成都地區(qū)膨脹土物理力學(xué)性質(zhì)分析探討

周德賢

(中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610081)

在成都地區(qū)高階地及部分山麓斜坡、坳谷，常常分布厚度不一的膨脹土，土內(nèi)多發(fā)育不規(guī)則裂隙，裂隙面充填浸染狀的灰白色粘土。近十年來，隨著工程建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，在膨脹土地區(qū)工程建設(shè)過程中，由于對膨脹土性質(zhì)認(rèn)識不足，出現(xiàn)了不少的基坑、邊坡失穩(wěn)等問題。本文分析探討了成都平原Ⅲ級階地比較典型的膨脹土的性質(zhì)，以提高對膨脹土性質(zhì)的認(rèn)識和了解。

1 膨脹土的定義

膨脹土是土中粘粒成分主要由親水性礦物組成，同時具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的往復(fù)脹縮變形的粘性土。它的主要礦物成分是蒙脫石、伊利石或高嶺土。在實際工程中則是按照國家標(biāo)準(zhǔn)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范(GBJ 112－87)》規(guī)定，根據(jù)場地的地形地貌，自由膨脹率大于或等于40%的土，判定為膨脹土。

2 膨脹土的物理性質(zhì)

本文中所有試樣均取自龍?zhí)端垄蠹夒A地同一地貌單元同一場地，分為灰白色和黃色兩種顏色的粘土。粘土顏色不同，反映出其礦物成分和物理、力學(xué)性質(zhì)的不同。

2.1 粒度成分

根據(jù)測定成都膨脹土的粒度變化一般不大。其粒度組成，砂粒組含量一般＜10%，粉粒組45～50%，粘粒組50%左右。

2.2 礦物成分

灰白色粘土中陽離子交換量大，平均321.8 mmol/kg，蒙脫石含量高，平均22.98% ，而黃色夾少量灰白色粘土中陽離子交換量相對于灰白色粘土低33%，平均215.8 mmol/kg，其蒙脫石含量平均13.43%，比灰白色粘土低41%。

表1 膨脹土礦物成份及膨脹性

2.3 膨脹性

表1可以清楚地看到灰白色粘土中由于陽離子交換量大、蒙脫石含量高，這些親水性強(qiáng)，很大比表面積的礦物的存在，因此灰白色粘土具有強(qiáng)的膨脹性，自由膨脹率72%～96%，具有強(qiáng)膨脹潛勢。黃色夾少量灰白色粘土的膨脹性則要低得多，自由膨脹率41%～56%，具弱膨脹潛勢。

2.4 含水率、飽和度、孔隙比

表2為兩種顏色膨脹土的物理性質(zhì)指標(biāo)。灰白色粘土，硬塑狀態(tài)，平均值:密度1.97 g/ cm3，含水率25.5 %，飽和度93.5 %，孔隙比為0.754，液限46.7 %，塑限為22.65 %，塑性指數(shù)24.07。黃色夾少量灰白色粘土，硬塑狀態(tài)，平均值:密度1.96 g/ cm3，含水率為23.1 %，飽和度90 %，孔隙比為0.708，液限43.4 %，塑限為24.7 %，塑性指數(shù)19.3。

表2 膨脹土的物理性質(zhì)指標(biāo)

續(xù)表2

通過以上對比，灰白色粘土中陽離子、蒙脫石含量較高，其膨脹性大，含水率高，飽和度、孔隙比大，黃色夾少量灰白色粘土的陽離子、蒙脫石含量較低，其膨脹性小，含水率低，飽和度、孔隙比小。顯示出不同顏色、不同礦物成分含量的粘土其膨脹性，物理性質(zhì)有較大的差異。

3 力學(xué)性質(zhì)

3.1 壓縮性

從表3 看出，灰白色粘土:壓縮系數(shù)為0.133－0.237 MPa－1，平均0.172 MPa－1，屬低壓縮性土;壓縮模量7.54～12.90 MPa，平均10.45 MPa。黃色粘土壓縮系數(shù)為0.120－0.193 MPa－1，平均0.195 MPa－1，屬低壓縮性;壓縮模量9.01－13.78 MPa，平均12.27 MPa。

表3 膨脹土的壓縮性

3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

表4為灰白色粘土原狀樣和重塑樣的試驗，其靈敏度在1.0～1.09 之間，屬低靈敏土，重塑土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比原狀土略低。

表4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

3.3 抗剪強(qiáng)度

灰白色粘土的直剪:粘聚力平均71.75 kPa，摩擦角11.25°;三軸UU 粘聚力平均65.83 kPa，摩擦角7.43°;三軸CU 粘聚力平均44.33 kPa，摩擦角10.93°;三軸CU 粘聚力平均46.33 kPa，摩擦角11.84°。

黃色夾少量灰白色粘土的直剪:粘聚力平均102.5 kPa，摩擦角16.4°;三軸UU 粘聚力平均102.33 kPa，摩擦角10.48°;三軸CU 總應(yīng)力平均50.33 kPa，摩擦角16.5°;三軸CU 有效應(yīng)力平均52.33 kPa，摩擦角17.43°。

表5 灰白色粘土抗剪強(qiáng)度試驗結(jié)果

表6 黃色夾少量灰白色粘土抗剪強(qiáng)度試驗結(jié)果

表5 表6 明顯地反映出在同一地貌單元同一場地，不同顏色、不同土質(zhì)的粘土抗剪強(qiáng)度的不同，同時也反映出同一土質(zhì)，由于試驗儀器和試驗方法的不同，所獲得的抗剪強(qiáng)度參數(shù)差別也很大。

由于膨脹粘土中裂隙發(fā)育的不規(guī)則性，采取原狀樣進(jìn)行室內(nèi)抗剪強(qiáng)度試驗，獲得的數(shù)據(jù)差異性較大。要獲得土的真實抗剪強(qiáng)度參數(shù)，采用野外原位試驗是最好的辦法。但往往工程中因為各種因素，不能進(jìn)行原位試驗。通常采用的室內(nèi)試驗，也多為直剪試驗。根據(jù)與現(xiàn)場原位試驗結(jié)果對比，三軸試驗CU(固結(jié)不排水)結(jié)果與原位試驗較接近，而直剪試驗比現(xiàn)場原位試驗的C，φ 高很多。綜上所述，筆者建議在無法作現(xiàn)場原位試驗時，最好作三軸試驗CU(固結(jié)不排水)。如果作直剪試驗，將直剪試驗C 值折減5～7 折，φ 值折減7～9 折較合理。

4 結(jié)束語

(1)成都地區(qū)二、三階地廣泛分布著具有膨脹性的粘土，較典型的是灰白色和黃色夾少量灰白色的粘土。它們的共性都具有膨脹性，天然狀態(tài)下，具有低壓縮性、較高的地基強(qiáng)度，在遇水或失水時則出現(xiàn)膨脹和收縮現(xiàn)象。施工過程中處理不當(dāng)容易導(dǎo)致基坑、邊坡的失穩(wěn)。

(2)同一地貌單元同一場地，不同顏色、不同礦物成分的膨脹粘土，其物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)有著較大的差異。同一土質(zhì)，由于試驗儀器和試驗方法的不同，所獲得的抗剪強(qiáng)度參數(shù)差別也很大。

(3)工程實踐中由于諸多原因，不能進(jìn)行現(xiàn)場原位試驗，建議采用與原位試驗更接近的三軸試驗CU(固結(jié)不排水)，對生產(chǎn)中常用的室內(nèi)直剪試驗C 值折減5～7 折，φ 值折減7～9 折較合理。

［1］GBJ 112－87 膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范［S］

［2］《工程地質(zhì)手冊》編寫委員會.工程地質(zhì)手冊(第四版)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007