東北地區(qū)粉質(zhì)黏土濕陷系數(shù)與物理性質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性

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(1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所,北京 100081)

東北阜新地區(qū)地表部分粉質(zhì)黏土遇水浸濕時強度降低，壓縮性明顯增大，會產(chǎn)生顯著的附加濕陷變形，具有濕陷性。水環(huán)境變化條件下濕陷性土?xí)こ探Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生諸多不利影響。當(dāng)開展?jié)裣菪酝恋墓こ炭辈鞎r，一般通過室內(nèi)濕陷性試驗測定濕陷系數(shù)對其濕陷性的影響[1]。影響土體濕陷性的因素較多，主要為含水率、孔隙比、干密度、液限和塑限、壓縮模量等物理性質(zhì)指標(biāo)，濕陷系數(shù)大小與土體物理性質(zhì)指標(biāo)具有一定相關(guān)性。

很多學(xué)者開展了黃土濕陷性與其物理性質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性的研究。井彥林等[2]根據(jù)黃土的密度、含水率、液限等指標(biāo)建立濕陷性指標(biāo)的預(yù)測模型，從而間接預(yù)測黃土的濕陷性，具有較高的預(yù)測精度。王有林[3]采用工程地質(zhì)類比和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對黃土濕陷性進行綜合評價，得出了濕陷系數(shù)和物理指標(biāo)的綜合關(guān)系式，評價結(jié)果與現(xiàn)場大面積浸水試驗結(jié)果相近。李萍等[4]以隴東地區(qū)黃土為研究對象，建立了濕陷系數(shù)與含水量、孔隙比、塑性指數(shù)的關(guān)系，結(jié)果顯示黃土濕陷系數(shù)與物理指標(biāo)具有良好的相關(guān)性。高凌霞等[5]研究認(rèn)為黃土濕陷系數(shù)與其累積主成分呈線性關(guān)系，從而建立了主成分得分的濕陷系數(shù)計算方法。王吉慶等[6]通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)黃土濕陷系數(shù)與含水量、干密度、孔隙比以及壓縮模量相關(guān)性良好，利用回歸方程對黃土濕陷性進行預(yù)測。邵生俊等[7]通過多元線性回歸分析，對2個地區(qū)2類地貌單元黃土場地建立了濕陷性黃土與具有獨立性的物理性質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，能夠準(zhǔn)確評價黃土濕陷性。張光明[8]研究了晉北地區(qū)濕陷性黃土與其天然孔隙比、天然密度、天然含水量等物理性質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系。以上研究表明，西北地區(qū)濕陷性黃土濕陷性參數(shù)與其物理性質(zhì)指標(biāo)具有良好的相關(guān)性，通過黃土物理性質(zhì)指標(biāo)可以預(yù)測濕陷系數(shù)等反映其濕陷性。

本文依據(jù)東北阜新地區(qū)地質(zhì)勘察資料，統(tǒng)計該地區(qū)粉質(zhì)黏土各類物理性質(zhì)指標(biāo)，分析濕陷系數(shù)與物理性質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性，基于粉質(zhì)黏土物理性質(zhì)提出濕陷性粉質(zhì)黏土勘察控制建議，為類似地質(zhì)條件和區(qū)域粉質(zhì)黏土濕陷性判別提供依據(jù)。

1 粉質(zhì)黏土物理性質(zhì)指標(biāo)分析

本文勘察區(qū)域位于遼寧省阜新地區(qū)，地基表層覆蓋粉質(zhì)黏土，分布連續(xù)，厚度為1.2～5.0 m。開挖探井獲得天然狀態(tài)下地基表層不同深度處粉質(zhì)黏土試樣，測定其干密度、飽和度、孔隙比、液限和塑限、壓縮模量、濕陷系數(shù)等物理性質(zhì)指標(biāo)。依據(jù)GB 50025—2004《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》對室內(nèi)濕陷性試驗及其濕陷等級的規(guī)定：基礎(chǔ)以下10 m范圍內(nèi)室內(nèi)測定濕陷系數(shù)的壓力為200 kPa；當(dāng)濕陷系數(shù)>0.015時，認(rèn)為土體具有濕陷性。試驗結(jié)果表明，部分地基表層粉質(zhì)黏土具有濕陷性，44組粉質(zhì)黏土試樣中，具有濕陷性的土樣共計21組，其余試樣不具有濕陷性。粉質(zhì)黏土物理性質(zhì)指標(biāo)和濕陷系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果見表1。

由表1可知，具有濕陷性的粉質(zhì)黏土濕陷系數(shù)在0.021～0.111，平均濕陷系數(shù)為0.053，說明粉質(zhì)黏土具有輕微～強烈濕陷性。研究區(qū)域內(nèi)粉質(zhì)黏土主要分布在地基表層，濕陷系數(shù)與取樣深度無明顯相關(guān)性。具有濕陷性的粉質(zhì)黏土天然狀態(tài)下干密度平均值為1.46 g/cm3，飽和度平均值為49.7%，孔隙比平均值為0.85；而無濕陷性的粉質(zhì)黏土天然狀態(tài)下干密度平均值為1.60 g/cm3，飽和度平均值為77.0%，孔隙比平均值為0.73。與無濕陷性的粉質(zhì)黏土相比，天然狀態(tài)下濕陷性粉質(zhì)黏土具有干密度低、孔隙比大、飽和度低的特點。

表1 粉質(zhì)黏土物理性質(zhì)指標(biāo)和濕陷系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

該地區(qū)內(nèi)地基表層粉質(zhì)黏土的液限、塑限以及塑性指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果見表2?？辈靺^(qū)域內(nèi)地基表層土樣按GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》塑性指數(shù)分類，土性基本為粉質(zhì)黏土，少量試樣可判定為粉土。具有濕陷性的粉質(zhì)黏土塑限平均值為19.32%，液限平均值為31.67%；無濕陷性的塑限平均值為19.31%，液限平均值為32.96%。該地區(qū)具有濕陷性的粉質(zhì)黏土與無濕陷性粉質(zhì)黏土液限、塑限統(tǒng)計值相近。具有濕陷性的粉質(zhì)黏土塑性指數(shù)為12.35，黏性較弱，其性質(zhì)更偏向于粉土。

表2 粉質(zhì)黏土液限、塑限及塑性指數(shù)統(tǒng)計結(jié)果

統(tǒng)計具有濕陷性的粉質(zhì)黏土天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的壓縮試驗結(jié)果，以100～200 kPa下的壓縮系數(shù)av0.1-0.2和壓縮模量Es0.1-0.2作為該類土壓縮性的評價標(biāo)準(zhǔn)，見表3。

表3 具有濕陷性的粉質(zhì)黏土壓縮特性統(tǒng)計結(jié)果

由表3可知:具有濕陷性的粉質(zhì)黏土天然狀態(tài)下壓縮系數(shù)平均值為0.28 MPa-1，飽和狀態(tài)下壓縮系數(shù)的平均值為0.64 MPa-1，相較于天然狀態(tài)下壓縮系數(shù)平均值增大0.36 MPa-1；天然狀態(tài)下壓縮模量的平均值為8.00 MPa，飽和狀態(tài)下壓縮模量的平均值為3.22 MPa，浸水后粉質(zhì)黏土壓縮模量平均值減小4.78 MPa，降低了59.8%?？辈靺^(qū)域內(nèi)屬于半干旱大陸性氣候，天然狀態(tài)下具有濕陷性的粉質(zhì)黏土層含水率、飽和度較低，具有一定的結(jié)構(gòu)強度，壓縮模量較高；粉質(zhì)黏土遇水后軟化，飽和狀態(tài)下壓縮性明顯提高。

2 物理性質(zhì)指標(biāo)關(guān)系

由粉質(zhì)黏土物理性質(zhì)指標(biāo)分析結(jié)果可知，與無濕陷性的粉質(zhì)黏土相比，具有濕陷性的粉質(zhì)黏土干密度低、孔隙比大、飽和度低，而二者的液限、塑限無明顯差異。液限和塑限主要受黏粒含量和礦物種類影響，并不能很好地反映出土的顆粒結(jié)構(gòu)和水環(huán)境狀態(tài)，不宜作為物理性質(zhì)指標(biāo)。因此重點研究具有濕陷性的粉質(zhì)黏土的干密度、飽和度、孔隙比3種物理性質(zhì)指標(biāo)與濕陷系數(shù)之間的關(guān)系。

粉質(zhì)黏土天然狀態(tài)下干密度與濕陷系數(shù)的關(guān)系散點圖見圖1?？芍簼裣菹禂?shù)大于0.015的土樣，其干密度主要在1.31～1.66 g/cm3；干密度越低粉質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)越松散，濕陷系數(shù)隨干密度減小而增大。

圖1 干密度與濕陷系數(shù)關(guān)系散點圖

粉質(zhì)黏土天然狀態(tài)下飽和度與濕陷系數(shù)的關(guān)系散點圖見圖2?？芍簼裣菹禂?shù)大于0.015的土樣，其飽和度低于64%；粉質(zhì)黏土天然飽和度越低，其濕陷系數(shù)越大。

圖2 飽和度與濕陷系數(shù)關(guān)系散點圖

粉質(zhì)黏土天然狀態(tài)下孔隙比與濕陷系數(shù)的關(guān)系散點圖見圖3?？芍簼裣菹禂?shù)大于0.015的土樣，其孔隙比均高于0.62，粉質(zhì)黏土濕陷系數(shù)隨天然孔隙比增大而增大。

圖3 孔隙比與濕陷系數(shù)關(guān)系散點圖

根據(jù)粉質(zhì)黏土基本物理性質(zhì)指標(biāo)與其濕陷系數(shù)的關(guān)系可知，具有濕陷性的粉質(zhì)黏土天然狀態(tài)下干密度小于1.66 g/cm3，孔隙比大于0.62，飽和度低于64%，濕陷系數(shù)與物理性質(zhì)指標(biāo)具有較好的相關(guān)性。

3 濕陷系數(shù)相關(guān)性分析

土的濕陷性影響因素主要分為土本身的物質(zhì)成分和顆粒結(jié)構(gòu)的內(nèi)因，以及外部的水環(huán)境和應(yīng)力的外因。具有濕陷性的土屬于典型非飽和的濕化高壓縮結(jié)構(gòu)性土，其含水率、顆粒粒度、干密度、飽和度、孔隙比、液限、塑限等基本物理性質(zhì)指標(biāo)對其濕陷性的影響并非完全獨立。相對于含水率，飽和度更能反映濕陷性土天然狀態(tài)下的濕化程度；而同一地區(qū)在顆粒密度相近的情況下，孔隙比和干密度能夠相互替代，用孔隙比即能夠代表土體顆粒結(jié)構(gòu)狀態(tài)[9]。就同一地區(qū)而言，土的物理性質(zhì)顯著影響濕陷性，其中起主要作用的是孔隙比和含水率[10-11]。針對粉質(zhì)黏土是否具有濕陷性(濕陷系數(shù)>0.015)，可以相對保守地通過天然狀態(tài)下孔隙比大于0.6且飽和度低于60%進行判定。統(tǒng)計具有濕陷性的粉質(zhì)黏土試驗數(shù)據(jù)，建立濕陷系數(shù)與孔隙比、飽和度的二元線性回歸方程。即

δs=0.112e-0.085Sr

式中：δs為濕陷系數(shù)；e為孔隙比；Sr為飽和度。

針對東北阜新地區(qū)地表粉質(zhì)黏土具有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2=0.922 4，具有一定的適用性。回歸公式中孔隙比相關(guān)系數(shù)為正，飽和度相關(guān)系數(shù)為負(fù)，與濕陷系數(shù)隨孔隙比增大而增大，隨飽和度增大而降低的變化規(guī)律相符合。通過物理性質(zhì)指標(biāo)擬合的濕陷系數(shù)與試驗實測的濕陷系數(shù)對比見圖4。

圖4 濕陷系數(shù)擬合結(jié)果與試驗結(jié)果對比

由圖4可知，通過擬合公式計算所得的濕陷系數(shù)與試驗實測值相近，且擬合的濕陷系數(shù)更偏向于試驗實測值的平均值；擬合值與實測值具有較好的相關(guān)性，能夠反映該地區(qū)粉質(zhì)黏土的濕陷性程度。

4 結(jié)論

1)東北阜新地區(qū)部分地基表層粉質(zhì)黏土具有濕陷性，具有濕陷性的粉質(zhì)黏土濕陷系數(shù)在0.021～0.111，平均濕陷系數(shù)為0.053。濕陷性粉質(zhì)黏土在天然狀態(tài)下具有干密度低、孔隙比較大、飽和度低的特點。

2)濕陷性粉質(zhì)黏土的濕陷系數(shù)隨孔隙比增大而增大，隨飽和度降低而增大。依據(jù)濕陷系數(shù)與物理性質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系，天然狀態(tài)下孔隙比大于0.6且飽和度低于60%的粉質(zhì)黏土具有濕陷性。

3)建立了濕陷系數(shù)與孔隙比、飽和度指標(biāo)的二元線性回歸方程，能夠反映該地區(qū)粉質(zhì)黏土的濕陷性程度。