合肥地區(qū)黏土膨脹特性研究

周 罡 李 淮 楊新安 陳 翔

(1.廣州市重點(diǎn)公共建設(shè)項(xiàng)目管理中心，510030，廣州；2.中交第三航務(wù)工程局集團(tuán)有限公司，200030，上海；3.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，201804，上?！蔚谝蛔髡?，高級(jí)工程師)

合肥地區(qū)是典型的膨脹土覆蓋區(qū)域。膨脹土是具有顯著的吸水膨脹和失水收縮特性的黏土，其土中黏粒成分主要由親水性礦物組成[1]。膨脹土在膨脹和收縮的過程中會(huì)產(chǎn)生膨脹力，會(huì)對(duì)地鐵隧道的施工安全造成不良影響。因此，對(duì)合肥地區(qū)黏土的膨脹特性進(jìn)行研究，具有重要的工程意義。

國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)膨脹性黏土的膨脹特性進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[2]利用膨脹儀、固結(jié)儀等設(shè)備對(duì)經(jīng)過干濕循環(huán)后的膨脹土開展自由膨脹率試驗(yàn)、無荷載膨脹試驗(yàn)和膨脹力試驗(yàn)研究；文獻(xiàn)[3]通過三軸強(qiáng)度試驗(yàn)和膨脹土特性試驗(yàn)(膨脹率測(cè)試和膨脹力測(cè)試)研究了含水率、干密度對(duì)膨脹土三軸強(qiáng)度的影響；膨脹土中含水率增大會(huì)導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低[4-8]，文獻(xiàn)[9-12]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)膨脹土的黏聚力和內(nèi)摩擦角值的對(duì)數(shù)與含水率呈負(fù)線性相關(guān)；文獻(xiàn)[13]通過室內(nèi)土工試驗(yàn)對(duì)合肥新橋機(jī)場(chǎng)膨脹土進(jìn)行了研究，并對(duì)膨脹土進(jìn)行分類，還通過X射線衍射分析手段對(duì)膨脹土的礦物成分進(jìn)行定性和定量的分析和計(jì)算，來研究膨脹土的礦物成分對(duì)該區(qū)膨脹土工程性質(zhì)的影響；文獻(xiàn)[14]開展膨脹土室內(nèi)試驗(yàn)，獲取膨脹土的基本物理力學(xué)參數(shù)和膨脹潛勢(shì),根據(jù)直剪試驗(yàn)結(jié)果，建立膨脹土強(qiáng)度參數(shù)隨含水率變化的經(jīng)驗(yàn)公式；文獻(xiàn)[15]對(duì)南方膨脹土的微結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，表明膨脹土具有其特殊的微結(jié)構(gòu)特性，其決定著膨脹土的膨脹勢(shì)。隨著X射線衍射、透射電鏡、掃描電鏡等測(cè)試技術(shù)以及數(shù)字化圖像處理技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[16-18]，人們對(duì)土微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)將會(huì)更加深入。綜上所述，研究膨脹土微觀結(jié)構(gòu)的科學(xué)手段較為成熟，可以根據(jù)現(xiàn)有的資料對(duì)膨脹性黏土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行直觀的分析;大量研究采用現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)的方式進(jìn)行，但在進(jìn)行原位試驗(yàn)時(shí)，存在邊界條件難以控制、變量眾多的困難，因此在取得原狀土的條件下，可采用室內(nèi)試驗(yàn)的手段進(jìn)行研究。

本文在合肥軌道交通4號(hào)線和5號(hào)線地鐵隧道施工現(xiàn)場(chǎng)取典型黏土地層的原狀土樣，通過一系列室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)其膨脹特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果可為合肥地區(qū)穿越膨脹性黏土地層的地鐵隧道施工提供一定的參考依據(jù)。

1 現(xiàn)場(chǎng)取土及土樣準(zhǔn)備

通過試驗(yàn)可以獲得黏土的天然結(jié)構(gòu)、組織成分、自然濕度及抗剪強(qiáng)度等一系列物理力學(xué)指標(biāo)，從而明確黏土的基本性質(zhì)及其工程特性。為了確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)接近土樣天然狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，需要采用原狀土進(jìn)行試驗(yàn)。這就要求在取土?xí)r采取一定的措施來減少對(duì)土樣的擾動(dòng)。

一般來說，取土樣過程中會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力及應(yīng)力釋放，使土樣產(chǎn)生擾動(dòng)，從而使土樣的有效應(yīng)力產(chǎn)生變化。這一過程是不可避免的。但土樣的擾動(dòng)是被控制在一定的范圍之內(nèi)。如圖1所示，局部擾動(dòng)用擾動(dòng)帶的寬度S表示。S值越小，則原狀土結(jié)構(gòu)范圍越大，土樣質(zhì)量越接近原狀土[19]。

圖1 土樣擾動(dòng)帶示意圖

本研究采用外徑為110.0 mm、壁厚為3.2 mm、長度為200.0 mm的PVC(聚氯乙烯)管材作為取土器；采用壓入法進(jìn)行土樣的采?。蝗⊥梁笥盟芰夏ず湍z帶封住管的兩端，并在恒溫恒濕的條件下保存。

據(jù)合肥軌道交通地質(zhì)勘探資料，合肥地區(qū)主要的黏土層為第四系全新統(tǒng)地層和上更新統(tǒng)地層。本文按形成年代的早晚，將全新統(tǒng)地層黏土稱為“新黏土”，將上更新統(tǒng)地層黏土稱為“老黏土”。本試驗(yàn)采用的原狀土樣為合肥地區(qū)②3層黏土(屬于新黏土)和⑥2層黏土(屬于老黏土)，是兩種地層中廣泛分布的代表性黏土。

2 膨脹特性研究

2.1 自由膨脹率試驗(yàn)

自由膨脹率試驗(yàn)可用于判定黏土在無結(jié)構(gòu)力影響下的膨脹潛勢(shì)。

自由膨脹率[20]為：

(1)

式中：

δef——膨脹土的自由膨脹率；

V——土樣在水中膨脹穩(wěn)定后的體積；

V0——土樣初始體積。

根據(jù)GBJ 112—1987《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定，膨脹土的膨脹潛勢(shì)應(yīng)按表1中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分。

表1 膨脹土膨脹潛勢(shì)劃分

試驗(yàn)采用風(fēng)干碾碎的土樣10 ml。土樣在水中膨脹不同時(shí)間后的自由膨脹率如表2所示。

表2 土樣在水中膨脹不同時(shí)間后的自由膨脹率

由表1試驗(yàn)結(jié)果可知，⑥2層和②3層土樣的δef平均值分別為46.0%和58.0%，由此可以判定兩種典型黏土土樣均具有弱膨脹潛勢(shì)。

2.2 膨脹力試驗(yàn)

采用平衡加壓法對(duì)合肥地區(qū)黏土試樣進(jìn)行膨脹力試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器為單杠桿固結(jié)儀，膨脹力的計(jì)算按照公式(2)進(jìn)行[20]，試樣面積即環(huán)刀面積，為30 cm2，固結(jié)儀杠桿比為1∶12，最終得到黏土膨脹力變化如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果為：⑥2層黏土的膨脹力為25.0 kPa,②3層黏土的膨脹力為31.5 kPa。

圖2 膨脹力pe隨時(shí)間t變化曲線

(2)

式中：

pe——膨脹力；

W——總平衡荷載；

A——試樣面積；

k——固結(jié)儀杠桿比。

2.3 含水率對(duì)黏土強(qiáng)度參數(shù)的影響

將⑥2層黏土按含水率梯度22.5%～27.5%共分6組，②3層黏土按含水率梯度23.4%～34.4%共分7組，對(duì)每組土樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，得到抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(包含黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ)。

將黏土直剪試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)繪制成散點(diǎn)圖，并通過Origin軟件擬合，結(jié)果如圖3及圖4所示。根據(jù)擬合結(jié)果，合肥地區(qū)②3層黏土和⑥2層黏土的c、φ隨含水率ω的變化規(guī)律符合負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系。擬合曲線滿足：

c=a1eb1ω+c1

(3)

φ=a2eb2ω+c2

(4)

其中，a1、a2、b1、b2為擬合系數(shù)，e為自然底數(shù)，c1、c2為常數(shù)。擬合結(jié)果見表3。

表3 擬合結(jié)果

由圖3、圖4及擬合結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，ω越高，則土體的抗剪強(qiáng)度越小。這一規(guī)律具體表現(xiàn)為膨脹土遇水軟化。

a)②3層黏土

a)②3層黏土

2.4 微觀電鏡試驗(yàn)

微觀試驗(yàn)采用FEI Quanta 200II型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，選取合肥地區(qū)的新黏土和老黏土樣品。首先，將樣品風(fēng)干；然后，將樣品切割成長度為10 mm、厚度為3 mm的方形薄片，并對(duì)試樣表面進(jìn)行噴金鍍膜；最后，將樣品放入顯微鏡觀察。觀察樣品時(shí)，顯微鏡放大倍數(shù)為50 000倍，并以電鏡照片的形式記錄(如圖5所示)。

a)新黏土

根據(jù)電鏡試驗(yàn)的結(jié)果：老黏土形成年代較為久遠(yuǎn)，形成過程中經(jīng)歷壓密作用較多，導(dǎo)致黏土顆粒更為緊湊，具有致密結(jié)構(gòu)面；新黏土形成年代較晚，形成過程中，脹縮效應(yīng)所形成的不均勻水平應(yīng)力所產(chǎn)生的水平應(yīng)力差居主導(dǎo)地位，導(dǎo)致了復(fù)雜交錯(cuò)的裂隙結(jié)構(gòu)，即裂隙結(jié)構(gòu)面。

3 結(jié)論

1)通過自由膨脹率試驗(yàn)得到，⑥2層黏土土樣自由含水率為46.0%，②3層黏土土樣自由含水率為58.0%。兩種土樣均具有弱膨脹性。采用平衡加壓法進(jìn)行膨脹力試驗(yàn)，測(cè)得⑥2層土樣的膨脹力為25.0 kPa。

2)由土樣直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土樣的抗剪強(qiáng)度隨著ω的增大而減小，當(dāng)ω接近飽和含水率時(shí)，土樣的抗剪強(qiáng)度達(dá)到最低。基于直剪試驗(yàn)，對(duì)兩種黏土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與含水率進(jìn)行擬合。根據(jù)擬合結(jié)果，合肥地區(qū)黏土的c、φ同ω之間存在負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，具體表現(xiàn)為黏土遇水軟化，土體抗剪強(qiáng)度降低。

3)通過微觀電鏡試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，新黏土和老黏土分別具有裂隙結(jié)構(gòu)面和致密結(jié)構(gòu)面。

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果顯示:新黏土自由膨脹率和膨脹力均大于老黏土，具有更強(qiáng)的膨脹特性；從微觀方面分析，微孔隙、微裂隙是2種黏土具有膨脹性的原因。