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。
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)。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。