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

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251)

依托京霸地區在建鐵路對膨脹土各項指標匹配性進行研究。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具有很高的相關性。根據試驗結果，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膨脹土的判識具有很好的指導意義。

膨脹性判識分類相關性

1　概述

膨脹土是顆粒高分散、成分以黏土礦物為主、對環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、超固結性等特殊的工程性質[1，2]。黏土礦物主要由蒙脫石、伊利石和高嶺石組成，而蒙脫石正是導致膨脹土產生膨脹的主要因素。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晶層的靜電引力。當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生水合作用，由此產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，當水分子層數達到一定程度，水合作用減弱，晶層膨脹結束[4]。

依托京霸地區在建鐵路，采集大量土樣開展了膨脹土各膨脹指標匹配性研究，從基本統計特征、指標間相關性及分類特征三方面，分析和闡述京霸地區膨脹土的膨脹特性，提出適應此地區的膨脹指標分級范圍。

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主要試驗設備及試劑

液塑限聯合測定儀，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程(TB10102—2010J1135—2010)[5]和鐵路工程巖土化學分析規程(TB10103—2008J862—2009)[6]進行。樣品試驗結果見表1。

表1　膨脹土基本物理性質及物化分析試驗結果

2.4膨脹性判識指標及分級標準

膨脹土的判別指標很多，主要可分為兩大類，陽離子交換量、蒙脫石含量(用化學法或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，其中自由膨脹率、蒙脫石含量和陽離子交換量分級標準采用鐵路標準[10]，液限采用中科院武漢巖土力學所專家陳善雄[11-13]提出的分類標準。具體分級標準見表2。

表2　膨脹土的分類標準

3　試驗結果與討論

3.1京霸地區膨脹土樣品統計特征

為了深入了解京霸地區膨脹巖土特征，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，同時對土樣各指標進行基本特征統計分析，結果見表3。

表3　膨脹土分類指標統計結果

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間較大，各指標的最小值和最大值有較大的跨級區間，說明京霸地區膨脹土膨脹潛勢差異較大，局部會出現非膨脹土及中膨脹土；由表3可得，30個樣品各指標的變異系數均大于0.2，蒙脫石的變異系數甚至達到0.477，說明本試驗選取的樣品具有一定的代表性。由表2分類標準可看出，樣品膨脹指標液限、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各膨脹指標相關性分析

運用統計軟件進行相關性分析(如圖1～圖6)。圖1～圖6中R2為擬合系數，表征擬合曲線與實際數據之間的擬合程度，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為0.769 1，液限與蒙脫石含量的擬合系數為0.726 0，液限與自由膨脹率的擬合系數為0.819 7，自由膨脹率與陽離子交換量的擬合系數為0.781 7，自由膨脹率與蒙脫石含量的擬合系數為0.756 7，蒙脫石含量與陽離子交換量的擬合系數為0.786 5。由上述分析可知，膨脹性指標液限、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系，并且有很高的相關性，尤其是液限與自由膨脹率之間，擬合系數達到0.819 7。

圖1　液限與陽離子交換量的關系

圖2　液限與蒙脫石含量的關系

圖3　自由膨脹率與液限的關系

圖4　自由膨脹率與陽離子含量的關系

圖5　自由膨脹率與蒙脫石含量的關系

圖6　蒙脫石含量與陽離子交換量的關系

3.3樣品膨脹性分類結果分析

由表2中的分類標準對各指標的試驗結果進行匯總，得出試驗樣品的膨脹潛勢結果(表4)。從液限及陽離子交換量的分析結果可以看出，所取土樣以非、弱膨脹土為主，占總土樣個數的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在此地區膨脹土判識方面有很大的一致性，可以作為此地區膨脹土判識的聯合指標進行判定及分類。

表4　膨脹土判別統計結果

從自由膨脹率的分析結果可以看出，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%。自由膨脹率結果表明此地區膨脹土均為非-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果相比，明顯判識級別偏低。

從蒙脫石含量的分析結果[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，表明此地區膨脹土大部分均為膨脹土，與液限及陽離子交換量結果相比，明顯判識級別偏高。

3.4京霸地區膨脹分類建議

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

表5　膨脹土的分類標準

按照表5給出的建議值重新對30組試驗的測試結果進行分級判識(表6)。

由表6中匯總結果可得，四項指標均得出此地區的膨脹土以非-弱膨脹土為主，分別占占總土樣個數的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，說明此地區的膨脹土大部分以非-弱膨脹存在，同時四指標在此地區膨脹土判識方面有很好的一致性。

表6　膨脹土判別統計結果

4　結論

(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對京霸地區膨脹土的判識結果具有很好的相關性，具備作為此地區膨脹土判識的基本條件。

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

(3)根據結果分析得出了自由膨脹率及蒙脫石含量指標新的分級界值，并對試驗數據進行重新分級，分類指標得出了一致性的分級結果，表明建議界值對此地區膨脹土的分級具有很好的指導意義。

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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年畢業于天津大學化學專業，工程師。

1672-7479(2016)04-0045-04

P642.1

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