簡析蘇丹部分地區膨脹土物理力學性質

劉 進, 王慶江

(華北有色工程勘察院有限公司,河北 石家莊 050021)

簡析蘇丹部分地區膨脹土物理力學性質

劉 進, 王慶江

(華北有色工程勘察院有限公司,河北 石家莊 050021)

蘇丹境內膨脹土分布廣泛,為進一步了解蘇丹膨脹土的物理力學性質,通過一系列的室內試驗數據,總結蘇丹膨脹土的物理力學性質指標,分析蘇丹膨脹土的膨脹性隨含水率的變化規律,并與國內膨脹土進行比較,闡述存在的差異。

膨脹土;含水率;塑性圖;膨脹因素

蘇丹境內膨脹土分布廣泛,膨脹的破壞對工程造成很多不利影響,給建設方和施工方造成很大經濟損失。解決和避免膨脹土的膨脹破壞問題,應首先了解和掌握該地區膨脹土的物理力學性質,從而在設計和施工方面采取有效措施。本文主要針對分布于蘇丹青泥羅河東岸的卡薩拉州、加的理夫州、新納爾州這三個州的膨脹土的物理力學性質進行了室內試驗和淺析。

該區域地勢平坦,偶見低矮山丘;基底基巖為新生代玄武巖,地表由蘇丹膨脹土(俗稱黑棉土)覆蓋。

1 膨脹土特性

1.1 現場表觀特征

研究區域地勢平坦,主要為第四紀沖積、沼澤相沉積。地表以下約10～20 m均勻分布膨脹土,有很強的吸水膨脹、失水收縮性質。上部土層呈褐黑色,下部為淺黃—黃褐色,有鈣質結核,吸水后手摸有滑膩感,有光澤反應,失水后干硬度較強,呈棱塊狀,微裂隙較發育,裂隙面粗糙,偶見鐵質渲染,縱橫交錯,上寬下窄,沿豎向和水平方向彎曲,裂隙面凹凸不平,旱季蒸發量大,土質失水導致地表土體開裂,雨季裂縫吸水后閉合。

1.2 成分結構分析

對該地區的膨脹土取樣進行X射線衍射(XRD)分析,膨脹土主要礦物成分為蒙脫石、高嶺石、伊利石,其他礦物如石英、長石、方解石等普遍存在。其中蒙脫石含量高達90.77%～95.90%不等,高嶺石含量從3.81% ～5.37%不等。粒徑組成中,<0.005 mm粒徑為20%～44%不等,從研究區域北部到南部依次減小;<0.075 mm粒徑百分含量平均值為88.5%。蘇丹膨脹土在塑性圖中的位置見圖1。

圖1 蘇丹膨脹土塑性圖Fig.1 Plasticity chart of expansive soil in Sudan

1.3 室內試驗分析

取膨脹土樣,進行室內試驗有膨脹率、一樣多級加荷膨脹率、膨脹力、殘余強度、剪切試驗、固結試驗等[1](表1)。

表1 蘇丹膨脹土物理力學性質

根據試驗結果可以發現,旱季膨脹土含水率小于塑限,壓縮性低,抗剪強度高,自由膨脹率平均值98.11%,具有強膨脹勢;膨脹力60～380 kPa,平均值為160 kPa,最大干密度接近天然干密度。

1.4 膨脹土物理力學性質隨含水率的變化

在室內土樣試驗中,隨著土樣含水率的變化,膨脹土內聚力C、內摩擦角Φ,壓縮系數a,以及一樣多級荷載下土體膨脹率發生不同程度的變化。

研究中選定的含水率變化范圍大致在10%～50%內,這個范圍比較接近工程實際工況條件。通過圖2-圖4可以看出,在固結試驗中,隨著含水率的增加,壓縮系數a變大,且在約30%以內變化時壓縮系數增幅明顯(圖2);對直剪(快剪)試驗測出的內聚力和內摩擦角值隨著含水率的增加而減小(圖3、圖4)。可見,土樣隨著含水率的變化對土的抗剪強度值有一定的影響,在設計計算中應特別注意。分析可知,在該地區進行工程建設,可采取措施控制地基土含水率的變化范圍,按照最不利的數據進行設計,從而有效控制地基土力學參數的變化,最大限度地降低地基土膨脹帶來的不利影響。

圖2 含水率W與壓縮系數a的關系Fig.2 Relation of moisture content W and compression coeffient a

圖3 含水率W與直剪內聚力的關系Fig.3 Relation of moisture content W and direct shear cohesion

2 和國內膨脹土對比分析

2.1 膨脹發生條件

眾所周知,膨脹土富含蒙脫石、高嶺石等親水礦物,之所以發生脹縮就是因為土體含水率增加和減少,造成水化膜加厚和減薄。這是土體脹縮的內在因素,如果土體的含水率不發生變化,則土體就不會發生脹縮。

顯然,解決膨脹土問題應該從內因和外部條件兩方面著手,只要避開其中一個因素,就可以解決膨脹土脹縮對工程帶來的不利后果。

圖4 含水率W與直剪內摩擦角的關系Fig.4 Relation of moisture content W and direct internal friction

2.2 試驗數據分析

圖5為國內膨脹土塑性圖[2],對比圖1與圖5可以看出,國內膨脹土和蘇丹膨脹土有所不同,前者主要集中在髙液限黏土區和低液限黏土區,而蘇丹該區域的膨脹土主要集中在髙液限粉土區。由此可見,國內膨脹土的塑性指數要大于蘇丹膨脹土,對工程而言,塑性指數愈大,表明土的顆粒愈細,比表面積愈大,土的黏?；蛴H水礦物(如蒙脫石)含量愈高,土處在可塑狀態的含水率變化范圍就愈大。因此,國內膨脹土的膨脹潛勢高于蘇丹膨脹土。這一發現,可作為按照國內規范進行設計計算時的參考。

圖5 國內膨脹土塑性圖Fig.5 Plasticity chart of expansive soil in China

直剪剪切試驗(圖2、圖3)顯示,土體隨著含水率的增加,強度有所降低。對比重塑土樣抗剪強度和殘余抗剪強度數據,土體發生膨脹破壞后,強度降低很大,但其殘余強度仍接近國內一般黏性土的正?？辜魪姸?。即蘇丹膨脹土土體發生膨脹后,仍有較高的抗剪強度。在計算土體邊坡穩定性時,應考慮這個因素。

圖6 蘇丹膨脹土一樣多級膨脹曲線

經過室內重塑后進行一樣多級荷載膨脹試驗(圖6)。從膨脹曲線上看:隨著荷載的增加,土樣的膨脹率變小。當荷載超過50 kPa時,土樣的有荷膨脹率<3%;當荷載超過200 kPa時,土樣的有荷膨脹率<0。因此,在研究區域內,有的膨脹土可以通過施加荷載有效地消除土體的膨脹破壞作用。根據經驗在工程實踐中,當膨脹率<3%時,可以忽略土體的膨脹破壞,該種膨脹土可用做工程回填材料。

另一方面,可以把曲線劃分兩個集團,以200 kPa時膨脹率3%為分界線,>3%的為第一集團,<3%的為第二集團,結合工程所在位置和取樣的不同位置,只有沙使納、阿薩達工程地點的膨脹土樣同屬一個集團即第二集團,其他工程地點取的膨脹土在兩個集團都有分布?？梢哉f明,該地區的膨脹土的膨脹性質存在不均勻性,同一工程地點膨脹土的膨脹性質也存在較大差異。在設計和施工中,可以參考這種差異采取不同的處理方式,最大限度的節約工程造價。

3 結論和建議

(1) 通過室內試驗研究,對蘇丹膨脹土物理力學性質、含水率變化對膨脹力及土體強度的變化有了直觀的認識,通過數據統計和圖表可以看到膨脹土的一些物理力學性質的變化,在工程施工和理論研究中可供參考。

(2) 蘇丹建筑材料匱乏,解決膨脹土土體脹縮帶來的工程問題，如果從改善內因著手，會使工程成本很高;可通過改善回填土體的外部環境,即使其含水率不發生變化或控制在適合的范圍內,來達到這一目的。具體的適合范圍,可根據含水率變化引起的各種物理力學參數的變化確定。

(3) 蘇丹膨脹土和國內膨脹土存在一定差異,在工程實踐中應注意這個問題。

[1] SL237—1999,土工試驗規程[S].

[2] 工程地質手冊編委會.工程地質手冊[M].第四版.北京:中國建筑工業出版社,2007.

(責任編輯：陳姣霞)

Analysis of Physical and Mechanical Properties of Expansive Soil in Sudan

LIU Jin, WANG Qingjiang

(NorthChinaEngineeringInvestigationInstituteCo.Ltd.,Shijiazhuang,Hebei050021)

The expansive soil was distributed widely in Sudan,in order to further understand the physical and mechanical properties of expansive soil,through a series of indoor test data,this paper summarized the physical and mechanical indexes of expansive soil in Sudan,analyzed the variation rules of Sudan expansive soil along with the change of the water content,compared with the domestic expansive soil,and described the the differences.

expansive soil; moisture content; plasticity chart; expansion factors

2015-01-29;改回日期:2015-02-12

劉進(1979-),男,工程師,巖土工程專業,從事水利工程、巖土工程施工管理工作。E-mail:37650291@qq.com

TU443

A

1671-1211(2015)03-0330-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201503020

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150422.1028.006.html 數字出版日期:2015-04-22 10:28