南陽地區中弱膨脹土的試驗研究

杜紅偉，謝玉輝，張 弛

(1.南陽理工學院 土木工程系，河南 南陽 473004;2.南陽建設發展有限公司，河南 南陽 473000)

膨脹土在世界范圍內分布極廣，迄今已發現存在膨脹巖土的國家達40余個，我國是膨脹土分布最廣的國家之一，在黃河流域及其以南的20余個省區均有不同范圍的分布。

膨脹土是指黏粒成分主要由強親水性礦物組成的，液限大于40%且脹縮性能較大的黏性土。主要由次生黏土礦物——蒙脫石和伊利石組成，同時具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性。由于組成成分及比例的不同，其外觀一般呈現褐色、紅色、黃色或灰白色等。一般土質細膩，黏性大，呈硬塑狀態，斜交裂隙和光滑面發育，裂面顏色呈灰白、黃褐等雜色交混，無明顯界限。膨脹土的微結構特征值隨母巖與地質成因不同而異。本文所研究的膨脹土取自河南省南陽地區宛坪高速公路鎮平段灰白色膨脹土。灰白色膨脹土主要是殘積膨脹土，由泥灰巖風化而成。黏土礦物成分主要以蒙脫石為主，大約占礦物成分的33%，富含CaO顆粒(疆石結核)，屬第四系中、上更新統膨脹土。

1 南陽膨脹土的相關情況

1.1 南陽地區膨脹土的分布

南陽膨脹土從南陽盆地自西向東，從弱到中強，其中從內鄉、鎮平界到方城，以中弱膨脹土為主，膨脹土土層主要分布在地表0～4 m深度。由于膨脹土的特殊性質，即吸水膨脹，失水干縮，引發了許多工程事故［1］。

1.2 膨脹土的分類

迄今為止，國內外膨脹土分類的方法不少，標準也不統一。主要分為兩大類:一類是通過測定蒙脫石含量，如X射線法，電熱分析法，染料吸附法，電子顯微鏡辨別法;另一類為通過對土的自由膨脹率，塑性指數，液限、塑限等的確定，找出膨脹土與非膨脹土的界限指標進行判別［2］。

我國《膨脹土地區建筑技術規范》(JGJ112-87)規定，自由膨脹率>40%可判定為膨脹土，特殊情況下尚可根據蒙脫石含量確定，當蒙脫石含量 >7%時，亦可判定為膨脹土，具體分類方法見表1。

表1 膨脹土級別

對膨脹土的判定各行業采用的標準不盡相同，由此造成膨脹土分類上的差異［3］。本文主要采用《公路路基設計規范》(JTG D30-2004)對膨脹土進行膨脹潛勢分類，分類標準見表2。

表2 膨脹土的膨脹潛勢分類

1.3 南陽地區膨脹土的主要特征

南陽膨脹土分布廣泛，該地區膨脹土不僅有膨脹土的共同性質，也有自己的特點。

1.3.1 膨脹土的礦物成分及其影響因素

膨脹土之所以有膨脹性，是由于黏性土中含有親水的黏土礦物，如蒙脫石、伊利石等。膨脹性實質上是這些黏土礦物晶格中的水，隨雨季和旱季、豐水年和枯水年的溫度變化而增減所致。膨脹性能的大小取決于這些親水黏土礦物在黏性土中的含量高低。含量越高，膨脹性越大，反之，則越小。膨脹土的膨縮性能，除與黏土礦物成分及含量有直接關系外，尚與膨脹土體的含水量、厚度及埋藏或出露條件密切相關。

1.3.2 南陽膨脹土的物理力學參數

膨脹土由于其組成含有較多的膨脹性黏土礦物(蒙脫石、伊利石)，具有很強的吸水性、高塑性、快速崩解及劇烈的脹縮性。通過室內試驗測得南陽膨脹土的部分物理力學參數，見表3。南陽膨脹土的黏土礦物成分主要有伊利石，其次是蒙脫石，還有少量的高嶺石、水云母和綠泥石等(表4)。從這些物理力學參數可以看出南陽膨脹土屬于中弱膨脹性的黏土。

表3 南陽膨脹土的物理力學參數

表4 南陽膨脹土的礦物成分

2 試驗研究的主要內容

2.1 土樣的采集和保管

2.1.1 土樣的采集

土樣可在試坑、平洞、豎井、天然地面及鉆孔中采取。所取土樣在地下1.5～4.0 m之間。取原狀土樣時，必須保持土樣的原狀結構及天然含水量，并使土樣不受擾動。在取得土樣后，應對土樣進行編號，用標簽貼在相應的取土袋上。取樣數量根據試驗項目和最大顆粒直徑按土工試驗要求確定［4］。

2.1.2 土樣的保管

①土樣采集后應把土樣放在陰涼處，防止水分的蒸發;②土樣應放在空閑處，防止人為因素而使原狀土樣受擾動;③土樣應隨用隨削。

2.2 原狀土試件的制備

2.2.1 試件制備過程

按土樣上下層次小心開啟原狀土包裝皮，將土樣取出放正，整平兩端。在環刀壁涂一薄層凡士林，刀口向下，放在土樣上，無特殊要求時，切土方向與天然層次垂直。

切削過程中，應細心觀察并記錄試件的層次、氣味、顏色，有無雜質，土質是否均勻，有無裂縫等。如連續切取數個試件，應注意使含水量不發生變化。視試件本身及工程要求，決定試件是否進行飽和，如不立即進行試驗或飽和時，則將試件暫存于保溫器內。切取試件后，剩余的原狀土樣用蠟紙包好置于保溫器內，以備補作試驗之用。切削的余土作物理性試驗。平行試驗或同一組試件密度差值不大于±0.1 g/cm3，含水量差不大于2%。

2.2.2 試件飽和(真空飽和法)

真空飽和所用儀器:飽和器、真空缸、抽氣機等。操作步驟:

1)將裝好試件的飽和器放入真空缸內，蓋口涂一薄層凡士林，以防漏氣;

2)關管夾，開閥門，開動抽氣機，抽除缸內及土中氣體，當真空壓力表達到一個負大氣壓力值后，稍微開啟管夾，使清水從引水管徐徐注入真空缸內;在注水過程中，應調節管夾，使真空壓力表上的數值基本保持不變;

3)待飽和器完全淹沒水中后，即停止抽氣，將引水管自水缸中提出，令空氣進入真空缸內，靜待一定時間，借大氣壓力，使試件飽和;

4)取出試件，稱質量，準確至0.1 g，計算飽和度。

2.3 試驗內容

2.3.1 含水率試驗和密度試驗

含水率試驗采用烘干法進行，密度試驗采用蠟封法測定試樣密度。

2.3.2 界限含水量試驗(液、塑限聯合測定法)

液、塑限聯合測定法是根據圓錐儀的圓錐入土深度與其相應的含水率在雙對數坐標上具有線性關系的特性來進行的。利用圓錐質量為76 g的液塑限聯合測定儀測得土在不同含水率時的圓錐入土深度，并繪制其關系直線圖，在圖上查得圓錐下沉深度為10 mm(或17 mm)所對應的含水率即為液限，查得圓錐下沉深度為2 mm所對應的含水率即為塑限。

2.3.3 膨脹率試驗和膨脹力試驗

土的膨脹是指黏性土體在浸水過程中體積增大的現象。所謂膨脹率，是指試樣在有側限條件下浸水后的豎向膨脹量與試樣原高度之比。膨脹含水率是指土樣在膨脹穩定后的含水率。根據加載條件，可分為無荷載膨脹率試驗和有荷載膨脹率試驗，本試驗做的是無荷載膨脹率試驗。

該試驗的目的是原狀膨脹土在有側限條件下的膨脹率和膨脹含水率，以評價建筑物地基的膨脹性質。

膨脹力是土體在吸水膨脹時產生的內應力。本試驗用于測定試樣在體積不變的情況下由于膨脹所產生的最大內應力，采用加荷平衡法。

2.3.4 自由膨脹率試驗和收縮試驗

自由膨脹率為松散的烘干土粒在水中和空氣中分別自由堆積的體積之差與在空氣中自由堆積的體積之比，以百分數表示，用以判定無結構力的松散土粒在水中的膨脹特性。

土收縮是指原狀土和擊實土在自然風干條件下失水體積收縮的一種現象。失水收縮通常有三個階段:第一階段，土體收縮與含水率減少成正比;第二階段，隨著含水率的減少，土體收縮率愈來愈小;第三階段，含水率繼續減小，但土體收縮甚微。單向收縮量與試樣原高度的比值或單向收縮量與試樣原直徑的比值稱線縮率。土體收縮達穩定時的體積收縮量與試樣原體積的比值稱體縮。在第一階段內含水率每減少1%時的線收縮率稱收縮系數。

2.3.5 滲透試驗和直接剪切試驗

該試驗采用變水頭滲透試驗，是指通過土樣的滲流在變化的水頭壓力下進行的滲透試驗。

直接剪切試驗就是直接對試樣進行剪切的試驗，是測定土的抗剪強度的一種方法。通常是4個試樣，在不同的垂直壓力P下施加水平剪切力，測得試樣破壞時的剪應力τ，然后根據庫侖定律確定土的抗剪強度參數內摩擦角φ和黏聚力c。

2.3.6 固結試驗

地基土在外荷作用下，水和空氣逐漸被擠出，土的骨顆粒相互擠聚，因而引起土的固結，試驗目的是測定一般黏性土在側限條件下受荷時的穩定固結量及固結過程，繪制固結曲線，從而求出土的壓縮系數 av和固結模量 Es［5］。

3 試驗結果與分析

進行了一定數量的室內土工試驗，得到了膨脹土各項性能指標。

3.1 物理性能指標和水理性能

含水率一般在26% ～28%，有的已經達到33%，含水率較大;密度在1.9～2.0 g/cm3之間;液限為50.8，塑限為26.5。該類膨脹土的滲透系數較大，一般在2.8×10－5～5.0×10－5cm/s之間。據其物理性能指標可推斷該膨脹土具有較大的收縮潛勢;據其水理性能指標可推斷其結構含有大量疆石和微小裂隙［6］。

3.2 特殊性能指標

收縮性能和自由膨脹率性能指標見表5。

3.3 力學性能指標

由表5和表6可知，該類膨脹土屬中弱膨脹土，漲縮性非常強，工程性質很差。該膨脹土抗壓強度比較高，這會給工程建設造成一定的誤區，使人們誤以為地基土的抗壓強度高，在設計中就容易出現問題。實際上是由于南陽膨脹土中的疆石含量較高的緣故。

表5 土樣的收縮性能和自由膨脹率性能指標

表6 壓力為100～200 kPa時土的壓縮性能指標

4 結論

通過對南陽地區原狀膨脹土的物理性質、水理性質、力學性質和特殊性質等方面的試驗研究，測得土樣的礦物構成和各類性能指標。根據蒙脫石含量和自由膨脹率指標，可判斷該類土樣膨脹潛勢介于弱膨脹到中等膨脹之間。線縮率指標較高，漲縮性強，工程性質很差。壓縮性能指標較高，抗壓強度較高，但不能誤以為是地基土的抗壓強度高，而是由于膨脹土中疆石含量高的緣故。因此在實際工程中必須判定地基土是否為膨脹類土以及膨脹類別，并提供原始的數據資料和參考依據。根據實際情況進行設計和施工，對于避免和減少工程事故的發生，提高和鞏固工程質量具有重要的意義［7］。

［1］繆林昌，劉松玉.南陽膨脹土的水分特征和強度特性研究［J］.水利學報，1998(7):46-49.

［2］劉特洪.工程建設中的膨脹土問題［M］.北京:中國建筑工業出版社，1998.

［3］陳希哲.土力學與地基基礎(第四版)［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［4］袁聚云.土工試驗與原理［M］.上海:同濟大學出版社，2003.

［5］黃文熙.土的工程性質［M］.北京:水利出版社，1993.

［6］李健，孫英學.高等級公路工程中的膨脹土研究［J］.水利水電科技進展，1998，2(1):41-44，58.

［7］楊元明.工程中土的流變特性及其應用［M］.西安:西安地圖出版社，2006.