京霸鐵路膨脹土判識與分類方法探討

劉愛葉

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津　300251)

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京霸鐵路膨脹土判識與分類方法探討

劉愛葉

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津300251)

依托京霸地區(qū)在建鐵路對膨脹土各項指標(biāo)匹配性進行研究。研究表明，液限、自由膨脹率、蒙脫石含量及陽離子交換量四項膨脹性判識指標(biāo)具有很高的相關(guān)性。根據(jù)試驗結(jié)果，得出自由膨脹率及蒙脫石含量新的分類界值，其建議界值對該地區(qū)膨脹土的判識具有很好的指導(dǎo)意義。

膨脹性判識分類相關(guān)性

1　概述

膨脹土是顆粒高分散、成分以黏土礦物為主、對環(huán)境濕熱變化非常敏感的高塑性黏性土，具有脹縮特性、裂隙性、超固結(jié)性等特殊的工程性質(zhì)[1，2]。黏土礦物主要由蒙脫石、伊利石和高嶺石組成，而蒙脫石正是導(dǎo)致膨脹土產(chǎn)生膨脹的主要因素。蒙脫石是2∶1型礦物[3]，晶層間的連接力主要是范德華力以及陽離子對兩側(cè)晶層的靜電引力。當(dāng)蒙脫石與水或水汽接觸時，水分子進入晶層之間，由于離子以及晶層表面對水分子的靜電作用產(chǎn)生水合作用，由此產(chǎn)生的斥力克服了以上兩種引力致使晶層間距增大，蒙脫石顆粒開始膨脹。膨脹發(fā)生后，更多水分子進入晶層之間，但并沒有形成連接的水體，當(dāng)水分子層數(shù)達到一定程度，水合作用減弱，晶層膨脹結(jié)束[4]。

依托京霸地區(qū)在建鐵路，采集大量土樣開展了膨脹土各膨脹指標(biāo)匹配性研究，從基本統(tǒng)計特征、指標(biāo)間相關(guān)性及分類特征三方面，分析和闡述京霸地區(qū)膨脹土的膨脹特性，提出適應(yīng)此地區(qū)的膨脹指標(biāo)分級范圍。

2　材料與方法

2.1試驗樣品

試驗樣品均來自京霸鐵路沿線，通過隨機方式選取30組。

2.2主要試驗設(shè)備及試劑

液塑限聯(lián)合測定儀，膨脹率儀(無頸漏斗口徑5mm，下落高度10mm)，離心機，滴定管，量筒，氯化鈉溶液(5%)等，實驗所用水為超純水，試劑均為分析純(A.R)。

2.3試驗方法

試驗樣品液限、自由膨脹率、蒙脫石含量及陽離子交換量測試步驟及方法均按照鐵路工程土工試驗規(guī)程(TB10102—2010J1135—2010)[5]和鐵路工程巖土化學(xué)分析規(guī)程(TB10103—2008J862—2009)[6]進行。樣品試驗結(jié)果見表1。

表1　膨脹土基本物理性質(zhì)及物化分析試驗結(jié)果

2.4膨脹性判識指標(biāo)及分級標(biāo)準(zhǔn)

膨脹土的判別指標(biāo)很多，主要可分為兩大類，陽離子交換量、蒙脫石含量(用化學(xué)法或X射線衍射法測定)、比表面積、界限含水量、黏粒含量、自由膨脹率等[7-9]。本試驗采用自由膨脹率、蒙脫石含量、陽離子交換量及液限作為膨脹性判識指標(biāo)，其中自由膨脹率、蒙脫石含量和陽離子交換量分級標(biāo)準(zhǔn)采用鐵路標(biāo)準(zhǔn)[10]，液限采用中科院武漢巖土力學(xué)所專家陳善雄[11-13]提出的分類標(biāo)準(zhǔn)。具體分級標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2　膨脹土的分類標(biāo)準(zhǔn)

3　試驗結(jié)果與討論

3.1京霸地區(qū)膨脹土樣品統(tǒng)計特征

為了深入了解京霸地區(qū)膨脹巖土特征，從1 800多組膨脹土樣中隨機選取30個樣品，分別進行液限、自由膨脹率、蒙脫石含量及陽離子交換量測試試驗，同時對土樣各指標(biāo)進行基本特征統(tǒng)計分析，結(jié)果見表3。

表3　膨脹土分類指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果

由表1和表3可得，液限、自由膨脹率、蒙脫石含量及陽離子交換量的分布區(qū)間較大，各指標(biāo)的最小值和最大值有較大的跨級區(qū)間，說明京霸地區(qū)膨脹土膨脹潛勢差異較大，局部會出現(xiàn)非膨脹土及中膨脹土；由表3可得，30個樣品各指標(biāo)的變異系數(shù)均大于0.2，蒙脫石的變異系數(shù)甚至達到0.477，說明本試驗選取的樣品具有一定的代表性。由表2分類標(biāo)準(zhǔn)可看出，樣品膨脹指標(biāo)液限、蒙脫石含量及陽離子交換量的測試平均值為弱膨脹，而自由膨脹率的測試平均值為非膨脹，存在一定的差異。

3.2各膨脹指標(biāo)相關(guān)性分析

運用統(tǒng)計軟件進行相關(guān)性分析(如圖1～圖6)。圖1～圖6中R2為擬合系數(shù)，表征擬合曲線與實際數(shù)據(jù)之間的擬合程度，取值范圍為0～1，該值越大，擬合程度越高。由圖1～圖6可得，液限與陽離子交換量的擬合系數(shù)為0.769 1，液限與蒙脫石含量的擬合系數(shù)為0.726 0，液限與自由膨脹率的擬合系數(shù)為0.819 7，自由膨脹率與陽離子交換量的擬合系數(shù)為0.781 7，自由膨脹率與蒙脫石含量的擬合系數(shù)為0.756 7，蒙脫石含量與陽離子交換量的擬合系數(shù)為0.786 5。由上述分析可知，膨脹性指標(biāo)液限、自由膨脹率、蒙脫石含量及陽離子交換量相互之間均成相似的線性關(guān)系，并且有很高的相關(guān)性，尤其是液限與自由膨脹率之間，擬合系數(shù)達到0.819 7。

圖1　液限與陽離子交換量的關(guān)系

圖2　液限與蒙脫石含量的關(guān)系

圖3　自由膨脹率與液限的關(guān)系

圖4　自由膨脹率與陽離子含量的關(guān)系

圖5　自由膨脹率與蒙脫石含量的關(guān)系

圖6　蒙脫石含量與陽離子交換量的關(guān)系

3.3樣品膨脹性分類結(jié)果分析

由表2中的分類標(biāo)準(zhǔn)對各指標(biāo)的試驗結(jié)果進行匯總，得出試驗樣品的膨脹潛勢結(jié)果(表4)。從液限及陽離子交換量的分析結(jié)果可以看出，所取土樣以非、弱膨脹土為主，占總土樣個數(shù)的86.7%和83.3%，中膨脹土樣僅占13.3%及16.7%，并且均沒有強膨脹樣品存在，說明此地區(qū)的膨脹土大部分以非-弱膨脹存在。同時也表明液限和陽離子交換量兩指標(biāo)在此地區(qū)膨脹土判識方面有很大的一致性，可以作為此地區(qū)膨脹土判識的聯(lián)合指標(biāo)進行判定及分類。

表4　膨脹土判別統(tǒng)計結(jié)果

從自由膨脹率的分析結(jié)果可以看出，所取土樣均為非、弱膨脹土，無中-強膨脹土，非-弱膨脹土樣分別占53.3%及46.7%。自由膨脹率結(jié)果表明此地區(qū)膨脹土均為非-弱膨脹土，幾乎沒有中-強膨脹土存在，與液限及陽離子交換量結(jié)果相比，明顯判識級別偏低。

從蒙脫石含量的分析結(jié)果[14]可以看出，所取土樣為非-弱膨脹土及中-強膨脹土，分別占膨脹土樣50%，并且以中膨脹土居多，表明此地區(qū)膨脹土大部分均為膨脹土，與液限及陽離子交換量結(jié)果相比，明顯判識級別偏高。

3.4京霸地區(qū)膨脹分類建議

由3.3分析可知，液限及陽離子交換量作為此地區(qū)的膨脹判識及分級指標(biāo)有一定的一致性，同時兩項指標(biāo)本身的相關(guān)性也很好，推薦作為本地區(qū)的膨脹判識分類指標(biāo)。自由膨脹率作為本地區(qū)膨脹土的判識分類指標(biāo)，結(jié)果與上兩項指標(biāo)相比明顯偏??；而蒙脫石含量作為本地區(qū)膨脹土的判識分類指標(biāo)，結(jié)果與上兩項指標(biāo)相比明顯偏大。然而四項指標(biāo)的試驗結(jié)果具有很好的相關(guān)性，因此具備共同判識此地膨脹土的條件。綜上分析，根據(jù)京霸地區(qū)膨脹土的特點[15，16]，適當(dāng)降低自由膨脹率的界限值，同時適當(dāng)提高蒙脫石含量的界限值，以達到四項結(jié)果相一致的目的。建議值見表5。

表5　膨脹土的分類標(biāo)準(zhǔn)

按照表5給出的建議值重新對30組試驗的測試結(jié)果進行分級判識(表6)。

由表6中匯總結(jié)果可得，四項指標(biāo)均得出此地區(qū)的膨脹土以非-弱膨脹土為主，分別占占總土樣個數(shù)的86.7%、86.7%、86.7%和83.3%，中膨脹土樣僅分別占13.3%、13.3%、13.3%及16.7%，并且均沒有強膨脹樣品存在，說明此地區(qū)的膨脹土大部分以非-弱膨脹存在，同時四指標(biāo)在此地區(qū)膨脹土判識方面有很好的一致性。

表6　膨脹土判別統(tǒng)計結(jié)果

4　結(jié)論

(1)液限、自由膨脹率、蒙脫石含量及陽離子交換量四膨脹性判識指標(biāo)對京霸地區(qū)膨脹土的判識結(jié)果具有很好的相關(guān)性，具備作為此地區(qū)膨脹土判識的基本條件。

(2)液限及陽離子交換量指標(biāo)的分級結(jié)果具有很好的一致性，而自由膨脹率指標(biāo)的膨脹性分級結(jié)果偏小，蒙脫石含量指標(biāo)的膨脹性分級結(jié)果偏大。

(3)根據(jù)結(jié)果分析得出了自由膨脹率及蒙脫石含量指標(biāo)新的分級界值，并對試驗數(shù)據(jù)進行重新分級，分類指標(biāo)得出了一致性的分級結(jié)果，表明建議界值對此地區(qū)膨脹土的分級具有很好的指導(dǎo)意義。

[1]賈東亮，丁述理，杜海金，等.膨脹土工程性質(zhì)的研究現(xiàn)狀與展望[J].河北建筑科技學(xué)院學(xué)報，2003，20(1):33-39

[2]劉洪特.工程建設(shè)中膨脹土問題[M].北京：中國建設(shè)工業(yè)出版社，1997.

[3]余頌.膨脹土分類指標(biāo)及方法研究[D].武漢，中科院武漢巖土力學(xué)研究所，2006．

[4]范·奧爾芬.黏土膠體化學(xué)導(dǎo)論[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社，1979．

[5]鐵道部.TB10102—2010鐵路工程土工試驗規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2011

[6]鐵道部.TB10103—2008鐵路工程巖土化學(xué)分析規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社，2009

[7]姚海林，楊洋，程平，等.膨脹土壤標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率及其試驗方法[J].巖土力學(xué)，2004，25(6)：856-859

[8]姚海林，程平，楊洋，等.標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率對膨脹土進行分類的理論與實踐[J].中國科學(xué)(E集)，2005，35(1):43-52

[9]王國強.安徽省江淮地區(qū)膨脹土的工程性質(zhì)研究[J].巖土工程學(xué)報，1999，21(1):119-121

[10]鐵道部.TB10077—2001鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國鐵道出版社，2008

[11]陳善熊，余 頌，孔令偉，等.膨脹土的判別與分類方法探討[J].巖土力學(xué)，2005，26(12):1895-1900

[12]段海澎，陳善雄，余飛，等.新公路膨脹土判別與分類方法對皖中膨脹土的適用性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25(10):2121-2127

[13]黃健敏，段海澎，陳善雄，等.江淮膨脹土自由膨脹率特征[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2006，14(6):776-781

[14]李蓉侖.云南地區(qū)膨脹土祥判試驗[J].路基工程，2008(4)：162-163

[15]GB50112—2013膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范[S]

[16]TB10038—2001鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程[S]

Study on Approach to Identification and Classification of Expansive Soils on the Beijing to Bazhou Railways

LIU Aiye

2016-05-04

劉愛葉(1982—)，女，2009年畢業(yè)于天津大學(xué)化學(xué)專業(yè)，工程師。

1672-7479(2016)04-0045-04

P642.1

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