合肥地區黏土膨脹特性研究

周 罡 李 淮 楊新安 陳 翔

(1.廣州市重點公共建設項目管理中心，510030，廣州；2.中交第三航務工程局集團有限公司，200030，上海；3.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，201804，上海∥第一作者，高級工程師)

合肥地區是典型的膨脹土覆蓋區域。膨脹土是具有顯著的吸水膨脹和失水收縮特性的黏土，其土中黏粒成分主要由親水性礦物組成[1]。膨脹土在膨脹和收縮的過程中會產生膨脹力，會對地鐵隧道的施工安全造成不良影響。因此，對合肥地區黏土的膨脹特性進行研究，具有重要的工程意義。

國內外很多學者對膨脹性黏土的膨脹特性進行了研究，文獻[2]利用膨脹儀、固結儀等設備對經過干濕循環后的膨脹土開展自由膨脹率試驗、無荷載膨脹試驗和膨脹力試驗研究；文獻[3]通過三軸強度試驗和膨脹土特性試驗(膨脹率測試和膨脹力測試)研究了含水率、干密度對膨脹土三軸強度的影響；膨脹土中含水率增大會導致土體抗剪強度降低[4-8]，文獻[9-12]通過試驗發現膨脹土的黏聚力和內摩擦角值的對數與含水率呈負線性相關；文獻[13]通過室內土工試驗對合肥新橋機場膨脹土進行了研究，并對膨脹土進行分類，還通過X射線衍射分析手段對膨脹土的礦物成分進行定性和定量的分析和計算，來研究膨脹土的礦物成分對該區膨脹土工程性質的影響；文獻[14]開展膨脹土室內試驗，獲取膨脹土的基本物理力學參數和膨脹潛勢,根據直剪試驗結果，建立膨脹土強度參數隨含水率變化的經驗公式；文獻[15]對南方膨脹土的微結構特性進行了實驗研究，表明膨脹土具有其特殊的微結構特性，其決定著膨脹土的膨脹勢。隨著X射線衍射、透射電鏡、掃描電鏡等測試技術以及數字化圖像處理技術的發展和應用[16-18]，人們對土微觀結構的認識將會更加深入。綜上所述，研究膨脹土微觀結構的科學手段較為成熟，可以根據現有的資料對膨脹性黏土的微觀結構進行直觀的分析;大量研究采用現場原位試驗的方式進行，但在進行原位試驗時，存在邊界條件難以控制、變量眾多的困難，因此在取得原狀土的條件下，可采用室內試驗的手段進行研究。

本文在合肥軌道交通4號線和5號線地鐵隧道施工現場取典型黏土地層的原狀土樣，通過一系列室內試驗對其膨脹特性進行了研究。研究結果可為合肥地區穿越膨脹性黏土地層的地鐵隧道施工提供一定的參考依據。

1 現場取土及土樣準備

通過試驗可以獲得黏土的天然結構、組織成分、自然濕度及抗剪強度等一系列物理力學指標，從而明確黏土的基本性質及其工程特性。為了確保試驗數據接近土樣天然狀態下的數據，需要采用原狀土進行試驗。這就要求在取土時采取一定的措施來減少對土樣的擾動。

一般來說，取土樣過程中會產生附加應力及應力釋放，使土樣產生擾動，從而使土樣的有效應力產生變化。這一過程是不可避免的。但土樣的擾動是被控制在一定的范圍之內。如圖1所示，局部擾動用擾動帶的寬度S表示。S值越小，則原狀土結構范圍越大，土樣質量越接近原狀土[19]。

圖1 土樣擾動帶示意圖

本研究采用外徑為110.0 mm、壁厚為3.2 mm、長度為200.0 mm的PVC(聚氯乙烯)管材作為取土器；采用壓入法進行土樣的采取；取土后用塑料膜和膠帶封住管的兩端，并在恒溫恒濕的條件下保存。

據合肥軌道交通地質勘探資料，合肥地區主要的黏土層為第四系全新統地層和上更新統地層。本文按形成年代的早晚，將全新統地層黏土稱為“新黏土”，將上更新統地層黏土稱為“老黏土”。本試驗采用的原狀土樣為合肥地區②3層黏土(屬于新黏土)和⑥2層黏土(屬于老黏土)，是兩種地層中廣泛分布的代表性黏土。

2 膨脹特性研究

2.1 自由膨脹率試驗

自由膨脹率試驗可用于判定黏土在無結構力影響下的膨脹潛勢。

自由膨脹率[20]為：

(1)

式中：

δef——膨脹土的自由膨脹率；

V——土樣在水中膨脹穩定后的體積；

V0——土樣初始體積。

根據GBJ 112—1987《膨脹土地區建筑技術規范》中的規定，膨脹土的膨脹潛勢應按表1中的標準進行劃分。

表1 膨脹土膨脹潛勢劃分

試驗采用風干碾碎的土樣10 ml。土樣在水中膨脹不同時間后的自由膨脹率如表2所示。

表2 土樣在水中膨脹不同時間后的自由膨脹率

由表1試驗結果可知，⑥2層和②3層土樣的δef平均值分別為46.0%和58.0%，由此可以判定兩種典型黏土土樣均具有弱膨脹潛勢。

2.2 膨脹力試驗

采用平衡加壓法對合肥地區黏土試樣進行膨脹力試驗，試驗儀器為單杠桿固結儀，膨脹力的計算按照公式(2)進行[20]，試樣面積即環刀面積，為30 cm2，固結儀杠桿比為1∶12，最終得到黏土膨脹力變化如圖2所示。試驗結果為：⑥2層黏土的膨脹力為25.0 kPa,②3層黏土的膨脹力為31.5 kPa。

圖2 膨脹力pe隨時間t變化曲線

(2)

式中：

pe——膨脹力；

W——總平衡荷載；

A——試樣面積；

k——固結儀杠桿比。

2.3 含水率對黏土強度參數的影響

將⑥2層黏土按含水率梯度22.5%～27.5%共分6組，②3層黏土按含水率梯度23.4%～34.4%共分7組，對每組土樣進行直剪試驗，得到抗剪強度指標(包含黏聚力c、內摩擦角φ)。

將黏土直剪試驗得到的數據繪制成散點圖，并通過Origin軟件擬合，結果如圖3及圖4所示。根據擬合結果，合肥地區②3層黏土和⑥2層黏土的c、φ隨含水率ω的變化規律符合負指數函數關系。擬合曲線滿足：

c=a1eb1ω+c1

(3)

φ=a2eb2ω+c2

(4)

其中，a1、a2、b1、b2為擬合系數，e為自然底數，c1、c2為常數。擬合結果見表3。

表3 擬合結果

由圖3、圖4及擬合結果可以發現，ω越高，則土體的抗剪強度越小。這一規律具體表現為膨脹土遇水軟化。

a)②3層黏土

a)②3層黏土

2.4 微觀電鏡試驗

微觀試驗采用FEI Quanta 200II型場發射掃描電子顯微鏡，選取合肥地區的新黏土和老黏土樣品。首先，將樣品風干；然后，將樣品切割成長度為10 mm、厚度為3 mm的方形薄片，并對試樣表面進行噴金鍍膜；最后，將樣品放入顯微鏡觀察。觀察樣品時，顯微鏡放大倍數為50 000倍，并以電鏡照片的形式記錄(如圖5所示)。

a)新黏土

根據電鏡試驗的結果：老黏土形成年代較為久遠，形成過程中經歷壓密作用較多，導致黏土顆粒更為緊湊，具有致密結構面；新黏土形成年代較晚，形成過程中，脹縮效應所形成的不均勻水平應力所產生的水平應力差居主導地位，導致了復雜交錯的裂隙結構，即裂隙結構面。

3 結論

1)通過自由膨脹率試驗得到，⑥2層黏土土樣自由含水率為46.0%，②3層黏土土樣自由含水率為58.0%。兩種土樣均具有弱膨脹性。采用平衡加壓法進行膨脹力試驗，測得⑥2層土樣的膨脹力為25.0 kPa。

2)由土樣直剪試驗發現，土樣的抗剪強度隨著ω的增大而減小，當ω接近飽和含水率時，土樣的抗剪強度達到最低。基于直剪試驗，對兩種黏土抗剪強度指標與含水率進行擬合。根據擬合結果，合肥地區黏土的c、φ同ω之間存在負指數函數關系，具體表現為黏土遇水軟化，土體抗剪強度降低。

3)通過微觀電鏡試驗發現，新黏土和老黏土分別具有裂隙結構面和致密結構面。

室內試驗結果顯示:新黏土自由膨脹率和膨脹力均大于老黏土，具有更強的膨脹特性；從微觀方面分析，微孔隙、微裂隙是2種黏土具有膨脹性的原因。