劉 進(jìn), 王慶江

(華北有色工程勘察院有限公司,河北 石家莊 050021)

簡(jiǎn)析蘇丹部分地區(qū)膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)

劉 進(jìn), 王慶江

(華北有色工程勘察院有限公司,河北 石家莊 050021)

蘇丹境內(nèi)膨脹土分布廣泛,為進(jìn)一步了解蘇丹膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì),通過(guò)一系列的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù),總結(jié)蘇丹膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo),分析蘇丹膨脹土的膨脹性隨含水率的變化規(guī)律,并與國(guó)內(nèi)膨脹土進(jìn)行比較,闡述存在的差異。

膨脹土;含水率;塑性圖;膨脹因素

蘇丹境內(nèi)膨脹土分布廣泛,膨脹的破壞對(duì)工程造成很多不利影響,給建設(shè)方和施工方造成很大經(jīng)濟(jì)損失。解決和避免膨脹土的膨脹破壞問(wèn)題,應(yīng)首先了解和掌握該地區(qū)膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì),從而在設(shè)計(jì)和施工方面采取有效措施。本文主要針對(duì)分布于蘇丹青泥羅河?xùn)|岸的卡薩拉州、加的理夫州、新納爾州這三個(gè)州的膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)和淺析。

該區(qū)域地勢(shì)平坦,偶見(jiàn)低矮山丘;基底基巖為新生代玄武巖,地表由蘇丹膨脹土(俗稱黑棉土)覆蓋。

1 膨脹土特性

1.1 現(xiàn)場(chǎng)表觀特征

研究區(qū)域地勢(shì)平坦,主要為第四紀(jì)沖積、沼澤相沉積。地表以下約10～20 m均勻分布膨脹土,有很強(qiáng)的吸水膨脹、失水收縮性質(zhì)。上部土層呈褐黑色,下部為淺黃—黃褐色,有鈣質(zhì)結(jié)核,吸水后手摸有滑膩感,有光澤反應(yīng),失水后干硬度較強(qiáng),呈棱塊狀,微裂隙較發(fā)育,裂隙面粗糙,偶見(jiàn)鐵質(zhì)渲染,縱橫交錯(cuò),上寬下窄,沿豎向和水平方向彎曲,裂隙面凹凸不平,旱季蒸發(fā)量大,土質(zhì)失水導(dǎo)致地表土體開(kāi)裂,雨季裂縫吸水后閉合。

1.2 成分結(jié)構(gòu)分析

對(duì)該地區(qū)的膨脹土取樣進(jìn)行X射線衍射(XRD)分析,膨脹土主要礦物成分為蒙脫石、高嶺石、伊利石,其他礦物如石英、長(zhǎng)石、方解石等普遍存在。其中蒙脫石含量高達(dá)90.77%～95.90%不等,高嶺石含量從3.81% ～5.37%不等。粒徑組成中,<0.005 mm粒徑為20%～44%不等,從研究區(qū)域北部到南部依次減小;<0.075 mm粒徑百分含量平均值為88.5%。蘇丹膨脹土在塑性圖中的位置見(jiàn)圖1。

圖1 蘇丹膨脹土塑性圖Fig.1 Plasticity chart of expansive soil in Sudan

1.3 室內(nèi)試驗(yàn)分析

取膨脹土樣,進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)有膨脹率、一樣多級(jí)加荷膨脹率、膨脹力、殘余強(qiáng)度、剪切試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)等[1](表1)。

表1 蘇丹膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),旱季膨脹土含水率小于塑限,壓縮性低,抗剪強(qiáng)度高,自由膨脹率平均值98.11%,具有強(qiáng)膨脹勢(shì);膨脹力60～380 kPa,平均值為160 kPa,最大干密度接近天然干密度。

1.4 膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)隨含水率的變化

在室內(nèi)土樣試驗(yàn)中,隨著土樣含水率的變化,膨脹土內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角Φ,壓縮系數(shù)a,以及一樣多級(jí)荷載下土體膨脹率發(fā)生不同程度的變化。

研究中選定的含水率變化范圍大致在10%～50%內(nèi),這個(gè)范圍比較接近工程實(shí)際工況條件。通過(guò)圖2-圖4可以看出,在固結(jié)試驗(yàn)中,隨著含水率的增加,壓縮系數(shù)a變大,且在約30%以內(nèi)變化時(shí)壓縮系數(shù)增幅明顯(圖2);對(duì)直剪(快剪)試驗(yàn)測(cè)出的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角值隨著含水率的增加而減小(圖3、圖4)?？梢?jiàn),土樣隨著含水率的變化對(duì)土的抗剪強(qiáng)度值有一定的影響,在設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)特別注意。分析可知,在該地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè),可采取措施控制地基土含水率的變化范圍,按照最不利的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì),從而有效控制地基土力學(xué)參數(shù)的變化,最大限度地降低地基土膨脹帶來(lái)的不利影響。

圖2 含水率W與壓縮系數(shù)a的關(guān)系Fig.2 Relation of moisture content W and compression coeffient a

圖3 含水率W與直剪內(nèi)聚力的關(guān)系Fig.3 Relation of moisture content W and direct shear cohesion

2 和國(guó)內(nèi)膨脹土對(duì)比分析

2.1 膨脹發(fā)生條件

眾所周知,膨脹土富含蒙脫石、高嶺石等親水礦物,之所以發(fā)生脹縮就是因?yàn)橥馏w含水率增加和減少,造成水化膜加厚和減薄。這是土體脹縮的內(nèi)在因素,如果土體的含水率不發(fā)生變化,則土體就不會(huì)發(fā)生脹縮。

顯然,解決膨脹土問(wèn)題應(yīng)該從內(nèi)因和外部條件兩方面著手,只要避開(kāi)其中一個(gè)因素,就可以解決膨脹土脹縮對(duì)工程帶來(lái)的不利后果。

圖4 含水率W與直剪內(nèi)摩擦角的關(guān)系Fig.4 Relation of moisture content W and direct internal friction

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖5為國(guó)內(nèi)膨脹土塑性圖[2],對(duì)比圖1與圖5可以看出,國(guó)內(nèi)膨脹土和蘇丹膨脹土有所不同,前者主要集中在髙液限黏土區(qū)和低液限黏土區(qū),而蘇丹該區(qū)域的膨脹土主要集中在髙液限粉土區(qū)。由此可見(jiàn),國(guó)內(nèi)膨脹土的塑性指數(shù)要大于蘇丹膨脹土,對(duì)工程而言,塑性指數(shù)愈大,表明土的顆粒愈細(xì),比表面積愈大,土的黏?；蛴H水礦物(如蒙脫石)含量愈高,土處在可塑狀態(tài)的含水率變化范圍就愈大。因此,國(guó)內(nèi)膨脹土的膨脹潛勢(shì)高于蘇丹膨脹土。這一發(fā)現(xiàn),可作為按照國(guó)內(nèi)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)的參考。

圖5 國(guó)內(nèi)膨脹土塑性圖Fig.5 Plasticity chart of expansive soil in China

直剪剪切試驗(yàn)(圖2、圖3)顯示,土體隨著含水率的增加,強(qiáng)度有所降低。對(duì)比重塑土樣抗剪強(qiáng)度和殘余抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù),土體發(fā)生膨脹破壞后,強(qiáng)度降低很大,但其殘余強(qiáng)度仍接近國(guó)內(nèi)一般黏性土的正?？辜魪?qiáng)度。即蘇丹膨脹土土體發(fā)生膨脹后,仍有較高的抗剪強(qiáng)度。在計(jì)算土體邊坡穩(wěn)定性時(shí),應(yīng)考慮這個(gè)因素。

圖6 蘇丹膨脹土一樣多級(jí)膨脹曲線

經(jīng)過(guò)室內(nèi)重塑后進(jìn)行一樣多級(jí)荷載膨脹試驗(yàn)(圖6)。從膨脹曲線上看:隨著荷載的增加,土樣的膨脹率變小。當(dāng)荷載超過(guò)50 kPa時(shí),土樣的有荷膨脹率<3%;當(dāng)荷載超過(guò)200 kPa時(shí),土樣的有荷膨脹率<0。因此,在研究區(qū)域內(nèi),有的膨脹土可以通過(guò)施加荷載有效地消除土體的膨脹破壞作用。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在工程實(shí)踐中,當(dāng)膨脹率<3%時(shí),可以忽略土體的膨脹破壞,該種膨脹土可用做工程回填材料。

另一方面,可以把曲線劃分兩個(gè)集團(tuán),以200 kPa時(shí)膨脹率3%為分界線,>3%的為第一集團(tuán),<3%的為第二集團(tuán),結(jié)合工程所在位置和取樣的不同位置,只有沙使納、阿薩達(dá)工程地點(diǎn)的膨脹土樣同屬一個(gè)集團(tuán)即第二集團(tuán),其他工程地點(diǎn)取的膨脹土在兩個(gè)集團(tuán)都有分布?？梢哉f(shuō)明,該地區(qū)的膨脹土的膨脹性質(zhì)存在不均勻性,同一工程地點(diǎn)膨脹土的膨脹性質(zhì)也存在較大差異。在設(shè)計(jì)和施工中,可以參考這種差異采取不同的處理方式,最大限度的節(jié)約工程造價(jià)。

3 結(jié)論和建議

(1) 通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究,對(duì)蘇丹膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)、含水率變化對(duì)膨脹力及土體強(qiáng)度的變化有了直觀的認(rèn)識(shí),通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和圖表可以看到膨脹土的一些物理力學(xué)性質(zhì)的變化,在工程施工和理論研究中可供參考。

(2) 蘇丹建筑材料匱乏,解決膨脹土土體脹縮帶來(lái)的工程問(wèn)題，如果從改善內(nèi)因著手，會(huì)使工程成本很高;可通過(guò)改善回填土體的外部環(huán)境,即使其含水率不發(fā)生變化或控制在適合的范圍內(nèi),來(lái)達(dá)到這一目的。具體的適合范圍,可根據(jù)含水率變化引起的各種物理力學(xué)參數(shù)的變化確定。

(3) 蘇丹膨脹土和國(guó)內(nèi)膨脹土存在一定差異,在工程實(shí)踐中應(yīng)注意這個(gè)問(wèn)題。

[1] SL237—1999,土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

[2] 工程地質(zhì)手冊(cè)編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)[M].第四版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007.

(責(zé)任編輯：陳姣霞)

Analysis of Physical and Mechanical Properties of Expansive Soil in Sudan

LIU Jin, WANG Qingjiang

(NorthChinaEngineeringInvestigationInstituteCo.Ltd.,Shijiazhuang,Hebei050021)

The expansive soil was distributed widely in Sudan,in order to further understand the physical and mechanical properties of expansive soil,through a series of indoor test data,this paper summarized the physical and mechanical indexes of expansive soil in Sudan,analyzed the variation rules of Sudan expansive soil along with the change of the water content,compared with the domestic expansive soil,and described the the differences.

expansive soil; moisture content; plasticity chart; expansion factors

2015-01-29;改回日期:2015-02-12

劉進(jìn)(1979-),男,工程師,巖土工程專業(yè),從事水利工程、巖土工程施工管理工作。E-mail:37650291@qq.com

TU443

A

1671-1211(2015)03-0330-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201503020

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150422.1028.006.html 數(shù)字出版日期:2015-04-22 10:28