泗水縣城區膨脹土判定及工程地質特性研究

劉節升，朱 寧，張世中，劉光華，杜顯彪

(山東省魯南地質工程勘察院(山東省地質礦產勘查開發局第二地質大隊)，山東 兗州 272100)

泗水縣膨脹土分布廣泛，不同地區膨脹土工程地質特性存在差異。通過對泗水縣膨脹土分布情況及膨脹土物理力學各項指標研究與分析，探討膨脹土形成原因及其物理力學性質，總結該區粘土膨脹性特性，提出治理方法與建議，為泗水縣工程建筑提供參考依據。

1 區域地貌及氣候

1.1 地形地貌

濟寧市泗水縣地處魯中南山區西南邊緣，低山丘陵和山間平原兩大地貌類型，北部和南部為低山丘陵，海拔200m～500m，相對高差200m～300m；中部泗河兩側為山前沖洪積平原，海拔100m～130m，地勢總的南北高中間低，由東向西傾斜。按其地貌成因類型可劃分為構造剝蝕地形、堆積地形兩大類。剝蝕地形又可劃分淺切割低山丘陵區、淺切割丘陵區、巖溶低山區三個亞類，堆積地形區主要由河漫灘及河谷沖積區組成。

(1)構造剝蝕地形(Ⅱ)：①淺切割低山丘陵區(Ⅱ1)主要分布在泗水縣西北及南部，涉及柘溝鎮、中冊鎮和泗張鎮等區域。標高200m～500m，切割深度100m～400m。山坡坡度15°～20°。多由花崗片麻巖組成，山頂渾圓呈饅頭狀。山脈走向與構造線方向一致，呈西北至東南向，區內溝谷呈放射狀或樹枝狀，橫斷面呈“U”字型，溝谷堆積層較薄，并有基巖出露；②淺切割丘陵區(Ⅱ2)廣泛分布于泗水縣北部及中南部，涉及柘溝鎮、中冊鎮、高峪鄉、星村鎮、大黃溝鎮、泉林鎮、泗張鎮、圣水峪鄉、金莊鎮等鄉鎮。標高200m～400m，切割深度小于100m。由花崗片麻巖組成。由于長期侵蝕作用形成起伏連綿的低矮山巒，山坡坡度10°～15°。溝谷橫斷面多呈箱型，谷內風化層及第四系較薄；③巖溶低山區(Ⅱ3)主要分布于泗水縣中南部，涉及苗館鎮、泉林鎮、泗張鎮、圣水峪鄉、金莊鎮等鄉鎮。標高200m～400m，切割深度小于200m。由寒武系竹葉狀、鮞狀灰巖、白云質灰巖及頁巖組成單面山地形，順巖層傾向坡度5°～15°，逆巖層傾向坡角大，一般20°～40°。由于強烈風化剝蝕作用和構造影響形成凹凸不平的山脊。

(2)堆積地形(Ⅳ)：主要分布于泗水縣中部，沿泗河兩岸呈帶狀分布，泗河上游分布斷面窄，至下游逐漸開闊，可達1000m，地勢平坦，向下游逐漸降低，坡降2°～5°。由粘土、粘質砂土、砂質粘土及粉砂、中粗砂、砂礫等組成，地形平坦，微向泗河傾斜。

圖1 泗水縣區域地貌圖

1.2 氣候

泗水縣屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明、光照充足、雨量充沛、無霜期長，全年無霜期在189天～230天之間。歷年平均氣溫13.6℃，極端最高氣溫40.0℃(1951年6月20日)，極端最低氣溫-16.5℃(1969年2月6日)。春季多東北風，秋冬兩季多北、東北風，夏季多東到東南風。年平均風速2.6m/s，最大風速24m/s。多年平均蒸發量1734.37mm，最大蒸發量2231.5mm，多年平均降水量717.8mm(1971年至2021年)，年平均相對濕度68%。最大降水量1417.3mm(1960年)，最小年降水量409.9mm(2002年)，日最大降水量277.8mm(1993年8月5日)，6月至8月份降水占全年降水量的64.9%。表1。

表1 泗水縣蒸發量與降雨量表(1955年至2021年)

3 膨脹性粘土成因與類型

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的粘性土。其形成不僅和氣候有關，還與沉積環境有關。我國膨脹土多屬殘積型和坡積型。但洪積、沖積及其他成因膨脹土也有，土的物質來源與周邊母巖風化物有密切聯系。泗水縣膨脹土地層時代為全新世(Q4)、更新世(Q3)，地貌單元為堆積地形(Ⅳ)，表現為山前沖積平原及河漫灘和河谷地貌，地形平坦，微向泗河傾斜。膨脹土分布主要以泗水縣城、苗館鎮、中冊鎮、拓溝鎮、金莊鎮等地區為主。沿泗河兩岸呈帶狀分布，泗河上游分布斷面窄，至下游逐漸開闊，可達1000m，地勢平坦，向下游坡降2°～5°。該地區土層主要是山前沖積物和河漫灘組成及河谷沖積區組成。新更新世及以前形成沖洪積物。土層物質成份主要為沉積巖(碳酸鹽、黏土巖)、巖漿巖(花崗巖)的風化、蝕變、淋浴等作用分解成土，重力作用下經搬運、堆積形成；其次該區是泗水河源頭，河水流量較小，周邊地勢狹小，沿河兩岸為河流沖積物。這主要是由于干濕交替氣候有利于膨脹土中蒙脫石類強親水性礦物形成、富集。其形成不僅和地形地貌和沉積環境有關，還與地下水關系重大。該地區粘土顆粒細小，強度較高，透水性較差，且地下水不發育，為形成膨脹土形成的另一個原因。

4 膨脹土判別

4.1 膨脹土野外鑒別

該區地勢呈東高西低之勢，坡降2°～5°。無明顯的自然陡坎，膨脹性黏土分布在地表附近，厚度1m～3m，以下土層多為粉質粘土、粉土或砂土膨脹性較小或非膨脹土，下伏紫色頁巖。膨脹性黏土在自然條件下多呈硬塑-堅硬狀，褐色、灰褐色、棕黃色、棕褐色加灰綠色條紋，含鐵錳質氧化物及鈣質結核，切面光滑，干強度及韌性高，無搖震反應，手捏堅硬，網狀裂隙發育，手掰滑面上蠟質光澤，風干后呈碎粒狀。低矮建筑物、圍墻裂縫多成倒“八”字型，伴有一些水平裂縫，建筑物裂縫隨季節變化張裂、閉合，見圖2。

圖2 膨脹土開挖后圖片

4.2 膨脹土物理力學性質

土的物理狀態是指土的松散、干濕、軟硬狀態。土的物理力學性質指標間接反映了膨脹土的特征[2、5]，本次參與統計的試樣為泗水西外環項目、泗水縣城西南、泗水縣城北、泗水金城中學、泗水縣實驗中學、泗水恒興家園小區等，土樣物理力學性質分析見表2。

表2 膨脹性粘土物理力學性質指標表

工程施工中，建造含水量保持不變的粘土上構筑物不會遭受脹縮而引起破壞。當粘土含水量發生變化，立即會產生垂直和水平兩個方向體積膨脹。含水量僅變化1%～2%量值，足以引起有害膨脹。在雨季來臨時，膨脹土地基土中含水量增加引起地板翹起開裂屢見不鮮。一般來講，很干的粘土對建筑物危害很大，極易造成建筑物墻體或地板開裂。這類粘土能吸收很多水，其結果是對結構物發生破壞性膨脹。反之，比較潮濕的粘土，由于大部分膨脹已經完成，進一步膨脹將不會很大。但應注意，潮濕的粘土，在水位下降或其它條件變化時，可能變干，表現出收縮性亦不可低估。天然含水率較高的粘土膨脹性較小，失水后收縮量相對較大。根據經驗，膨脹土天然含水量一般在20%～30%之間。從土樣分析結果，該區粘土含水量17.2%～28.9%，膨脹土為非飽和土，具有很高的吸水膨脹和失水收縮能力。

塑性指數的大小與土中結合水含量有關，即與土的顆粒組成、土粒的礦物成份及土中水離子成分和濃度等因素有關。土粒越細且粘粒含量越高，持水性越好，脫水速度越慢。一般情況下，粘粒含量越高，在相同飽和度下吸力越大，從土的顆粒來說，膨脹土塑性指數正常值在17%～35%，本區膨脹性粘土塑性指數17.8%～27.7%，具膨脹土特性。液性指數是反應土的軟硬狀態指標，本區粘土液性指數大致介于0.25～<0，呈硬塑-堅硬狀態。

4.3 膨脹土礦物成分

測試粘土礦物成份的方法有射線法、電熱分析法、電子顯微鏡辨別法等。射線衍射分析是研究礦物結晶構造鑒定礦物的主要手段，是以射線入礦物晶格產生的衍射為基礎定性或半定量地判斷土的礦物組成。本次采用該測試方法，經過試樣統計，其結果見表3。

表3 膨脹土礦物成份分析表(單位﹪)

通過對粘土樣品礦物成份分析，本區膨脹土礦物成份包括粘土礦物和碎屑礦物，主要成份為伊利石、蒙脫石、高嶺石、長石、水云母等。碎屑礦物主要成分為水云母和長石等礦物，碎屑礦物是粗粒部分主要組成物質，對其脹縮性質影響不大，而影響膨脹土工程性質主要是細粒部分的粘土礦物，特別是蒙脫石礦物。蒙脫石是一種活性最強的次生粘土礦物，它是在堿性介質環境的濕熱條件下形成的，它的礦物顆粒晶層之間是一種平行板狀結構，有兩層硅氧四面體和一片鋁氧八面體疊加而成，晶層之間連接很弱，容易擴展，導致體積膨脹。不同的粘土礦物具有不同的吸附水分的能力，當蒙脫石在一定條件下充分吸水后，晶層距離可以增大10倍以上，因此膨脹土脹縮性主要是由蒙脫石含量控制的，伊利石與高嶺土的親水性只有蒙脫石的1/10和1/60左右。

4.4 自由膨脹率

自由膨脹率是人工制備的烘干松散土樣在水中膨脹穩定后，其體積增加值與原體積之比的百分率，即自由膨脹率是單位體積土樣在水中膨脹穩定后體積的變化量。與土的礦物成分有關，一般來說，土中含蒙脫石含量高的膨脹土，自由膨脹率高。含伊利石高并含少量蒙脫石的粘土自由膨脹率相對較低。自由膨脹率低于40﹪時，一般視為非膨脹土。該區粘土自由膨脹率均大于40%。見表4。膨脹土粘粒含量較高，天然含水量與塑限接近，塑性指數一般大于20，液性指數小于0.25，自由膨脹率大于40%，綜合判定該區為膨脹性粘土。

表4 場區膨脹土的工程特性指標

5 場區膨脹土工程地質特性分析

5.1 膨脹土大氣影響深度

根據膨脹土地區建筑技術規范及工程地質手冊土工的蒸發力與降雨量資料[1、3]，結合當地建筑經驗，泗水地區膨脹土濕度系數和大氣影響急劇深度見表5。

5.2 膨脹土工程地質特性指標

膨脹土工程特性指標包括自由膨脹率、膨脹率、收縮系數、膨脹力。自由膨脹率是單位體積土樣在水中膨脹穩定后體積的變化量，與土的礦物成分有關。一般來說，土中含蒙脫石含量高的膨脹土，自由膨脹率高。而含伊利石高并含少量蒙脫石的粘土自由膨脹率相對較低，低于40%時，一般視為非膨脹土。膨脹率是反應土在某壓力下單位厚度土體的膨脹變形，用來評價地基的脹縮等級，計算膨脹土變形量和膨脹力。它與土的含水量有密切關系，含水量越低，其膨脹率越高。收縮系數是不擾動土在直線收縮階段，含水率減小1%時豎向線索率，計算地基分級變形量劃分地基脹縮等級用50kPa下的膨脹率，用來評價膨脹土脹縮等級，計算地基變形量。膨脹力是原狀土樣在體積不變的情況下，由于浸水膨脹的最大壓力。

對該區初判膨脹土進行土工試驗，自由膨脹率均大于40%。該區膨脹土各特性指標見表4。依據《膨脹土地區建筑技術規范》[1](GB2012-2013)附錄A判定膨脹土的膨脹潛勢，該區膨脹土的膨脹潛勢為弱，判別依據見表6。

表6 膨脹土的自由膨脹率與蒙脫石含量、陽離子交換量的關系

表7 脹縮變形量計算表

5.3 脹縮變形量

地基土分級變形量包括收縮變形量、膨脹變形量、脹縮變形量。以泗水縣實驗中學膨脹土為例。依據《膨脹土地區建筑技術規范》(GB50112-2013)第5.2節公式計算脹縮變形量[1]：

式中：ψe-計算膨脹變形量的經驗系數，采用0.6；ψs-計算收縮變形量的經驗系數，采用0.8；ψ-計算脹縮變形量的經驗系數，取0.7；ψw-土的濕度系數，采用0.64；da-大氣影響深度，取4.6m；大氣影響深度(m)

膨脹土的變化除土的膨脹與收縮特性兩個內在的因素外，壓力與含水量水變化則是兩個非常重要的外在因素。準確地了解膨脹土特性及變化條件，就能夠預估建造在這個地基上的建筑物產生的變形，從而采取相應的地基處理措施。圖7。

6 結論

(1)泗水縣膨脹性粘土由于粘土層物質成份主要沉積巖(碳酸鹽、黏土巖)、巖漿巖(花崗巖)的風化、蝕變、淋浴等作用分解成土，重力作用下形成堆積物，沿泗河兩岸河流沖積形成堆積物，泗水縣城區普遍分布膨脹性粘土，多分布在地表，厚度約1m～4m。

(2)通過對膨脹土成份分析及物理力學性質特征分析對比，間接說明該區粘性土具有膨脹土典型特征，蒙脫石含量11%～20%且自由膨脹率大于40%。確定為膨脹土。

(3)在膨脹特性上具有弱膨脹潛勢，膨脹等級為Ⅰ級，膨脹力一般小于100kPa。該區膨脹土地基一般是通過控制基礎埋深來處理地基，對于上部荷載較小的建筑基礎埋深，基礎要超過大氣影響急劇層深度2.07m，對于基礎條件要求較高的地基宜采用超過大氣影響急劇層深度或采用換填墊層法處理。特別是在深基坑開挖過程中需做好防護，避免出現塌方、滑坡等。另外基槽且不可長期存放、晾曬等，擾動的膨脹土不能直接作為回填地基填土。