合肥地区黏土膨胀特性研究

周 罡 李 淮 杨新安 陈 翔

(1.广州市重点公共建设项目管理中心，510030，广州；2.中交第三航务工程局集团有限公司，200030，上海；3.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，201804，上海∥第一作者，高级工程师)

合肥地区是典型的膨胀土覆盖区域。膨胀土是具有显著的吸水膨胀和失水收缩特性的黏土，其土中黏粒成分主要由亲水性矿物组成[1]。膨胀土在膨胀和收缩的过程中会产生膨胀力，会对地铁隧道的施工安全造成不良影响。因此，对合肥地区黏土的膨胀特性进行研究，具有重要的工程意义。

国内外很多学者对膨胀性黏土的膨胀特性进行了研究，文献[2]利用膨胀仪、固结仪等设备对经过干湿循环后的膨胀土开展自由膨胀率试验、无荷载膨胀试验和膨胀力试验研究；文献[3]通过三轴强度试验和膨胀土特性试验(膨胀率测试和膨胀力测试)研究了含水率、干密度对膨胀土三轴强度的影响；膨胀土中含水率增大会导致土体抗剪强度降低[4-8]，文献[9-12]通过试验发现膨胀土的黏聚力和内摩擦角值的对数与含水率呈负线性相关；文献[13]通过室内土工试验对合肥新桥机场膨胀土进行了研究，并对膨胀土进行分类，还通过X射线衍射分析手段对膨胀土的矿物成分进行定性和定量的分析和计算，来研究膨胀土的矿物成分对该区膨胀土工程性质的影响；文献[14]开展膨胀土室内试验，获取膨胀土的基本物理力学参数和膨胀潜势,根据直剪试验结果，建立膨胀土强度参数随含水率变化的经验公式；文献[15]对南方膨胀土的微结构特性进行了实验研究，表明膨胀土具有其特殊的微结构特性，其决定着膨胀土的膨胀势。随着X射线衍射、透射电镜、扫描电镜等测试技术以及数字化图像处理技术的发展和应用[16-18]，人们对土微观结构的认识将会更加深入。综上所述，研究膨胀土微观结构的科学手段较为成熟，可以根据现有的资料对膨胀性黏土的微观结构进行直观的分析;大量研究采用现场原位试验的方式进行，但在进行原位试验时，存在边界条件难以控制、变量众多的困难，因此在取得原状土的条件下，可采用室内试验的手段进行研究。

本文在合肥轨道交通4号线和5号线地铁隧道施工现场取典型黏土地层的原状土样，通过一系列室内试验对其膨胀特性进行了研究。研究结果可为合肥地区穿越膨胀性黏土地层的地铁隧道施工提供一定的参考依据。

1 现场取土及土样准备

通过试验可以获得黏土的天然结构、组织成分、自然湿度及抗剪强度等一系列物理力学指标，从而明确黏土的基本性质及其工程特性。为了确保试验数据接近土样天然状态下的数据，需要采用原状土进行试验。这就要求在取土时采取一定的措施来减少对土样的扰动。

一般来说，取土样过程中会产生附加应力及应力释放，使土样产生扰动，从而使土样的有效应力产生变化。这一过程是不可避免的。但土样的扰动是被控制在一定的范围之内。如图1所示，局部扰动用扰动带的宽度S表示。S值越小，则原状土结构范围越大，土样质量越接近原状土[19]。

图1 土样扰动带示意图

本研究采用外径为110.0 mm、壁厚为3.2 mm、长度为200.0 mm的PVC(聚氯乙烯)管材作为取土器；采用压入法进行土样的采取；取土后用塑料膜和胶带封住管的两端，并在恒温恒湿的条件下保存。

据合肥轨道交通地质勘探资料，合肥地区主要的黏土层为第四系全新统地层和上更新统地层。本文按形成年代的早晚，将全新统地层黏土称为“新黏土”，将上更新统地层黏土称为“老黏土”。本试验采用的原状土样为合肥地区②3层黏土(属于新黏土)和⑥2层黏土(属于老黏土)，是两种地层中广泛分布的代表性黏土。

2 膨胀特性研究

2.1 自由膨胀率试验

自由膨胀率试验可用于判定黏土在无结构力影响下的膨胀潜势。

自由膨胀率[20]为：

(1)

式中：

δef——膨胀土的自由膨胀率；

V——土样在水中膨胀稳定后的体积；

V0——土样初始体积。

根据GBJ 112—1987《膨胀土地区建筑技术规范》中的规定，膨胀土的膨胀潜势应按表1中的标准进行划分。

表1 膨胀土膨胀潜势划分

试验采用风干碾碎的土样10 ml。土样在水中膨胀不同时间后的自由膨胀率如表2所示。

表2 土样在水中膨胀不同时间后的自由膨胀率

由表1试验结果可知，⑥2层和②3层土样的δef平均值分别为46.0%和58.0%，由此可以判定两种典型黏土土样均具有弱膨胀潜势。

2.2 膨胀力试验

采用平衡加压法对合肥地区黏土试样进行膨胀力试验，试验仪器为单杠杆固结仪，膨胀力的计算按照公式(2)进行[20]，试样面积即环刀面积，为30 cm2，固结仪杠杆比为1∶12，最终得到黏土膨胀力变化如图2所示。试验结果为：⑥2层黏土的膨胀力为25.0 kPa,②3层黏土的膨胀力为31.5 kPa。

图2 膨胀力pe随时间t变化曲线

(2)

式中：

pe——膨胀力；

W——总平衡荷载；

A——试样面积；

k——固结仪杠杆比。

2.3 含水率对黏土强度参数的影响

将⑥2层黏土按含水率梯度22.5%～27.5%共分6组，②3层黏土按含水率梯度23.4%～34.4%共分7组，对每组土样进行直剪试验，得到抗剪强度指标(包含黏聚力c、内摩擦角φ)。

将黏土直剪试验得到的数据绘制成散点图，并通过Origin软件拟合，结果如图3及图4所示。根据拟合结果，合肥地区②3层黏土和⑥2层黏土的c、φ随含水率ω的变化规律符合负指数函数关系。拟合曲线满足：

c=a1eb1ω+c1

(3)

φ=a2eb2ω+c2

(4)

其中，a1、a2、b1、b2为拟合系数，e为自然底数，c1、c2为常数。拟合结果见表3。

表3 拟合结果

由图3、图4及拟合结果可以发现，ω越高，则土体的抗剪强度越小。这一规律具体表现为膨胀土遇水软化。

a)②3层黏土

a)②3层黏土

2.4 微观电镜试验

微观试验采用FEI Quanta 200II型场发射扫描电子显微镜，选取合肥地区的新黏土和老黏土样品。首先，将样品风干；然后，将样品切割成长度为10 mm、厚度为3 mm的方形薄片，并对试样表面进行喷金镀膜；最后，将样品放入显微镜观察。观察样品时，显微镜放大倍数为50 000倍，并以电镜照片的形式记录(如图5所示)。

a)新黏土

根据电镜试验的结果：老黏土形成年代较为久远，形成过程中经历压密作用较多，导致黏土颗粒更为紧凑，具有致密结构面；新黏土形成年代较晚，形成过程中，胀缩效应所形成的不均匀水平应力所产生的水平应力差居主导地位，导致了复杂交错的裂隙结构，即裂隙结构面。

3 结论

1)通过自由膨胀率试验得到，⑥2层黏土土样自由含水率为46.0%，②3层黏土土样自由含水率为58.0%。两种土样均具有弱膨胀性。采用平衡加压法进行膨胀力试验，测得⑥2层土样的膨胀力为25.0 kPa。

2)由土样直剪试验发现，土样的抗剪强度随着ω的增大而减小，当ω接近饱和含水率时，土样的抗剪强度达到最低。基于直剪试验，对两种黏土抗剪强度指标与含水率进行拟合。根据拟合结果，合肥地区黏土的c、φ同ω之间存在负指数函数关系，具体表现为黏土遇水软化，土体抗剪强度降低。

3)通过微观电镜试验发现，新黏土和老黏土分别具有裂隙结构面和致密结构面。

室内试验结果显示:新黏土自由膨胀率和膨胀力均大于老黏土，具有更强的膨胀特性；从微观方面分析，微孔隙、微裂隙是2种黏土具有膨胀性的原因。