牡佳铁路沿线土体膨胀性试验研究

陈 喆，柴金飞

(1.中国铁路设计集团有限公司，天津 300251；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081)

膨胀土是一种以蒙脱石、伊利石、高岭石等矿物成分为主的高塑性黏性土[1]。蒙脱石的比表面积大，亲水性强，使得膨胀土具有吸水膨胀和失水收缩的特性，导致其性质极不稳定，危害工程建设，经济损失巨大[2-5]。因此，如何快速准确地预测岩土的膨胀性对工程设计、工程造价及工程施工有着重要影响。

不同国家不同行业对膨胀土的判别指标也不同。我国GB 50112—2013《膨胀土地区建筑技术规范》仅使用自由膨胀率作为判别指标，JTG D30—2004《公路路基设计规范》使用自由膨胀率、标准吸湿含水量和塑性指数作为判别标准，TB 10042—1995《铁路工程地质膨胀土勘测规则》使用自由膨胀率、蒙脱石含量与阳离子交换量作为详判标准[6]。实际试验结果表明，选用不同的指标，判别结果常存在不一致的问题。因此，本文以在建牡佳铁路为研究对象，从不同土质的自由膨胀率、蒙脱石含量和阳离子交换量指标间的相关性，以及自由膨胀率和土体物理指标间的相关性2方面，对牡佳铁路沿线土质的膨胀性进行统计和分析，研究其膨胀指标的匹配性。

1 牡佳铁路沿线不同土质的膨胀性统计分析

试验所用膨胀土均取自牡佳铁路沿线，随机抽取300组土样进行试验。采用自由膨胀率、蒙脱石含量和阳离子交换量作为膨胀性等级划分的指标[7-8]。膨胀土分级标准采用铁路标准[9-10]，见表1。

表1 膨胀土的分级标准

根据地质人员对岩土的描述定名，将上述300组土样分成粉质黏土、粉土、泥岩、砂岩、砾土5组，对不同膨胀判别指标分别进行统计汇总，结果见图1。

图1 5组土样的不同膨胀判别指标统计

按照表1的分级标准，统计5组土样中各级膨胀土的数量，见图2。

图2 不同判别指标下各级膨胀土占比

由图1、图2可知：5组土样自由膨胀率的均值升序排列为粉土、砾土、砂岩、粉质黏土、泥岩；蒙脱石含量的均值升序排列为砂岩、砾土、粉土、粉质黏土、泥岩；阳离子交换量的均值升序排列为砂岩、粉土、砾土、粉质黏土、泥岩。可见泥岩和粉质黏土的膨胀性较大，砂岩、砾土、粉土的膨胀性较小。按照自由膨胀率划分，泥岩主要分布在非-弱膨胀区，按照蒙脱石含量划分，泥岩主要分布在弱-中-强膨胀区，按照阳离子交换量划分，泥岩主要分布在非-弱-中膨胀区；对于粉质黏土来说，按照自由膨胀率划分，主要是非-弱膨胀区，按照蒙脱石含量划分，主要分布在中-强膨胀区，按照阳离子交换量划分，主要分布在非-弱-中膨胀区。

2 牡佳铁路沿线膨胀土自由膨胀率、蒙脱石含量与阳离子交换量三者间的相关性

对于相邻地区，由于环境、地壳运动等因素相同，其土质矿物含量应遵循一定规律，土样膨胀性也应存在一定规律[8]。根据表1的分级标准对上述300组土样进行分类，对牡佳铁路沿线土质自由膨胀率、蒙脱石含量和阳离子交换量两两之间的关系进行统计分析。

2.1 样品统计特征

依照表1的分级标准，对上述土样的3项指标进行了汇总分析，结果如表2所示。

表2 3项膨胀指标汇总结果

由表2可知：3项指标的分布较广，最大值和最小值跨越的膨胀等级也比较广，变异系数较大，说明牡佳铁路沿线膨胀潜势随地区差异较大，所选样本具有一定的代表性。

对照表1分类标准对表2中各个指标的平均值进行分级。以自由膨胀率为判别指标，该批样品属于非膨胀土;而以蒙脱石含量作为判别指标，该批样品属于中膨胀土;以阳离子交换量作为判别指标，又属于弱膨胀土。由此可以看出3项指标间存在一定的差异。

2.2 自由膨胀率、蒙脱石含量和阳离子交换量两两之间相关性分析

为了研究自由膨胀率、蒙脱石含量和阳离子交换量两两之间的相关性，依次分别对2指标进行线性回归分析，得到指标间的线性关系见图3。

图3 自由膨胀率、蒙脱石含量和阳离子交换量两两相关性

由图3可知：3项指标间均成线性关系，尤其是蒙脱石含量和阳离子交换量之间线性拟合系数达到 0.794。说明三者之间有较好的相关性，作为膨胀性的判别与分类指标具有一定的合理性。

对照表1的分类标准对所取300组土样进行了判别分类，分类结果见表3。仅有21组土样的3项判别指标能达到一致，而大多数土样的判别结果出现较大的差异。其中，自由膨胀率与另外两项指标相差较大。以自由膨胀率作为判别指标，土样大多是非膨胀土；而以蒙脱石含量和阳离子交换量进行判别，所取土样分别以弱～中膨胀土、非～弱膨胀土为主,分别占总土样个数的66.3%和78.0%，此外，还出现了强膨胀土。显然，以自由膨胀率为判别指标比以蒙脱石含量、阳离子交换量为判别指标得出的土体膨胀性低。

表3 各级膨胀土分类结果 组

3 自由膨胀率与常规物理性质指标之间的相关性分析

3.1 试验内容

土样的膨胀性大小除了与矿物成分含量有关，在一定程度上也会受到土体微结构的影响，单纯测定蒙脱石含量和阳离子交换量无法准确判断土的膨胀潜势强弱[11-12]。选取300组土样中的40组膨胀土样进行自由膨胀率试验和常规5项物理试验，对牡佳铁路沿线自由膨胀率与常规5项物理指标之间的关系进行分析。

3.2 试验结果与讨论

牡佳铁路沿线自由膨胀率与常规物理指标之间相关性统计结果，见表4。

表4 自由膨胀率与常规物理指标相关性统计

由表4可知：自由膨胀率与常规物理指标中的液限和塑性指数有较好的相关性，而与其他物理性质指标的相关性较差。

从物理意义上讲，塑性指数在一定程度上反映控制形成胀缩性能的浓差渗透吸附结合水的发育程度，即土粒与水的相互作用的程度,所以，塑性指数本身是一种反映膨胀土本质特征的指标[13]。

采用文献[14-16]提出的分类标准对牡佳铁路沿线膨胀潜势进行划分。具体分级标准见表5。

对照表5的分类标准对所取土样进行了判别分类，分类结果见表6。

表5 膨胀土的分级标准

表6 各级膨胀土分类结果 组

由表6可知：分别以液限、塑性指数和自由膨胀率作为分类指标，所取土样均以非膨胀土为主，分别占总土样的 82.5%,62.5%，85%;弱膨胀土样分别占17.5%，37.5%，15%;无中、强膨胀土样。这说明液限、塑性指数和自由膨胀率3指标对牡佳地区膨胀土判别结果具有较好的一致性，可以作为联合指标对牡佳铁路沿线的土质进行膨胀性判别。

4 牡佳铁路沿线膨胀潜势分级探讨

结合基本力学特征和地质人员的土样描述资料，牡佳铁路沿线的膨胀土主要是弱膨胀土和中膨胀土。因此，该地区更适合以蒙脱石含量和阳离子交换量作为膨胀土的判别指标。而综合上文分析可知，以液限、塑性指数和自由膨胀率作为判别指标比以蒙脱石含量和阳离子交换量作为判别指标得出的土体膨胀性低。这说明规范所提出的液限、塑性指数和自由膨胀率的分界标准不能完全适用于牡佳铁路沿线的膨胀土划分。应根据该地区膨胀土的特点，适当降低液限、塑性指数和自由膨胀率的分级界限值，以达到与蒙脱石含量、阳离子交换量得出的差别结果相一致的目的。

5 结论与建议

1)对牡佳铁路沿线不同土质膨胀性进行对比，得知泥岩和粉质黏土的膨胀性较大，砂岩、砾土和粉土的膨胀性较小。

2)通过对牡佳铁路沿线膨胀土试验结果进行统计分析，发现仅有少量土样的自由膨胀率、蒙脱石含量和阳离子交换量3项判别指标能达到一致，而大多数土样的判别结果出现较大的差异。

3)常规物理指标中的液限、塑性指数与铁路标准中膨胀土的3项判别指标具有较好的相关性，可以作为联合指标对牡佳铁路沿线的土质进行膨胀性判别。

4)液限、塑性指数和自由膨胀率三者划分膨胀性结果具有较好的一致性，而比按照蒙脱石含量和阳离子交换量划分得出的土体膨胀性低。

建议在该地区的实际工程应用中应适当降低液限、塑性指数和自由膨胀率的界限值，使这3项指标与蒙脱石含量、阳离子交换量得以相互匹配。