粒径对黏性土自由膨胀率的影响规律研究

朱德余　刘爱叶　谭永平

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)

Study on the Effect of Particle Size on Free Swelling Ratio of Clayey Soil

ZHU Deyu　LIU Aiye　TAN Yongping

粒径对黏性土自由膨胀率的影响规律研究

朱德余刘爱叶谭永平

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

Study on the Effect of Particle Size on Free Swelling Ratio of Clayey Soil

ZHU DeyuLIU AiyeTAN Yongping

摘要研究样品粒径级配对自由膨胀率的影响规律，通过数据分析得出自由膨胀率最优试验粒径。试验结果表明：试验者不同，样品粒径级别差别较大，进而影响到自由膨胀率测试结果，甚至影响到膨胀级别的判别；样品中d<0.075 mm颗粒的比例较小时，自由膨胀率变化不明显；当d<0.075 mm颗粒比例增大到一定程度，自由膨胀率变小趋势越来越明显，甚至影响膨胀级别的判别；综合分析得出自由膨胀率最优试验粒径范围为0.075～0.5 mm。

关键词自由膨胀率级配影响黏性土

1概述

我国是膨胀岩土分布最广的国家之一，很多省份都有膨胀岩土分布，如广西、云南、湖北、安徽、四川、河南、山东等。关于膨胀岩土的研究很多，大部分集中在地区性膨胀岩土的综合概述、膨胀岩土的分类方法及膨胀试验的方法等[1-5]。

膨胀土主要由强亲水性矿物成分蒙脱石组成，具有多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性。膨胀土的判别指标很多，主要可分为两大类，一类是直接指标，包括阳离子交换量、蒙脱石含量(用化学法或X射线衍射法测定)等，这类方法结果比较直观，但方法复杂，对试验人员要求较高；另一类是间接指标，包括界限含水量、黏粒含量、自由膨胀率等，这类指标虽然不那么直观，但试验操作比较简单易行，对操作人员要求不高，具有一定的准确性[6-9]。

自由膨胀率作为常用的判别指标，具有试验设备少、操作简单易行、试验周期短等特点。很多研究表明，影响自由膨胀率的因素很多，如试验仪器、土样制备条件、搅拌方法等，其中样品粒径级别对自由膨胀率测试结果影响较大[10-12]。

研究内容主要分为两部分：一是研究人为因素对样品粒径级配及自由膨胀率测试结果的影响；二是通过制备含有不同粒径级配比例的样品，研究粒径级配对自由膨胀率的影响规律，从而找出最优试验粒径范围。

2材料与方法

2.1　试验样品

试验样品均取自于哈尔滨至佳木斯铁路沿线，通过液塑限联合测定法将样品细分为粉质黏土和黏土。

2.2　主要试验设备及试剂

膨胀率仪(无颈漏斗口径5 mm，下落高度10 mm)、量筒、氯化钠溶液(5%)等，实验所用水为超纯水，试剂均为分析纯(A.R)。

2.3　试验方法

自由膨胀率测试步骤及方法均按照铁路工程土工试验规程(TB 10102—2010)进行。试验主要分为两大部分：一是分析不同人员制备样品的粒径级别及自由膨胀率，研究人为因素对样品级配及自由膨胀率的影响；二是人工配制不同颗粒级别的试验样品，研究粒径级别对自由膨胀率的影响规律。

(1)常规样品的制备

将风干试样用四分对角线法取相同的三份，每份100 g，试验员甲、乙、丙、丁四人分别制备。制备步骤为：将样品在橡皮板上碾碎，剔除石子、结核，反复过0.5 mm筛，并在105～110 ℃温度下烘干8 h，取出移入干燥器内冷却至室温，分别测定不同人员制备样品的粒径级配及自由膨胀率。

(2)不同粒径含量样品的制备

将风干试样用四分对角线法取500 g，将样品在橡皮板上碾碎，剔除石子、结核，反复过0.5 mm筛，并在105～110 ℃温度下烘干8 h，取出移入干燥器内冷却至室温备用。

将样品分为两份，取其中一份过0.075 mm标准分析筛。将样品分为两部分：筛上部分A，粒径大于0.075 mm同时小于0.5 mm(0.5 mm>d>0.075 mm)；筛下部分B，粒径小于0.075 mm(d<0.075 mm)。将这两部分样品按质量比配制不同粒径含量的新样品，两部分的比例分别为A∶B=100∶0，80∶20，60∶40，40∶60，20∶80,0∶100，最后分别测定不同样品的自由膨胀率。

3试验结果与讨论

3.1　人工因素对样品粒径级配及自由膨胀率的影响

在自由膨胀率样品制备过程中，不同试验人员由于操作方法、力度大小、备样工具等试验因素存在差异，从而造样品的级配随制样者的不同而不同，甚至同一试验者不同时间制备的样品，级配也存在差异。

分别选取了2种粉质黏土及2种黏土，四位试验者同时制样，将制得的样品进行自由膨胀率测试，然后过0.075 mm的标准分析筛，分别计算粒径级别为0.5 mm>d1>0.075 mm及d2<0.075 mm颗粒所占的质量分数，试验结果如表1。

表1　不同试验人员制备同一黏土样品对比结果

从表1中可以看出，不同试验者制备的黏土样品粒径级配和自由膨胀率均有较大差异。级配结果表明，不同试验人员制备的1号样品d<0.075 mm颗粒质量分数相差最大达到8.2%；2号样品的最大差值达到了7.3%。自由膨胀率结果表明，甲制备的1号样品与乙制备的1号样品自由膨胀率差别最大，达到了14%，超出了铁路规范要求的平行差值小于<5%；更进一步分析发现，甲制备的2号样品与丙制备的1号样品自由膨胀率差别达到了10%，不仅超出了铁路规范要求的平行差值小于<5%，并且有膨胀性级别的不同，甲的样品为无膨胀，而丙的样品为弱膨胀(如表2)。

从表2中同样可以看出，不同试验者制备的黏土样品粒径级配和自由膨胀率同样有较大差异。级配结果表明，不同人制备的1号样品d<0.075 mm颗粒质量分数相差最大达到13.4%；2号样品的最大差值也达到了9.8%。自由膨胀率结果表明，甲制备的1号样品与丁制备的1号样品自由膨胀率差别最大，达到了8%，超出了铁路规范要求的平行差值小于<5%。

3.2　不同粒径级配比例对样品自由膨胀率的影响规律

很多研究表明，粒径级别对自由膨胀率的影响较大，大部分研究将样品过筛分为3个粒径级别组分：0.25～0.5 mm，0.074～0.25 mm(0.1～0.25 mm)和<0.074 mm(<0.1 mm)，并且结果表明粒径级别为0.25～0.5 mm，0.074～0.25 mm(0.1～0.25 mm)的样品自由膨胀率结果类似，而粒径级别为<0.074 mm(0.1 mm)的样品自由膨胀率很小。因此，本文分别选取3种粉质黏土和3种黏土，将样品过0.075 mm的标准筛，得到两部分粒径颗粒，分别为0.075 mm>d1>0.5 mm和d2<0.075 mm。通过设定两部分的比例(d1∶d2=100∶0，80∶20，50∶50，20∶80，0∶100)，人工配置新样品进行自由膨胀率测试，研究不同粒径级别对自由膨胀率的影响规律，进而找出最优的试验粒径范围，试验结果如图1所示。

图1中横坐标代表d<0.075 mm颗粒所占样品的质量分数，纵坐标代表自由膨胀率。从图中可以看出，黏土样品d<0.075 mm颗粒的比例较小时，自由膨胀率变化不明显；当d<0.075 mm颗粒比例增大时，自由膨胀率变小趋势越来越明显，当比例大到一定程度时出现了膨胀级别的不同(如图2)。

图2　粉质黏土自由膨胀率随颗粒级别变化规律

从图2中同样可以看出，粉质黏土样品结果与黏土样品类似，d<0.075 mm颗粒的比例较小时，自由膨胀率变化不明显；随着d<0.075 mm颗粒比例增大，自由膨胀率变小趋势越来越明显。

4最优粒径级别的探讨

试验者不同，制备的样品级配不同，进而影响到样品的自由膨胀率。因为每个人的自身条件和试验条件不同，所以这种因素是不可控的，只能通过控制其他因素来减少误差。

不同粒径级别对粉质黏土和黏土的影响规律类似，即当d<0.075 mm颗粒的比例较小时，自由膨胀率比较稳定，变化不大；而当d<0.075 mm颗粒的比例增大到一定程度时，自由膨胀率开始迅速下降，甚至影响到膨胀级别的判断。因此可以得出，d<0.075 mm的颗粒所占的比例直接影响到自由膨胀率的测试结果。

综合以上分析可以得出，d<0.075 mm的颗粒所占的比例是导致自由膨胀率测试结果不稳定的主要因素，因此自由膨胀率试验粒径范围可以选取0.075 mm>d>0.5 mm，这样既保证了自由膨胀率测试结果的稳定性，又避免了因不同试验者造成的粒径差别对自由膨胀率的影响。

参考文献

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[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，1997

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[4]邱良军，李慧芝.岩石自由膨胀率试验分析[J].铁道勘察，2014(3)：74-75

[5]左卫财.锡二线膨胀性泥岩的工程性及处理[J].铁道勘察，2014(3)：38-41

[6]杨洋.膨胀土判别和膨胀潜势分类研究[D].武汉：中科院武汉岩土力学研究所，2005

[7]陈善雄，余颂，孔令伟，等.膨胀土的判别与分类方法探讨[J].岩土力学，2005(2)

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[9]中华人民共和国行业标准编写组.铁路工程土工试验规程[S].北京：中国铁道出版社，2011

[10]毕文华.浅谈自由膨胀率试验中应注意的问题[J].企业技术开发，2010，29(11)：75-76

[11]陈善雄，余颂，柳治国，等.土样制备对自由膨胀率的影响及其改进方法[J].岩土力学，2006，27(8)：1327-1330

[12]郭爱国，孔令伟，陈建斌.自由膨胀率试验的影响因素[J].岩土力学，2006，27(11)：1949-1953

中图分类号：TU411.91

文献标识码：A

文章编号：1672-7479(2015)03-0040-03

作者简介：第一朱德余(1986—)，男，2013年毕业于天津大学化学专

收稿日期：2015-01-26

业，助理工程师。