的分級界限值，以達(dá)到與蒙脫石含量、陽離子交換量得出的差別結(jié)果相一致的目的。

5 結(jié)論與建議

1)對牡佳鐵路沿線不同土質(zhì)膨脹性進(jìn)行對比，得知泥巖和粉質(zhì)黏土的膨脹性較大，砂巖、礫土和粉土的膨脹性較小。

2)通過對牡佳鐵路沿線膨脹土試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)僅有少量土樣的自由膨脹率、蒙脫石含量和陽離子交換量3項判別指標(biāo)能達(dá)到一致，而大多數(shù)土樣的判別結(jié)果出現(xiàn)較大的差異。

3)常規(guī)物理指標(biāo)中的液限、塑性指數(shù)與鐵路標(biāo)準(zhǔn)中膨脹土的3項判別指標(biāo)具有較好的相關(guān)性，可以作為聯(lián)合指標(biāo)對牡佳鐵路沿線的土質(zhì)進(jìn)行膨脹性判別。

4)液限、塑性指數(shù)和自由膨脹率三者劃分膨脹性結(jié)果具有較好的一致性，而比按照蒙脫石含量和陽離子交換量劃分得出的土體膨脹性低。

建議在該地區(qū)的實際工程應(yīng)用中應(yīng)適當(dāng)降低液限、塑性指數(shù)和自由膨脹率的界限值，使這3項指標(biāo)與蒙脫石含量、陽離子交換量得以相互匹配。