陳 喆，柴金飛

(1.中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300251；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 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，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)濟損失巨大[2-5]。因此，如何快速準確地預(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，JTG D30—2004《公路路基設(shè)計規(guī)范》使用自由膨脹率、標準吸濕含水量和塑性指數(shù)作為判別標準，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準[6]。實際試驗結(jié)果表明，選用不同的指標，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間的相關(guān)性，以及自由膨脹率和土體物理指標間的相關(guān)性2方面，對牡佳鐵路沿線土質(zhì)的膨脹性進行統(tǒng)計和分析，研究其膨脹指標的匹配性。

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，隨機抽取300組土樣進行試驗。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[7-8]。膨脹土分級標準采用鐵路標準[9-10]，見表1。

表1 膨脹土的分級標準

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分別進行統(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統(tǒng)計

按照表1的分級標準，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的分級標準對上述300組土樣進行分類，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)系進行統(tǒng)計分析。

2.1 樣品統(tǒng)計特征

依照表1的分級標準，對上述土樣的3項指標進行了匯總分析，結(jié)果如表2所示。

表2 3項膨脹指標匯總結(jié)果

由表2可知：3項指標的分布較廣，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分類標準對表2中各個指標的平均值進行分級。以自由膨脹率為判別指標，該批樣品屬于非膨脹土;而以蒙脫石含量作為判別指標，該批樣品屬于中膨脹土;以陽離子交換量作為判別指標，又屬于弱膨脹土。由此可以看出3項指標間存在一定的差異。

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指標進行線性回歸分析，得到指標間的線性關(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具有一定的合理性。

對照表1的分類標準對所取300組土樣進行了判別分類，分類結(jié)果見表3。僅有21組土樣的3項判別指標能達到一致，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相差較大。以自由膨脹率作為判別指標，土樣大多是非膨脹土；而以蒙脫石含量和陽離子交換量進行判別，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)了強膨脹土。顯然，以自由膨脹率為判別指標比以蒙脫石含量、陽離子交換量為判別指標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確判斷土的膨脹潛勢強弱[11-12]。選取300組土樣中的40組膨脹土樣進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項物理指標之間的關(guān)系進行分析。

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[13]。

采用文獻[14-16]提出的分類標準對牡佳鐵路沿線膨脹潛勢進行劃分。具體分級標準見表5。

對照表5的分類標準對所取土樣進行了判別分類，分類結(jié)果見表6。

表5 膨脹土的分級標準

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，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、強膨脹土樣。這說明液限、塑性指數(shù)和自由膨脹率3指標對牡佳地區(qū)膨脹土判別結(jié)果具有較好的一致性，可以作為聯(lián)合指標對牡佳鐵路沿線的土質(zhì)進行膨脹性判別。

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。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比以蒙脫石含量和陽離子交換量作為判別指標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準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，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項判別指標能達到一致，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)物理指標中的液限、塑性指數(shù)與鐵路標準中膨脹土的3項判別指標具有較好的相關(guān)性，可以作為聯(lián)合指標對牡佳鐵路沿線的土質(zhì)進行膨脹性判別。

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項指標與蒙脫石含量、陽離子交換量得以相互匹配。