基于膨脹土物化特性的判別分類方法

丁世磊，熊德元，張信貴，李苑麟

(1.廣西大學化學化工學院， 廣西南寧530004； 2.廣西大學土木建筑工程學院， 廣西南寧530004)

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基于膨脹土物化特性的判別分類方法

丁世磊1，熊德元1，張信貴2，李苑麟1

(1.廣西大學化學化工學院， 廣西南寧530004； 2.廣西大學土木建筑工程學院， 廣西南寧530004)

為了建立膨脹土的物化特性判定分析方法，采用物化特性指標pH、Zeta電位、比表面積、陽離子交換量和電導率，結(jié)合南寧市周邊工程，對采集土樣的物化特性指標及力學指標進行分析對比，采用Fisher法對采集的膨脹土物化特性指標進行判別分類，結(jié)果表明：①物化特性指標儀器分析簡單，數(shù)據(jù)準確，重現(xiàn)性好；②膨脹土的物化特性指標和力學指標之間具有一定的相關(guān)性，可以使用膨脹土的物化指標對膨脹土進行判別分類；③采用Fisher判別分析方法得到的基于膨脹土物化特性的分類方法，可以對南寧地區(qū)的膨脹土進行準確的判定和分類。

膨脹土；Fisher分析法；分類方法；物化特性

0　引　言

膨脹土是一種吸水膨脹軟化，失水收縮干裂，反復脹縮的黏土[1]。我國膨脹土的分布范圍十分廣泛，廣西是受膨脹土影響較為嚴重的省份之一，其脹縮性可導致公路、鐵路邊坡滑落、地基凹凸和建筑物開裂坍塌等災(zāi)害，因此在膨脹土地區(qū)建設(shè)前，必須對膨脹土進行準確的判別和分類，針對不同類型的膨脹土進行分類處理。但影響膨脹土膨脹機理的因素是多方面的[2]，沒有一個單一指標能充分地反映這些因素，常采用多指標聯(lián)合判定法對膨脹土進行判別分類。

目前用于膨脹土判定和分類的指標雖有很多，不同地區(qū)不同部門，根據(jù)測量與應(yīng)用的需要，采用了不同的判定指標，制定了相應(yīng)的標準，例如：建設(shè)部標準[3]、交通部標準[4]、塑性圖[1]、廣西地方標準[5]、美國的墾務(wù)局標準[6]和按自由膨脹率和脹縮總率[7]分類等。標準中的不同指標對膨脹潛勢本質(zhì)的影響不同，導致判別分類結(jié)果有所差別[8]，致使在同一膨脹土地區(qū)進行不同類型的施工建設(shè)時，不同部門之間的判定結(jié)果毫無參考價值，造成資源浪費且重復測量增加了成本。而且標準中多采用力學指標進行判定，但力學指標隨客觀環(huán)境變化顯著，同種膨脹土在不同環(huán)境下判定會出現(xiàn)不同的脹縮等級，而且力學指標數(shù)據(jù)獲取具有片面性、隨機性和不確定性[8]。膨脹土的物化特性指標測量簡單便捷，數(shù)據(jù)準確重現(xiàn)性好，文獻中已大量報道過膨脹土物化特性指標對其本質(zhì)的影響，例如：LIN B T[9]和孫樹林等[10]研究固化劑對膨脹土的固化效果時，都曾指出膨脹土的膨脹潛勢發(fā)生變化時膨脹土的pH值發(fā)生了明顯的變化；ZHAO H H[11]和XING W等[12]在研究中指出膨脹土的Zeta電位和陽離子交換量的改變，會對膨脹土的膨脹潛勢產(chǎn)生明顯改變；尚云東等[13]在研究固化劑十六烷基三甲基溴化胺(HTAB)對膨脹土的影響時指出，HTAB可以阻塞膨脹土的部分毛細孔，團聚黏土顆粒，可以有效防止膨脹土的膨脹，同時膨脹土的外比表面積也明顯減小；龔壁衛(wèi)[14]和查甫生等[15]詳細研究了電導率、電阻和電阻率發(fā)生變化時，膨脹土膨脹潛勢發(fā)生了明顯的變化。

本文綜合了膨脹土物化特性指標—pH、Zeta電位、比表面積、陽離子交換量和電導率，運用Fisher判別分析方法，結(jié)合南寧市周邊工程，建立一種基于膨脹土物化特性的判定分析方法。該方法中利用的物化指標測量準確、規(guī)范、在原料較少的情況下也可以對土樣進行準確判定，且指標在測量過程中受環(huán)境因素的影響較小，有效的克服了依靠力學指標判定膨脹土時受不同環(huán)境的影響。

1　實驗材料和方法

1.1實驗材料

實驗土樣，由廣西勘探設(shè)計研究院提供，取自南寧市周邊的建設(shè)工程。

1.2實驗方法

1.2.1土樣力學指標測定

土樣力學指標中的自由膨脹率、塑性指數(shù)和標準吸濕含水率按照《公路土工試驗規(guī)程》(GBJ112-87)[3]進行測量，50 kPa自由膨脹率和脹縮總率按照《廣西膨脹土地區(qū)建筑勘察設(shè)計施工技術(shù)規(guī)程》(DB45/T 396-2007)[5]進行測量。

1.2.2土樣物化指標測定

pH值：取過60目的烘干土樣10 g，加入50 mL去離子水，攪拌10 min，靜置30 min后，測量其上清液pH值。

陽離子交換量：按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTGE40-2007)進行測量。

比表面積(外比表面積)：采用Nove-2200e比表面積儀進行測定。稱取烘干土樣約0.3 g于測量管中，在300 ℃下脫氣3 h，待冷卻至80 ℃以下后，準確稱量并記錄樣品重量，然后分析樣品。根據(jù)吸附等溫線，采用Brunauer-Emmet-Teller(BET)法計算樣品的比表面積。

Zeta電位：采用JS94H型微電泳儀進行測定。將0.01 g膨脹土樣品稀釋至千分之一，每次取三分之二倍玻璃皿體積的懸浮液進行測定。

電導率：采用FZ-2006半導體粉末電阻率測試儀進行測量。取過60目篩子的烘干土樣2 g，加入0.2 mL去離子水，混合均勻，密封培養(yǎng)24 h后進行測量。

2　實驗結(jié)果

2.1土樣膨脹潛勢的力學判定

分別從南寧市周邊的建設(shè)工程取樣18組，根據(jù)交通部標準[3]和廣西地方標準[5]綜合判別膨脹土和分類膨脹潛勢，結(jié)果如表1所示，土樣1～3為強膨脹土，土樣4～10為中膨脹土，土樣11～14為弱膨脹土，土樣15～18為非膨脹土。

表1　土樣膨脹潛勢的綜合判定Tab.1　The expansion potential of soil sample

2.2土樣物化指標與力學指標之間的關(guān)聯(lián)

土樣物化指標實驗結(jié)果如表2所示，相應(yīng)指標與土樣的塑性指數(shù)[17]及脹縮總率[18]的關(guān)系如圖1～4所示。

表2　土樣物化特性指標實驗數(shù)據(jù)Tab.2　Data of expensive clays’ physical and chemical parameters

(a) 塑性指數(shù)

(b) 脹縮總率

比表面積、Zeta電位和陽離子交換量與塑性指數(shù)間的關(guān)系如圖1(a)所示。圖1(a)中,比表面積、Zeta電位和陽離子交換量隨著塑性數(shù)的增加整體上都呈上升趨勢，結(jié)合表1可知比表面積和Zeta電位數(shù)值中有一定的交叉。在圖1(a)中，塑性指數(shù)(Y)與比表面積(X2)、Zeta電位(X3)和陽離子交換量(X4)的函數(shù)式分別為：Y2=2.758+0.0655X2；Y3=-26.595+1.01X3；Y1=1.483+1.013X4。

比表面積、Zeta電位和陽離子交換量與脹縮總率間的關(guān)系如圖1(b)所示。圖1(b)中，比表面積、Zeta電位和陽離子交換量隨著脹縮總率增加呈遞增趨勢，比表面積和Zeta電位在數(shù)值較大時較為接近。在圖1(b)中，脹縮總率[18](K)與比表面積(X2)、Zeta電位(X3) 和陽離子交換量(X4)的函數(shù)式分別是：K2=-1.306+0.113X2；K3=-5.58+0.168X3；K4=-0.856+0.165X4。

從函數(shù)式中可以得出，陽離子交換量、比表面積、Zeta電位與塑性指數(shù)和脹縮總率之間具有一定的相關(guān)性，三個指標可以在一定程度上反映膨脹土的本質(zhì)，且圖中三條趨勢線相互間不平行，三個指標之間相互獨立。

圖2(a)中，脹縮總率和塑性指數(shù)與pH在不同類型的膨脹土中差別較大，數(shù)據(jù)間差別顯著，可以在一定程度上反映膨脹土的不同類型。塑性指數(shù)(Y1)和脹縮總率(K1)與pH(X1)的函數(shù)關(guān)系式為：塑性指數(shù)Y1=273.75- 46.29X1+1.81X12；脹縮總率K1=4871×exp(-X1/1398.5)-4841。從函數(shù)式中可以得出：pH和塑性指數(shù)與脹縮總率的關(guān)系式明顯與比表面積、Zeta電位和陽離子交換量不同，因此pH可以作為一個獨立的變量反映膨脹潛勢。

(a) pH值

(b) 電導率

圖2pH值、電導率與塑性指數(shù)和脹縮總率間的關(guān)系

Fig.2The relationship between pH, conductivity and plasticity index and swell-shrink total tatio

圖2(b)中，塑性指數(shù)與電導率的關(guān)系呈現(xiàn)出明顯的曲線關(guān)系，非膨脹土和其他類型的膨脹土區(qū)別較為顯著；脹縮總率隨著電導率增加變化不顯著。塑性指數(shù)(Y5)和脹縮總率(K5)與電導率(X5)的函數(shù)關(guān)系式為：塑性指數(shù)Y1=-2205.38+ 5817.67X5-4977.46X52+1398.20X53；脹縮總率K5=-183175+955781X5-2.07×106X52+2.38×106X53-1.53×106X54+523470X55-74251.9X56。從函數(shù)關(guān)系式中可以得出：電導率一定程度上可以反映出塑性指數(shù)和脹縮總率的變化趨勢，且趨勢線明顯區(qū)別于其他四個變量，因此電導率可以作為反映膨脹土膨脹潛勢的獨立變量。

2.3土樣膨脹潛勢的物化指標判定

2.3.1判別分類函數(shù)的構(gòu)建

Fisher判別基本理論[19]就是投影，針對P維空間中的某點x=(x1，x2，x3，…，xp)尋找一個能使它降為一維數(shù)值的線性函數(shù)Y(x)：

Y(x)=∑Cjxj。

然后應(yīng)用這個線性函數(shù)把P維空間中的已知類別總體以及求知類別歸屬的樣本都變換為一維數(shù)據(jù)，在根據(jù)其間的親疏程度把未知歸屬的樣本點判定其歸屬，且使組類差距越大越好。

以各土樣物化指標pH(X1)、比表面積(X2)、Zeta電位(X3)、陽離子交換量(X4)和電導率(X5)作為判別分析的變量，通過Fisher方法，基于表1結(jié)果，推出判別分類函數(shù)分別為：

高膨脹土:Y1=67.011X1+8.338X2+3.174X3+4.137X4+ 39.189X5-699.729，

(1)

中膨脹土:Y2=58.240X1+6.902X2+2.756X3+3.114X4+36.014X5-497.390，

(2)

弱膨脹土:Y3=58.654X1+5.002X2+2.458X3+3.131X4+31.760X5-408.001，

(3)

非膨脹土:Y4=57.621X1+2.965X2+2.417X3+2.866X4+24.248X5-338.656。

(4)

將待判樣本的各變量值分別代入式(1)～(4)中進行計算，比較結(jié)果大小，將土樣判別結(jié)果劃入結(jié)果值最大組中。

2.3.2新建立的判別分類方法對實驗土樣膨脹潛勢的判定

由表3可知，Y值自身的大小并不能代表膨脹土的類型，應(yīng)根據(jù)同組Y值的相對大小進行判定，如第15組數(shù)據(jù)明顯大于第14組數(shù)據(jù)，但膨脹土的類型屬于非膨脹土；由表3可得基于膨脹土物化特性建立的判別分類方法對實驗土樣的判定結(jié)果與力學判定結(jié)果完全吻合，說明新的判別分類方程可以用于膨脹土膨脹潛勢的判定。

表3　實驗土樣判別分析結(jié)果Tab.3　The soil’s results of discriminant analysis

2.3.3工程土樣檢驗

另取11種南寧市周邊的土樣進行檢驗，基于上述方法分析其膨脹潛勢，檢驗及判定結(jié)果如表4～6所示。

表4　檢驗土樣膨脹潛勢判定Tab.4　The expansion potential of inspection soil sample

表5　檢驗土樣物化指標檢測結(jié)果Tab.5　The inspection results of soil’s physical and chemical parameters

表6　判別分析檢驗結(jié)果Tab.6　The inspection results of discriminant analysis

表6結(jié)果表明，該判別方法與力學判定方法對工程土樣膨脹潛勢的判定結(jié)果完全一致，說明利用Fisher判別分析方法得到的基于膨脹土物化特性的分析方法，完全適應(yīng)于南寧地區(qū)土樣的綜合評定。

3　結(jié)　論

本文基于膨脹土的物化特性，采用膨脹土相互間獨立的物化特性指標——pH、Zeta電位、比表面積、陽離子交換量和電導率，通過Fisher判別分析方法，實驗結(jié)果得出以下結(jié)論：

①膨脹土的物化特性和膨脹土的力學性質(zhì)之間有一定的相關(guān)性，膨脹土的物化特性指標可以獨立地反映膨脹土的膨脹潛勢；

②基于膨脹土物化特性結(jié)合Fisher判別分析方法建立的膨脹判別分類方法為：以各土樣物化指標pH(X1)、比表面積(X2)、Zeta電位(X3)、陽離子交換量(X4)和電導率(X5)作為判別分析的變量：高膨脹土Y1=67.011X1+8.338X2+3.174X3+4.137X4+ 39.189X5-699.729；中膨脹土Y2=58.240X1+6.902X2+2.756X3+3.114X4+36.014X5-497.390；弱膨脹土Y3=58.654X1+5.002X2+2.458X3+3.131X4+31.760X5-408.001；非膨脹土Y4=57.621X1+2.965X2+2.417X3+2.866X4+24.248X5-338.656。

③利用Fisher判別分析法得到的基于物化特性指標的膨脹土判別分析方程可以對南寧地區(qū)的膨脹土進行準確的判別和分類。

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(責任編輯唐漢民梁健)

A novel identification and classification standard for expansive soil based on its physicochemical indexes

DING Shi-lei1, XIONG De-yuan1, ZHANG Xin-gui2, LI Yuan-lin1

(1. School of Chemistry and Chemical Engineering,Guangxi University, Nanning 530004, China;2. School of Civil and Architectural Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

In order to establish a novel identification and classification standard, the physicochemical indexes of expansive soil, such as pH, Zeta potential, specific surface area, cation exchange capacity and electrical conductivity are used. Therefore, based on the physicochemical properties of expansive soil and some engineering projects in Nanning, discriminant analysis on soil samples for swelling potential utilizing Fisher’s analysis was carried out, and conclusions are drawn as follows: ① the standard has the advantages of simplified analysis, accurate data and good reproducibility; ② there is a certain correlation between mechanical indexes and physicochemical indexes, and the physicochemical indexes could be used to classify expansive soil; ③ tests on physicochemical indexes of soil were carried out, from which the identification and classification of expansive soil have been proved.

expensive soil; Fisher’s discriminant analysis; classification method; physicochemical indexes

2015-11-20；

2016-06-09

國家自然科學基金資助項目(51268003);廣西石化資源加工及工程強化技術(shù)重點實驗室(AE040195)

熊德元(1966—)，男，廣西桂林人，廣西大學教授；E-mail：dyxiong@gxu.edu.cn。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1123

TU43

A

1001-7445(2016)04-1123-08

引文格式：丁世磊，熊德元，張信貴,等.基于膨脹土物化特性的判別分類方法[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(4)：1123-1130.