成都市中心城區膨脹土工程地質特征分區

摘 要：以成都市中心城區膨脹土為研究對象，在全面搜集已有勘察資料基礎上，結合現場調查及室內外試驗，全面刻畫了成都市域內膨脹土空間展布特征，對其結構特征、物理力學特征、脹縮性和裂隙性進行了系統總結，在此基礎上對膨脹土進行了分區.研究表明，成都市膨脹土由西向東逐漸增厚，厚度2.64～24.1 m，平均厚度10.8 m；縱向可劃分為3層，其中Ⅲ層裂隙極發育，團塊狀灰白色黏土增多，局部為灰白色黏土；隙壁灰白色黏土比灰黃色黏土層黏土礦物含量高、含水率高、膨脹性強，其與裂隙的存在劣化了土體力學性質；灰黃色黏土具有弱膨脹潛勢，黃紅色黏土具有弱—中等膨脹潛勢，根據土體膨脹特性，將成都劃分為弱膨脹區、出露型弱—中膨脹區和埋藏型弱—中膨脹區3個大區.

關鍵詞：膨脹土；強度；脹縮性；分區

中圖分類號：TU443

文獻標志碼：A

0 引 言

膨脹土具有脹縮性、裂隙性和超固結性，常給工程建設活動帶來巨大危害，是一種多問題的特殊土［1-4］.成都東部臺地分布黏性土為典型膨脹土，其裂隙發育，切面光滑，裂隙中充填大量灰白色黏土，在自然條件下呈硬塑狀態，力學強度較高，對干濕氣候變化異常敏感，具有親水性好、水敏性強、低塑限、高液限、遇水膨脹、易塑易滑、失水收縮產生裂隙與反復脹縮變形的特點［5-15］.

目前，科研人員獲得了很多關于成都地區膨脹土的研究成果，并積累了相關經驗，但已有成果多集中于特定工程，平面局限于某一工程范圍，縱向局限于工程影響深度.本研究在全面搜集成都市已有勘察資料基礎上，補充了相應鉆探及取樣測試工作，全面刻畫了成都市域內膨脹土空間展布特征和物理力學特征，重點對其脹縮性進行了總結，并在此基礎上對膨脹土進行了分區.

1 分布特征

成都市膨脹土分布于市域內中更新統合江組（Qp2hj）地層，總體為一套黃色和紅黃色黏土，其廣泛分布于中心城區溪溝及寬谷以外的地表，呈“地毯式”披覆在二級和三級的各種階地與丘陵內部的一些半封閉與封閉的洼地里，且其多為島形狀分散分布，這些土大多是直接覆蓋在白堊紀紫紅色砂泥巖上（見圖1）.

本研究通過對成都市域內246份資料中的753處鉆孔資料統計（見圖2）表明，膨脹土厚度2.64～24.1 m，平均厚度10.8 m，最大埋深26.9 m，膨脹土自西向東逐漸增厚.其中，塔子山一帶厚4～6 m；二仙橋和龍潭寺一帶厚8～14 m；鳳凰山一帶厚約10～13 m；最厚位于荊竹社區周邊，揭露厚度達24.1 m；最大埋深位于昭覺寺一帶，達26.9 m.

2 結構特征

根據土層顏色、裂隙發育程度與包含物的差異，成都市中心城區膨脹土自上而下大致分為3層［4-5，7］.

1）上部灰黃色與褐黃色黏土（Ⅰ層）：粒度較粗，結構致密，質較純，硬塑狀，網狀風化裂隙發育，脈絡不清，含5%～15%黃白色鈣質結核，核徑一般3～5 cm，多呈星散狀不均勻分布.該層土黏粒含量32.88%～51.99%，黏性較強，硬塑狀，裂隙不甚發育，厚1～3 m.

2）中部黃色與棕黃色黏土（Ⅱ層）：結構致密，局部具花斑狀結構，土質均一，硬塑—堅硬狀，黏粒含量32.79%～54.88%，微含砂粒，裂隙發育，間距小于0.5 mm，延伸較長，隙壁有灰白色黏土，黏土細膩，滑感很強，裂面有擦痕，具蠟狀光澤，層內含少量鈣質結核，裂隙主要沿灰白色黏土與母體黏土接觸面發育，裂面光滑，網狀展布.

3）下部黃紅色與灰白色黏土（Ⅲ層）：團塊狀灰白色黏土增多，與黃紅色黏土構成花斑狀結構，黏粒含量42.4%～62.3%，其中灰白色黏土黏粒含量60.8%～73%，裂隙極發育、不規則、貫通性好，面隙率1～5條/m2，裂面延伸較長，隙間常夾有灰白色黏土條帶，裂面光滑，可見擦痕，蠟狀光澤，有滑感，該層含較多鈣質結核，厚1～3 m.

隨埋置深度增加，膨脹土顏色由灰黃色、褐黃色、黃色和棕黃色，向黃紅色過渡，顏色由暗變亮，土質漸純，裂隙漸多，其中Ⅲ層裂隙極發育，團塊狀灰白色黏土增多，局部為灰白色黏土（見圖3）.

3 物理力學性質特征

3.1 物理性質

膨脹土的物理性質是決定其力學性質的基本因素之一，其中，最主要的是密度、天然含水率和孔隙度.綜合試驗及市域內搜集的資料分析整理，膨脹土主要物理性質指標見表1.

從物理指標上看，成都膨脹土各層顆粒密度及天然密度變化不大，顆粒密度一般在2.67～2.76 g/cm3，天然密度多介于1.90～2.05 g/cm3，一般均小于2.0 g/cm3.孔隙度一般都較小，均在40%左右，孔隙比多介于0.6～0.7，總的來看，黏土孔隙度較小，與實際所觀察到的結構密實的事實相吻合.

但各土層含水率有較大差異，第Ⅰ層和第Ⅱ層黏土的含水率為21%～38.5%，有比較大的懸殊，但一般多在24%左右，且與塑限接近，液性指數很小，呈硬塑狀態，個別層位呈可塑或半固態狀態.第Ⅲ層黏土含水率為23.3%～29.2%，平均值25.4%，灰白色黏性土含水率為22.4%～28.4%，平均值26.3%.從含水率上看，灰白色黏性土平均值大于第Ⅲ層黏土，大于上部的第Ⅰ層和第Ⅱ層黏性土.

3.2 水理性質

根據在不同地區所取土樣進行試驗的結果，說明成都膨脹土的水理性質有著一定程度的差異和規律性.綜合本次試驗及搜集的資料分析整理，成都膨脹土主要水理性質指標見表2.

由表2可知，第Ⅰ層和第Ⅱ層黏土塑限最大值為30.2%，最小值為18.7%，一般值在20%～24%之間；液限最大值為50%，最小值為35.9%，一般值在37%～42%之間；塑性指數最大值為20.6，最小值為17.1，一般變化范圍為17～19.第Ⅲ層黏土塑限最大值為22.8%，最小值為18.3%；液限最大值為44.7%，最小值為36%，一般值在39%～41%之間；塑性指數最大值為23.3，最小值為18.3，一般變化范圍為19～20.灰白色黏性土塑限最大值為22.7%，最小值為20.3%，一般值在20%～21%之間；液限最大值為44.7%，最小值為40.7%，一般值在41%～42%之間；塑性指數最大值為23.5，最小值為19.7，一般變化范圍為20～21.從試驗成果看，灰白色黏性土液限和塑性指數均比灰黃色和黃紅色黏性土高.

室內試驗資料所獲取滲透系數最大為3.84×10-5m/d，最小為6.29×10-7m/d，一般值在4×10-7～2×10-6m/d之間.現場滲透試驗測得成都黏土在吸水條件下的滲透系數結果為１.15×10-6～2.71×10-4m/d，一般值在5×10-5～1×10-4m/d之間.對比室內試驗與現場滲透試驗結果，室內試驗滲透系數較現場試驗小，原因在于成都黏土的透水性主要因隙裂而增強，但在實驗室條件下，對于具有較大裂隙的試樣，無法取得，因而所測得數據必然比天然情況下小.

3.3 力學性質

綜合本次試驗及搜集的資料分析整理，成都膨脹土主要力學性質指標見表3.

壓縮性試驗結果表明，由于成都膨脹土的壓密性較高，黏土礦物不能大量吸水，因而可壓縮性低，壓縮系數0.11～0.51 Mpa-1，一般值為0.2～0.4 Mpa-1，壓縮模量4～15 MPa，一般值為5～9 MPa，多為中壓縮性土，個別試樣為高壓縮性土.如前所述，黏土結構致密，且天然密度較大，原始孔隙比較低，這就決定了這種黏土具有中壓縮性的特征.

成都膨脹土在天然快剪條件下，試驗內摩擦角Φmax=37.1°，Φmin=7.6°，一般值在15°～20°之間.內聚力Cmax=50 kPa，Cmin=10 kPa，一般值在30～40 kPa之間，第Ⅲ層黏性土較表層黏性土抗剪強度低，而灰白色黏土抗剪強度較第Ⅰ層、第Ⅱ層和第Ⅲ層黏土低.第Ⅲ層土內裂隙發育，由于膨脹土中裂隙存在，其抗剪強度較均質土復雜，是由土塊和裂隙面組成的土體，裂隙面的存在破壞了土的均一性和連續性，易產生應力集中，從而影響膨脹土的抗剪強度，膨脹土土體經過往復干縮濕脹效應，使原始結構遭受破壞，原生隱微裂隙張開擴大，新的脹縮裂隙與風化裂隙又不斷產生，土中應力集中現象愈來愈發展，土體強度顯著降低.而第Ⅰ層、第Ⅱ層和第Ⅲ層土抗剪強度均較灰白色黏土強度高，是因為灰白色層內蒙脫石含量較其他層位高，土體含水率和孔隙比亦較高，導致灰白色黏土層力學性質弱于周圍黏性土.因此，這類灰白色黏土的存在會大大劣化其力學性質，尤其是抗剪強度.

圖4和圖5為膨脹土黏聚力和內摩擦角與含水率的關系曲線，膨脹土的黏聚力和內摩擦角均隨含水率的增大呈逐漸減小的趨勢.

圖6和圖7為隙壁黏土粘聚力和內摩擦角與含水率的關系曲線.對比母體土與隙壁黏土，相同含水率條件下，隙壁黏土黏聚力和內摩擦角均較母體土小，體現了隙壁黏土對其性質的劣化.隙壁黏土內摩擦角亦隨著含水率的增大而降低，且斜率較母體土大，表明受含水率影響較大，但隙壁黏土黏聚力與含水率相關性較小.抗剪強度均隨含水量增加而降低，天然含水量狀態（一般低于塑限）時峰值強度極高，干濕循環后土的結構破壞，含水量增加，抗剪強度隨之衰減.因此，野外工程開挖暴露后的土體在經歷往復干縮濕脹效應后，強度會大幅較低.

4 脹縮特性

根據測試成果（見表4），第Ⅰ層和第Ⅱ層黏土自由膨脹率為31%～61%，絕大多數試樣大于40%，膨脹率為-1.7%～0.25%，收縮系數為0.4～0.58，縮限為9.5%～15.1%，陽離子交換量為170.0～

409.5 mmol/kg，蒙脫石含量為7.59%～28.34%；第Ⅲ層黏土自由膨脹率為58.5%～68.7%，絕大多數試樣大于65%，膨脹率為0.13%～0.27%，收縮系數為0.42～0.47，縮限為9.5%～14.4%；灰白色黏土自由膨脹率為70.1%～82.1%，均大于65%，膨脹率為0.33%～0.48%，收縮系數為0.41～0.47，縮限為12.4%～14.5%.

根據GB 50112—2013《膨脹土地區建筑技術規范》，成都市域內試樣多屬弱—中膨脹土，其中，灰白色黏土的自由膨脹率平均在76%左右，具中等膨脹潛勢，屬于中等膨脹土.第Ⅰ層和第Ⅱ層黃色黏土的自由膨脹率平均在46.9%左右，具有弱膨脹潛勢，屬于弱膨脹土.第Ⅲ層黃紅色黏土的自由膨脹率平均在63.7%左右，具有弱—中等膨脹潛勢，屬于弱—中等膨脹土.由于第Ⅲ層土內大量分布灰白色黏性土，導致其自由膨脹率較上部黃色黏土層大.

成都膨脹土中黃色黏土在荷載作用下的膨脹量都比較小，其膨脹率均小于灰白色黏土，試驗結果表明，成都膨脹土中灰白色黏土的膨脹性較黃色黏土的膨脹性要大得多.受灰白色黏土含量影響，含量較高的黃紅色黏土膨脹性較灰黃色黏土強.

成都膨脹土收縮系數值均較大，表明成都膨脹土地基脹縮變形量較大，對膨脹土地基應作相應處理.但從收縮系數的試驗值上看，黃色黏土與灰白色黏土的收縮系數相差不大，表明2種黏土的脹縮變形能力也相差不大.

5 脹縮性分區

通過對成都市域內246份資料中的753處鉆孔內1 656組土樣測試數據進行全面分析整理，并結合本次實施的22個鉆孔揭露情況及57組土樣測試數據進行綜合分析，成都中心城區分布膨脹土面積共163.77 km2，各膨脹土層出露條件各異.根據膨脹土分布特征、出露條件及膨脹特性，對成都市域內膨脹土進行分區，共劃分為弱膨脹區（A區）、出露型弱—中膨脹區（B區）和埋藏型弱—中膨脹區（C區）3個大區.對僅分布Ⅰ層和Ⅱ層弱膨脹土的區域，劃分為弱膨脹區（A區）；對僅分布Ⅲ層弱—中膨脹土的區域，劃分為出露型弱—中膨脹區（B區）；對上部分布Ⅰ層和Ⅱ層弱膨脹土，下部分布Ⅲ層弱—中膨脹土的區域劃分為埋藏型弱—中膨脹區（C區）.根據其范圍特征細分為7個亞區，如圖8和圖9所示.各區特征見表5.

6 結 論

本研究在全面搜集成都市已有勘察資料的基礎上，全面刻畫了成都市域內膨脹土空間展布特征、結構特征和物理力學特征，并重點對其脹縮性進行了總結.主要得到了以下結論：

1）對市域內246份資料中的753處鉆孔資料進行統計，刻畫了膨脹土三維空間展布特征，膨脹土由西向東逐漸增厚，厚度2.64～24.1 m，平均厚度10.8 m，最大埋深26.9 m.

2）隨著埋置深度增加，成都膨脹土顏色由暗變亮，土質漸純，裂隙漸多，可劃分為3層，其中，第Ⅲ層裂隙極發育，團塊狀灰白色黏土增多，局部為灰白色黏土.

3）成都膨脹土隙壁灰白色黏土比灰黃色黏土層黏土礦物含量高、含水率高、膨脹性強，其與裂隙的存在劣化了土體力學性質.

4）灰黃色黏土具有弱膨脹潛勢，黃紅色黏土具有弱—中等膨脹潛勢，根據土體膨脹特性，將成都劃分為弱膨脹區、出露型弱—中膨脹區和埋藏型弱—中膨脹區3個大區，進一步劃分為7個小區，可供相應工程借鑒.

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（實習編輯：羅 媛）

Zoning of Expansive Soil Based on Its Engineering Geological Characteristics in Central Urban Area in Chengdu

TONG Longyun1，ZHANG Ji2，XIANG Bo2，LI Qiang2，LI Jiang2，LIU Tao2

（1.Chengdu Hig-Speed Operations Management Co.，Ltd.，Chengdu 611730，China；

2.Sichuan Institute of Geological Engineering Investigation Group Co.，Ltd.，Chengdu 610072，China）

Abstract：

By taking expansive soil in Chengdu as the research target，based on the comprehensive collection of survey data in Chengdu，and by means of field investigation and test in laboratory and field，the spatial distribution characteristics of the the expansive oil in the urban in Chengdu is depicted，and the structure characteristics，physical and mechanical charactevistics especially the swell-shrink characteristics and the fracture charctensics are systematifcally summarized.Based on what has been mentioned above，the expansive soil is divided into different zones.The studies show that the thickness of expansive soil increases from west to east gradually.Meanwhile the thickness of such oil in Chengdu is 2.64～24.1 m，with an average thickness of 10.8 m.Vertically，it can be divided into three layers，among which the fractures of layer III are extremely developed，the number of massive gray white clay increases，and the gray white clay is locally distributed.The fissure wall clay has higher mineral content，higher water content and higher expansibility than the yellow clay，and the existence of fissures worsens the mechanical properties of the soil;the gray yellow clay has weak expansion potential，and the yellow red clay has weak-medium expansion potential.According to the expansion characteristics of the soil，Chengdu is divided into three regions： weak expansion zone，exposed weak medium expansion zone and buried weak medium expansion zone.

Key words：

expansive soil;strength;swelling-shrinking;zoning

收稿日期：2023-04-13

基金項目：中國地質調查局項目（DD20189210）;四川省科技廳科技計劃項目（2021YFSY0036、2019YJ0595）

作者簡介：童龍云（1986—），男，碩士，從事水文地質與工程地質研究.E-mail：595844119@qq.com

通信作者：張 繼（1974—），男，博士，教授級高級工程師，從事水文地質與工程地質研究.E-mail：276582940@qq.com