粘粒含量與自由膨脹率對礦山巖土工程條件的影響

祁自福

（甘肅煤田地質(zhì)研究所，甘肅 蘭州 730000）

某礦山巖土工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，影響了礦山的開發(fā)與利用。為礦山提供巖土體治理措施，本文針對礦山中的膨脹土進(jìn)行了研究，分析粘粒含量與自由膨脹率對礦山巖土工程條件的影響作用，為進(jìn)一步確定治理措施提供參考。

膨脹土是一種吸水膨脹、失水收縮和往復(fù)變形的粘性土，其主要礦物成分是蒙脫石、伊利石。膨脹土遇水膨脹、失水收縮這一特性往往會造成高層建筑物的開裂和傾斜破壞、公路鐵路的塌方，而且可導(dǎo)致膨脹土邊坡收縮產(chǎn)生表層淺滑現(xiàn)象，造成農(nóng)田水利設(shè)施的破壞，因此對膨脹土進(jìn)行研究并對其危害性采取有效的防范措施，顯得非常重要。膨脹土之所以具有膨脹性，主要是由于其含有大量的親水性礦物，如蒙脫石、伊利石等。目前常用自由膨脹率作為膨脹土判別和分類的一項(xiàng)重要指標(biāo)，通過土的自由膨脹率試驗(yàn)，可以測定粘性土在無結(jié)構(gòu)力影響下的膨脹趨勢，初步評價膨脹土的脹縮性。在工程實(shí)踐中，自由膨脹率，由于其試驗(yàn)工具簡單、檢測速度快，而被廣泛應(yīng)用，但由于礦物組成以及實(shí)驗(yàn)過程中的影響因素較多，鐵道部第一勘察設(shè)計(jì)院將粘粒含量作為粘性土膨脹性的判定指標(biāo)。自由膨脹率是一個很有用的指標(biāo)，但不能作為唯一依據(jù)，否則易造成誤判[1]。本文選取粘粒含量為分析指標(biāo)，通過研究其與自由膨脹率之間的關(guān)系，以期獲得兩者之間的相關(guān)性，從而為工程實(shí)踐提供指導(dǎo)。

1 自由膨脹率的影響因素

自由膨脹率試驗(yàn)是通過人工制備的烘干土樣，在水中膨脹后增加的體積與原體積的比值，用百分?jǐn)?shù)表示，從而得到土體的自由膨脹率指標(biāo)[2]。土體的自由膨脹率除與其自身的礦物成分相關(guān)外，還與其常規(guī)的物理性質(zhì)指標(biāo)有關(guān)，李洪濤等人[3]研究發(fā)現(xiàn)，自由膨脹率與土的含水率，孔隙比等的相關(guān)性較小，而與液限和塑性指數(shù)的相關(guān)性較大，通過對各指標(biāo)進(jìn)行回歸分析，從而得到了一組擬合關(guān)系式，土體的自由膨脹率除與自身的性質(zhì)相關(guān)外，還與試驗(yàn)方法和過程密切相關(guān)，經(jīng)研究土樣的制備方法是影響自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果的一個重要因素，試樣的制備對試驗(yàn)的結(jié)果影響較為明顯，制備樣品的差異只要體現(xiàn)在級配變化上，在試驗(yàn)過程中，當(dāng)土樣粒徑范圍為0.1mm～0.5mm時，其結(jié)果更接近與實(shí)際值[4]。甚至烘干土樣冷卻與否、環(huán)境溫度等均對試驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。正是由于自由膨脹率的測試人為干擾因素教多，因此有的學(xué)者認(rèn)為用自由膨脹比試驗(yàn)?zāi)芨玫姆磻?yīng)膨脹土的脹縮性[5]。

2 粘粒含量與自由膨脹率的相關(guān)性研究

土中粘粒含量越多，則土顆粒越小，比表面積越大，其比表面能也越大。為了對粘性土中的粘粒含量與自由膨脹率之間的相關(guān)性進(jìn)行分析，選取西北地區(qū)6個粘性土樣，按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-2019）規(guī)范進(jìn)行分別進(jìn)行粘粒含量和自由膨脹率試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果如下：

表1 不同粘粒含量土體的自由膨脹率

粘性土中粒徑小于0.005mm粒徑的土粒稱為粘粒，從表1可以看出，隨著粘粒含量的增加，粘性土自由膨脹率也在增加，分析其原因，主要是因?yàn)檎沉：吭蕉啵惩令w粒越小，其分散性也越大，從而比表面積越大，表面能也越大，故其遇水對水分子的吸附能力越強(qiáng)，因此土中粘粒含量越多，土的塑性指數(shù)也越高，土體的膨脹性越大。

根據(jù)表1中的結(jié)果，繪制粘性土中粘粒含量與自由膨脹率的關(guān)系圖，見圖1。

圖1 自由膨脹率與粘粒含量的關(guān)系

從圖1可以看出，雖然自由膨脹率隨粘粒含量呈同向變化趨勢，但兩者之間并不呈現(xiàn)線性關(guān)系，這應(yīng)與膨脹土中的礦物成分相關(guān)。膨脹土中親水性礦物大多為蒙脫石和伊利石，其微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為面-面連接的疊聚體，它比團(tuán)粒結(jié)構(gòu)具有更大的吸水膨脹和失水收縮能力，一般認(rèn)為，當(dāng)膨脹土中蒙脫石的含量達(dá)到5%時，即可對土的脹縮性和抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的影響，當(dāng)其含量超過20%-30%時，則土的脹縮性和抗剪強(qiáng)度基本上全有蒙脫石控制。由于膨脹土中礦物成分不同，礦物之間的連接結(jié)構(gòu)不同，從而外在表現(xiàn)為膨脹性不同，因此自由膨脹率并不與粘粒含量成線性關(guān)系。

3 結(jié)語

在礦山巖土工程實(shí)踐中，自由膨脹率由于其試驗(yàn)工具簡單、檢測速度快，而被廣泛應(yīng)用，但由于礦物組成以及實(shí)驗(yàn)過程中的影響因素較多，因此就需要與其他指標(biāo)相結(jié)合來判斷土體的膨脹性，而粘粒含量分析在工程中應(yīng)用較廣，且結(jié)果穩(wěn)定，因此可與自由膨脹率一起作為評判粘性土膨脹性的指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，礦山中膨脹土的自由膨脹率隨粘粒含量的增加的增大，但兩者之間并不表現(xiàn)為線性關(guān)系。研究成果為進(jìn)一步制定礦山治理工程提供了參考依據(jù)。