蒙西地區(qū)膨脹土工程特性研究

楊江峰，李 興，李 顥

(1.內(nèi)蒙古電力勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010091；2.鄂爾多斯市建設(shè)工程設(shè)計審查站，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

膨脹土指土中粘土礦物成分主要由親水礦物組成，同時具有吸水顯著膨脹軟化和失水收縮干裂兩種特性，且具有濕脹干縮反復(fù)變形的高塑性粘土[1]。膨脹土原始狀態(tài)下堅硬，但在氣候和水的影響下，其強度會隨著含水量的變化大幅波動。膨脹土場地的建(構(gòu))筑物、電力設(shè)施等淺層輕型結(jié)構(gòu)，常因膨脹土問題引起不均勻沉降、開裂及滑坡等工程災(zāi)害，這種破壞作用具有多次反復(fù)性和長期潛伏性，工程界稱之為“隱藏的災(zāi)害”[1-2]。

蒙西地區(qū)地貌類型復(fù)雜，巖土種類豐富，工程建設(shè)中相繼遇到許多膨脹土問題。因此對蒙西地區(qū)膨脹土進行調(diào)查分析，并對其工程特性進行研究，具有重要的理論和實踐指導(dǎo)意義。

1 蒙西地區(qū)膨脹土的成因、物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征

1.1 蒙西地區(qū)膨脹土的成因

我國典型地區(qū)膨脹土的成因多以沖積、湖積和混合成因為主。根據(jù)地質(zhì)環(huán)境條件和成因的不同，蒙西地區(qū)膨脹土大致可分為高平原及緩丘陵地帶膨脹土、火山熔巖臺地膨脹土，多以殘積風(fēng)化成因為主。

1.2 蒙西地區(qū)膨脹土的物質(zhì)組成

膨脹土的脹縮特性是由其礦物組成和化學(xué)成分以及結(jié)構(gòu)特征所控制的。

1)礦物成分

膨脹土的礦物成分由粘土礦物和碎屑礦物組成，碎屑礦物中大部分為石英、云母和斜長石，其次為石膏和方解石等其他礦物。粘土礦物構(gòu)成膨脹土的細粒部分，主要有蒙脫石和伊利石，其次為高嶺石和綠泥石等，對膨脹土的工程性質(zhì)起決定性作用[3]。蒙西地區(qū)膨脹土粘土礦物成分主要是蒙脫石，含有一定量的高嶺石或伊利石等礦物組分的混合體。土中蒙脫石有效成分含量超過7%時，對土的工程性質(zhì)就會產(chǎn)生影響；有效含量超過20%～30%時，土的脹縮性和強度特性基本上由蒙脫石決定。如圖1所示為蒙西某地區(qū)膨脹土基于X射線衍射儀獲得的2θ——相對衍射強度的衍射圖譜，圖中θ為衍射角度。

圖1 蒙西某地區(qū)膨脹土X射線衍射圖譜

對照標(biāo)準(zhǔn)衍射數(shù)據(jù)，由圖1可知蒙西地區(qū)膨脹土的主要礦物成分為蒙脫石、高嶺石、伊利石、石英和鈉長石等，其中蒙脫石、高嶺石、伊利石這類典型的粘土礦物具有與水較強的結(jié)合能力，吸水膨脹軟化，失水收縮變硬，因此該類礦物決定了膨脹土的主要脹縮特性；石英、鈉長石等碎屑礦物對膨脹土的脹縮特性影響不大。經(jīng)X射線衍射(XRD)定量分析，可知該區(qū)域膨脹土中粘土礦物蒙脫石含量約為12%～20%、伊利石約為9%～12%，其他礦物成分主要為石英。根據(jù)膨脹土礦物鑒別分類法可判定該區(qū)域膨脹土為弱、中等膨脹土。

2)粒度成分

粒度成分是反映膨脹土性質(zhì)的另一個重要指標(biāo)。與其礦物成分相對應(yīng)，組成膨脹土的粒度成分以細顆粒為主。研究表明，蒙西地區(qū)膨脹土中小于0.005 mm的粘粒含量最低的均在30%以上，平均含量一般超過50%；0.05～0.005 mm的粉粒含量一般居于25%～50%之間；大于0.05 mm的沙粒含量相對很少，由此可知蒙西地區(qū)膨脹土主要為粘土或粉質(zhì)粘土。

1.3 蒙西地區(qū)膨脹土的結(jié)構(gòu)特征

膨脹土的微結(jié)構(gòu)是指在一定的地質(zhì)環(huán)境和條件下土壤顆粒的排列方式，微孔隙與微裂隙的大小、形狀、數(shù)量、空間分布和充填情況，以及接觸與連接方式等。研究膨脹土的微結(jié)構(gòu)有助于深入理解和認識膨脹土的力學(xué)性能以及膨脹和收縮的理論。膨脹土中片狀粘土礦物彼此疊聚在一起構(gòu)成膨脹土中活動性的基本結(jié)構(gòu)單元，這些疊聚體彼此聚集在一起形成粘土基質(zhì)，少量懸浮在粘土基質(zhì)中的碎屑礦物成棱角狀或次棱角狀。

蒙西地區(qū)膨脹土中的粘土礦物顆粒大多彼此以面—面的方式疊聚在一起，如圖2所示。

圖2 膨脹土微結(jié)構(gòu)特征

由圖2可知，在放大倍數(shù)分別為1 000倍和2 000倍的掃描電鏡下觀察原狀膨脹土微結(jié)構(gòu)，其疊聚體間緊密接觸，疊聚體之間存在較大的團聚體，片狀粘土顆粒的邊緣形狀非常不規(guī)則、呈細長狀，顆粒間聯(lián)結(jié)比較強，整體是連續(xù)的，沒有明顯的定向排列特征，粘粒呈集聚狀，同相型和過渡型接觸是結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)的主要類型；各種尺寸、形狀和較發(fā)育的微孔隙和微裂隙于聚集體內(nèi)或聚集體之間分布。這種結(jié)構(gòu)使膨脹土的強度變低，并且對干濕循環(huán)更加敏感。

2 蒙西地區(qū)膨脹土工程特性

2.1 分布特征

蒙西地區(qū)膨脹土一般分布在表層1.0～5.0 m 范圍內(nèi)，個別地區(qū)表層分布30～50 cm 厚的黃褐色粘土，中間是膨脹土，下層為粉性土或砂性土。從外觀看，膨脹土呈紅褐色、灰黑色、灰色或黃褐色。天然狀態(tài)下，呈有棱角的塊狀或片狀，其顆粒大小一般在2.0～5.0 cm 之間。天然干燥狀態(tài)下呈暗灰色、紅褐色，土塊堅硬。天然潮濕狀態(tài)下呈發(fā)亮的棕紅色、灰黑色或黃色。特別潮濕狀態(tài)下經(jīng)攪動后可以結(jié)成巨大團塊或粗長粘條，干燥的膨脹土團塊，遇水浸濕后，既使在一定的荷載作用下，土的體積仍能膨脹，并崩解成顆粒在 1.0 cm 以下的小碎塊或小薄片。

根據(jù)地質(zhì)環(huán)境條件和成因的不同，蒙西地區(qū)膨脹土大致可分為高平原及緩丘陵地帶膨脹土、火山熔巖臺地膨脹土，其主要特征見表1所列。

表1 蒙西地區(qū)膨脹土分布特征

高平原及緩丘陵地帶膨脹土：該區(qū)域地處大青山北內(nèi)蒙古高原地帶，地形基本由南至北逐漸低緩，膨脹土廣泛分布于在坦蕩的高平原和丘陵一帶。其中蘇尼特右旗中部朱日和鎮(zhèn)以北至賽烏素地勢較平坦，該地帶表層大部分以第三紀(jì)和中生代的紅色砂巖、泥巖和砂礫巖為基底，上面覆有不厚的第四紀(jì)殘積物和風(fēng)積物。

火山熔巖臺地膨脹土：該區(qū)域膨脹土主要分布在火山熔巖臺地，該區(qū)域是第四紀(jì)玄武巖最主要的分布區(qū)之一，中新世至中更新世玄武巖熔巖流大面積覆蓋并形成了許多大面積的玄武巖臺地。臺面平坦開闊，坡角10°左右，臺面上有大小不等的火山錐、剝蝕丘、剝蝕柱。該區(qū)域膨脹土多為第三紀(jì)灰紅色—灰綠色玄武巖殘積粘土，土體裂隙發(fā)育，局部地區(qū)含有鐵錳質(zhì)結(jié)核。

2.2 物理力學(xué)性質(zhì)

目前，蒙西地區(qū)對膨脹土的研究較少。不同地區(qū)、不同類型膨脹土的物理及工程特性指標(biāo)存在著較大差異，現(xiàn)將所搜集到的蒙西地區(qū)具有代表性的膨脹土基本指標(biāo)匯總見表2所列。

表2 蒙西不同地區(qū)膨脹土部分物理力學(xué)指標(biāo)

從表2可以發(fā)現(xiàn)，高平原及緩丘陵地帶膨脹土天然含水量范圍為17.7%～29.5%，平均值為22.6%；天然重度范圍為18.8～20.5 kN/m3，平均值為19.5 kN/m3；液限范圍為30.8%～59.6%，平均值為42.5%；塑限范圍為18.2%～34.3%，平均值為24.9%；塑性指數(shù)范圍為11.3～26.0，平均值為17.3，以硬塑和堅硬狀態(tài)的粘性土為主。

而熔巖臺地一帶，膨脹土天然含水量范圍為14.3%～37.8%，平均值為23.0%；天然重度范圍為17.2～21.5 kN/m3，平均值為19.1 kN/m3；液限范圍為45.2%～98.0%，平均值為66.5%；塑限范圍為15.3%～91.0%，平均值為35.7%；塑性指數(shù)范圍為17.4～57.5，平均值為30.8，多以堅硬狀態(tài)的粘性土為主。

從兩者的常規(guī)物理指標(biāo)來看，丘陵與臺地的含水量及重度差別不大，但液限、塑限及塑性指數(shù)差別較大，其中熔巖臺地的膨脹土液限、塑限及塑性指數(shù)平均值較丘陵區(qū)的高出約56.5%、43.3%和78.0%。這說明兩類膨脹土性質(zhì)有很大不同。

2.3 脹縮性質(zhì)

以自由膨脹率、膨脹力作為主要的脹縮指標(biāo)，按膨脹土分布范圍對各地區(qū)土的脹縮特性進行研究歸納，其主要脹縮特性指標(biāo)匯總見表3所列。

表3 蒙西不同地區(qū)膨脹土部分脹縮特性指標(biāo)

根據(jù)表3，按GB 50112—2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[4]的評判標(biāo)準(zhǔn)及評判指標(biāo)，高平原及緩丘陵一帶膨脹土，其自由膨脹率范圍在40%～82%之間，平均值為53%，成份主要由泥巖風(fēng)化形成的粘性土組成，膨脹特性總體上屬弱—中等膨脹，以弱膨脹為主；火山熔巖臺地一帶膨脹土，其自由膨脹率范圍在57%～290%，平均值為89%，成份主要由玄武巖風(fēng)化形成，膨脹特性總體上屬中等—強膨脹性，以中等膨脹為主。

從表2液限指標(biāo)來看，熔巖臺地膨脹土脹縮指標(biāo)明顯大于高平原及緩丘陵一帶，從液限指標(biāo)來看，丘陵一帶的膨脹土液限平均為42.5%，稍大于40%，屬中液限粘土；熔巖臺地膨脹土其液限平均值為66.5%，最高值甚至可達98%，為高液限粘土，具很強的親水性。同時丘陵地區(qū)膨脹土的塑性指數(shù)平均值為17.3，而熔巖臺地的平均值高達30.8，這與高膨脹勢的測定結(jié)果相一致，說明熔巖臺地膨脹土具有很高的物理化學(xué)活性。

2.4 相關(guān)參數(shù)分析

GB 50112—2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》[4]中將自由膨脹率作為判斷膨脹土膨脹潛勢的評判指標(biāo)，因此，為方便在本地區(qū)對簡單工程膨脹潛勢及膨脹力的初步判別，將膨脹土的自由膨脹率、膨脹力與部分常規(guī)物理指標(biāo)進行了歸納總結(jié)，以了解指標(biāo)間是否存在一定的關(guān)聯(lián)。

1)自由膨脹率與常規(guī)物理指標(biāo)的相關(guān)性

選取天然含水率、天然重度、液限、塑限、塑性指數(shù)與自由膨脹率及膨脹力進行了相關(guān)性分析，分析結(jié)果見表4所列。

表4 自由膨脹率與常規(guī)物理指標(biāo)相關(guān)性分析成果表

從表4可以看出，自由膨脹率與液限、塑性指數(shù)指標(biāo)相關(guān)程度均顯著，其相關(guān)系數(shù)達0.5以上。同時自由膨脹率與塑限相關(guān)程度也較顯著，但以上兩類地區(qū)，自由膨脹率與含水量、重度、塑限的相關(guān)程度均不明顯。

因此，選用液限與塑性指數(shù)進行分析。對指標(biāo)之間進行回歸分析，蒙西兩類地區(qū)自由膨脹率與液限、塑性指數(shù)的相關(guān)擬合關(guān)系如圖3～圖4所示。

圖3 δef與WL擬合關(guān)系

圖4 δef與Ip擬合關(guān)系

2)膨脹力與常規(guī)物理指標(biāo)的相關(guān)性

擬合結(jié)果表明，蒙西地區(qū)兩類膨脹土的膨脹力與常規(guī)物理指標(biāo)相關(guān)程度均不明顯，見表5所列。

表5 膨脹力與常規(guī)物理指標(biāo)相關(guān)性分析成果表

3 結(jié)論

通過收集蒙西地區(qū)已有的大量電力工程勘探成果、現(xiàn)場踏勘及取樣分析，發(fā)現(xiàn)蒙西地區(qū)存在較多的膨脹土。同時通過室內(nèi)實驗，分析了蒙西地區(qū)膨脹土的礦物成分和微結(jié)構(gòu)特征。

1)蒙西地區(qū)境內(nèi)的膨脹土分布比較集中，大體沿川井—白云鄂博—達茂合旗—錫林浩特一帶分布，烏蘭察布零星分布。按地質(zhì)環(huán)境條件和成因的不同，蒙西地區(qū)的膨脹土大致可分為高平原及緩丘陵帶泥巖類風(fēng)化膨脹土、火山熔巖臺地玄武巖類風(fēng)化膨脹土。其礦物成分不同，表現(xiàn)出的脹縮特性也不同。其中泥巖類風(fēng)化膨脹土膨脹特性屬弱—中等膨脹，以弱膨脹為主，玄武巖類風(fēng)化膨脹土脹縮特性屬中—強膨脹性，以中膨脹為主。

2)通過自由膨脹率、膨脹力與常規(guī)物理指標(biāo)相關(guān)分析比較后發(fā)現(xiàn)，蒙西地區(qū)膨脹土自由膨脹率指標(biāo)與液限、塑性指數(shù)相關(guān)程度顯著。