南阳地区中弱膨胀土的试验研究

杜红伟，谢玉辉，张 弛

(1.南阳理工学院 土木工程系，河南 南阳 473004;2.南阳建设发展有限公司，河南 南阳 473000)

膨胀土在世界范围内分布极广，迄今已发现存在膨胀岩土的国家达40余个，我国是膨胀土分布最广的国家之一，在黄河流域及其以南的20余个省区均有不同范围的分布。

膨胀土是指黏粒成分主要由强亲水性矿物组成的，液限大于40%且胀缩性能较大的黏性土。主要由次生黏土矿物——蒙脱石和伊利石组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性。由于组成成分及比例的不同，其外观一般呈现褐色、红色、黄色或灰白色等。一般土质细腻，黏性大，呈硬塑状态，斜交裂隙和光滑面发育，裂面颜色呈灰白、黄褐等杂色交混，无明显界限。膨胀土的微结构特征值随母岩与地质成因不同而异。本文所研究的膨胀土取自河南省南阳地区宛坪高速公路镇平段灰白色膨胀土。灰白色膨胀土主要是残积膨胀土，由泥灰岩风化而成。黏土矿物成分主要以蒙脱石为主，大约占矿物成分的33%，富含CaO颗粒(疆石结核)，属第四系中、上更新统膨胀土。

1 南阳膨胀土的相关情况

1.1 南阳地区膨胀土的分布

南阳膨胀土从南阳盆地自西向东，从弱到中强，其中从内乡、镇平界到方城，以中弱膨胀土为主，膨胀土土层主要分布在地表0～4 m深度。由于膨胀土的特殊性质，即吸水膨胀，失水干缩，引发了许多工程事故［1］。

1.2 膨胀土的分类

迄今为止，国内外膨胀土分类的方法不少，标准也不统一。主要分为两大类:一类是通过测定蒙脱石含量，如X射线法，电热分析法，染料吸附法，电子显微镜辨别法;另一类为通过对土的自由膨胀率，塑性指数，液限、塑限等的确定，找出膨胀土与非膨胀土的界限指标进行判别［2］。

我国《膨胀土地区建筑技术规范》(JGJ112-87)规定，自由膨胀率>40%可判定为膨胀土，特殊情况下尚可根据蒙脱石含量确定，当蒙脱石含量 >7%时，亦可判定为膨胀土，具体分类方法见表1。

表1 膨胀土级别

对膨胀土的判定各行业采用的标准不尽相同，由此造成膨胀土分类上的差异［3］。本文主要采用《公路路基设计规范》(JTG D30-2004)对膨胀土进行膨胀潜势分类，分类标准见表2。

表2 膨胀土的膨胀潜势分类

1.3 南阳地区膨胀土的主要特征

南阳膨胀土分布广泛，该地区膨胀土不仅有膨胀土的共同性质，也有自己的特点。

1.3.1 膨胀土的矿物成分及其影响因素

膨胀土之所以有膨胀性，是由于黏性土中含有亲水的黏土矿物，如蒙脱石、伊利石等。膨胀性实质上是这些黏土矿物晶格中的水，随雨季和旱季、丰水年和枯水年的温度变化而增减所致。膨胀性能的大小取决于这些亲水黏土矿物在黏性土中的含量高低。含量越高，膨胀性越大，反之，则越小。膨胀土的膨缩性能，除与黏土矿物成分及含量有直接关系外，尚与膨胀土体的含水量、厚度及埋藏或出露条件密切相关。

1.3.2 南阳膨胀土的物理力学参数

膨胀土由于其组成含有较多的膨胀性黏土矿物(蒙脱石、伊利石)，具有很强的吸水性、高塑性、快速崩解及剧烈的胀缩性。通过室内试验测得南阳膨胀土的部分物理力学参数，见表3。南阳膨胀土的黏土矿物成分主要有伊利石，其次是蒙脱石，还有少量的高岭石、水云母和绿泥石等(表4)。从这些物理力学参数可以看出南阳膨胀土属于中弱膨胀性的黏土。

表3 南阳膨胀土的物理力学参数

表4 南阳膨胀土的矿物成分

2 试验研究的主要内容

2.1 土样的采集和保管

2.1.1 土样的采集

土样可在试坑、平洞、竖井、天然地面及钻孔中采取。所取土样在地下1.5～4.0 m之间。取原状土样时，必须保持土样的原状结构及天然含水量，并使土样不受扰动。在取得土样后，应对土样进行编号，用标签贴在相应的取土袋上。取样数量根据试验项目和最大颗粒直径按土工试验要求确定［4］。

2.1.2 土样的保管

①土样采集后应把土样放在阴凉处，防止水分的蒸发;②土样应放在空闲处，防止人为因素而使原状土样受扰动;③土样应随用随削。

2.2 原状土试件的制备

2.2.1 试件制备过程

按土样上下层次小心开启原状土包装皮，将土样取出放正，整平两端。在环刀壁涂一薄层凡士林，刀口向下，放在土样上，无特殊要求时，切土方向与天然层次垂直。

切削过程中，应细心观察并记录试件的层次、气味、颜色，有无杂质，土质是否均匀，有无裂缝等。如连续切取数个试件，应注意使含水量不发生变化。视试件本身及工程要求，决定试件是否进行饱和，如不立即进行试验或饱和时，则将试件暂存于保温器内。切取试件后，剩余的原状土样用蜡纸包好置于保温器内，以备补作试验之用。切削的余土作物理性试验。平行试验或同一组试件密度差值不大于±0.1 g/cm3，含水量差不大于2%。

2.2.2 试件饱和(真空饱和法)

真空饱和所用仪器:饱和器、真空缸、抽气机等。操作步骤:

1)将装好试件的饱和器放入真空缸内，盖口涂一薄层凡士林，以防漏气;

2)关管夹，开阀门，开动抽气机，抽除缸内及土中气体，当真空压力表达到一个负大气压力值后，稍微开启管夹，使清水从引水管徐徐注入真空缸内;在注水过程中，应调节管夹，使真空压力表上的数值基本保持不变;

3)待饱和器完全淹没水中后，即停止抽气，将引水管自水缸中提出，令空气进入真空缸内，静待一定时间，借大气压力，使试件饱和;

4)取出试件，称质量，准确至0.1 g，计算饱和度。

2.3 试验内容

2.3.1 含水率试验和密度试验

含水率试验采用烘干法进行，密度试验采用蜡封法测定试样密度。

2.3.2 界限含水量试验(液、塑限联合测定法)

液、塑限联合测定法是根据圆锥仪的圆锥入土深度与其相应的含水率在双对数坐标上具有线性关系的特性来进行的。利用圆锥质量为76 g的液塑限联合测定仪测得土在不同含水率时的圆锥入土深度，并绘制其关系直线图，在图上查得圆锥下沉深度为10 mm(或17 mm)所对应的含水率即为液限，查得圆锥下沉深度为2 mm所对应的含水率即为塑限。

2.3.3 膨胀率试验和膨胀力试验

土的膨胀是指黏性土体在浸水过程中体积增大的现象。所谓膨胀率，是指试样在有侧限条件下浸水后的竖向膨胀量与试样原高度之比。膨胀含水率是指土样在膨胀稳定后的含水率。根据加载条件，可分为无荷载膨胀率试验和有荷载膨胀率试验，本试验做的是无荷载膨胀率试验。

该试验的目的是原状膨胀土在有侧限条件下的膨胀率和膨胀含水率，以评价建筑物地基的膨胀性质。

膨胀力是土体在吸水膨胀时产生的内应力。本试验用于测定试样在体积不变的情况下由于膨胀所产生的最大内应力，采用加荷平衡法。

2.3.4 自由膨胀率试验和收缩试验

自由膨胀率为松散的烘干土粒在水中和空气中分别自由堆积的体积之差与在空气中自由堆积的体积之比，以百分数表示，用以判定无结构力的松散土粒在水中的膨胀特性。

土收缩是指原状土和击实土在自然风干条件下失水体积收缩的一种现象。失水收缩通常有三个阶段:第一阶段，土体收缩与含水率减少成正比;第二阶段，随着含水率的减少，土体收缩率愈来愈小;第三阶段，含水率继续减小，但土体收缩甚微。单向收缩量与试样原高度的比值或单向收缩量与试样原直径的比值称线缩率。土体收缩达稳定时的体积收缩量与试样原体积的比值称体缩。在第一阶段内含水率每减少1%时的线收缩率称收缩系数。

2.3.5 渗透试验和直接剪切试验

该试验采用变水头渗透试验，是指通过土样的渗流在变化的水头压力下进行的渗透试验。

直接剪切试验就是直接对试样进行剪切的试验，是测定土的抗剪强度的一种方法。通常是4个试样，在不同的垂直压力P下施加水平剪切力，测得试样破坏时的剪应力τ，然后根据库仑定律确定土的抗剪强度参数内摩擦角φ和黏聚力c。

2.3.6 固结试验

地基土在外荷作用下，水和空气逐渐被挤出，土的骨颗粒相互挤聚，因而引起土的固结，试验目的是测定一般黏性土在侧限条件下受荷时的稳定固结量及固结过程，绘制固结曲线，从而求出土的压缩系数 av和固结模量 Es［5］。

3 试验结果与分析

进行了一定数量的室内土工试验，得到了膨胀土各项性能指标。

3.1 物理性能指标和水理性能

含水率一般在26% ～28%，有的已经达到33%，含水率较大;密度在1.9～2.0 g/cm3之间;液限为50.8，塑限为26.5。该类膨胀土的渗透系数较大，一般在2.8×10－5～5.0×10－5cm/s之间。据其物理性能指标可推断该膨胀土具有较大的收缩潜势;据其水理性能指标可推断其结构含有大量疆石和微小裂隙［6］。

3.2 特殊性能指标

收缩性能和自由膨胀率性能指标见表5。

3.3 力学性能指标

由表5和表6可知，该类膨胀土属中弱膨胀土，涨缩性非常强，工程性质很差。该膨胀土抗压强度比较高，这会给工程建设造成一定的误区，使人们误以为地基土的抗压强度高，在设计中就容易出现问题。实际上是由于南阳膨胀土中的疆石含量较高的缘故。

表5 土样的收缩性能和自由膨胀率性能指标

表6 压力为100～200 kPa时土的压缩性能指标

4 结论

通过对南阳地区原状膨胀土的物理性质、水理性质、力学性质和特殊性质等方面的试验研究，测得土样的矿物构成和各类性能指标。根据蒙脱石含量和自由膨胀率指标，可判断该类土样膨胀潜势介于弱膨胀到中等膨胀之间。线缩率指标较高，涨缩性强，工程性质很差。压缩性能指标较高，抗压强度较高，但不能误以为是地基土的抗压强度高，而是由于膨胀土中疆石含量高的缘故。因此在实际工程中必须判定地基土是否为膨胀类土以及膨胀类别，并提供原始的数据资料和参考依据。根据实际情况进行设计和施工，对于避免和减少工程事故的发生，提高和巩固工程质量具有重要的意义［7］。

［1］缪林昌，刘松玉.南阳膨胀土的水分特征和强度特性研究［J］.水利学报，1998(7):46-49.

［2］刘特洪.工程建设中的膨胀土问题［M］.北京:中国建筑工业出版社，1998.

［3］陈希哲.土力学与地基基础(第四版)［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［4］袁聚云.土工试验与原理［M］.上海:同济大学出版社，2003.

［5］黄文熙.土的工程性质［M］.北京:水利出版社，1993.

［6］李健，孙英学.高等级公路工程中的膨胀土研究［J］.水利水电科技进展，1998，2(1):41-44，58.

［7］杨元明.工程中土的流变特性及其应用［M］.西安:西安地图出版社，2006.