蒙西地区膨胀土工程特性研究

杨江峰，李 兴，李 颢

(1.内蒙古电力勘测设计院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010091；2.鄂尔多斯市建设工程设计审查站，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

0 引言

膨胀土指土中粘土矿物成分主要由亲水矿物组成，同时具有吸水显著膨胀软化和失水收缩干裂两种特性，且具有湿胀干缩反复变形的高塑性粘土[1]。膨胀土原始状态下坚硬，但在气候和水的影响下，其强度会随着含水量的变化大幅波动。膨胀土场地的建(构)筑物、电力设施等浅层轻型结构，常因膨胀土问题引起不均匀沉降、开裂及滑坡等工程灾害，这种破坏作用具有多次反复性和长期潜伏性，工程界称之为“隐藏的灾害”[1-2]。

蒙西地区地貌类型复杂，岩土种类丰富，工程建设中相继遇到许多膨胀土问题。因此对蒙西地区膨胀土进行调查分析，并对其工程特性进行研究，具有重要的理论和实践指导意义。

1 蒙西地区膨胀土的成因、物质组成及结构特征

1.1 蒙西地区膨胀土的成因

我国典型地区膨胀土的成因多以冲积、湖积和混合成因为主。根据地质环境条件和成因的不同，蒙西地区膨胀土大致可分为高平原及缓丘陵地带膨胀土、火山熔岩台地膨胀土，多以残积风化成因为主。

1.2 蒙西地区膨胀土的物质组成

膨胀土的胀缩特性是由其矿物组成和化学成分以及结构特征所控制的。

1)矿物成分

膨胀土的矿物成分由粘土矿物和碎屑矿物组成，碎屑矿物中大部分为石英、云母和斜长石，其次为石膏和方解石等其他矿物。粘土矿物构成膨胀土的细粒部分，主要有蒙脱石和伊利石，其次为高岭石和绿泥石等，对膨胀土的工程性质起决定性作用[3]。蒙西地区膨胀土粘土矿物成分主要是蒙脱石，含有一定量的高岭石或伊利石等矿物组分的混合体。土中蒙脱石有效成分含量超过7%时，对土的工程性质就会产生影响；有效含量超过20%～30%时，土的胀缩性和强度特性基本上由蒙脱石决定。如图1所示为蒙西某地区膨胀土基于X射线衍射仪获得的2θ——相对衍射强度的衍射图谱，图中θ为衍射角度。

图1 蒙西某地区膨胀土X射线衍射图谱

对照标准衍射数据，由图1可知蒙西地区膨胀土的主要矿物成分为蒙脱石、高岭石、伊利石、石英和钠长石等，其中蒙脱石、高岭石、伊利石这类典型的粘土矿物具有与水较强的结合能力，吸水膨胀软化，失水收缩变硬，因此该类矿物决定了膨胀土的主要胀缩特性；石英、钠长石等碎屑矿物对膨胀土的胀缩特性影响不大。经X射线衍射(XRD)定量分析，可知该区域膨胀土中粘土矿物蒙脱石含量约为12%～20%、伊利石约为9%～12%，其他矿物成分主要为石英。根据膨胀土矿物鉴别分类法可判定该区域膨胀土为弱、中等膨胀土。

2)粒度成分

粒度成分是反映膨胀土性质的另一个重要指标。与其矿物成分相对应，组成膨胀土的粒度成分以细颗粒为主。研究表明，蒙西地区膨胀土中小于0.005 mm的粘粒含量最低的均在30%以上，平均含量一般超过50%；0.05～0.005 mm的粉粒含量一般居于25%～50%之间；大于0.05 mm的沙粒含量相对很少，由此可知蒙西地区膨胀土主要为粘土或粉质粘土。

1.3 蒙西地区膨胀土的结构特征

膨胀土的微结构是指在一定的地质环境和条件下土壤颗粒的排列方式，微孔隙与微裂隙的大小、形状、数量、空间分布和充填情况，以及接触与连接方式等。研究膨胀土的微结构有助于深入理解和认识膨胀土的力学性能以及膨胀和收缩的理论。膨胀土中片状粘土矿物彼此叠聚在一起构成膨胀土中活动性的基本结构单元，这些叠聚体彼此聚集在一起形成粘土基质，少量悬浮在粘土基质中的碎屑矿物成棱角状或次棱角状。

蒙西地区膨胀土中的粘土矿物颗粒大多彼此以面—面的方式叠聚在一起，如图2所示。

图2 膨胀土微结构特征

由图2可知，在放大倍数分别为1 000倍和2 000倍的扫描电镜下观察原状膨胀土微结构，其叠聚体间紧密接触，叠聚体之间存在较大的团聚体，片状粘土颗粒的边缘形状非常不规则、呈细长状，颗粒间联结比较强，整体是连续的，没有明显的定向排列特征，粘粒呈集聚状，同相型和过渡型接触是结构联结的主要类型；各种尺寸、形状和较发育的微孔隙和微裂隙于聚集体内或聚集体之间分布。这种结构使膨胀土的强度变低，并且对干湿循环更加敏感。

2 蒙西地区膨胀土工程特性

2.1 分布特征

蒙西地区膨胀土一般分布在表层1.0～5.0 m 范围内，个别地区表层分布30～50 cm 厚的黄褐色粘土，中间是膨胀土，下层为粉性土或砂性土。从外观看，膨胀土呈红褐色、灰黑色、灰色或黄褐色。天然状态下，呈有棱角的块状或片状，其颗粒大小一般在2.0～5.0 cm 之间。天然干燥状态下呈暗灰色、红褐色，土块坚硬。天然潮湿状态下呈发亮的棕红色、灰黑色或黄色。特别潮湿状态下经搅动后可以结成巨大团块或粗长粘条，干燥的膨胀土团块，遇水浸湿后，既使在一定的荷载作用下，土的体积仍能膨胀，并崩解成颗粒在 1.0 cm 以下的小碎块或小薄片。

根据地质环境条件和成因的不同，蒙西地区膨胀土大致可分为高平原及缓丘陵地带膨胀土、火山熔岩台地膨胀土，其主要特征见表1所列。

表1 蒙西地区膨胀土分布特征

高平原及缓丘陵地带膨胀土：该区域地处大青山北内蒙古高原地带，地形基本由南至北逐渐低缓，膨胀土广泛分布于在坦荡的高平原和丘陵一带。其中苏尼特右旗中部朱日和镇以北至赛乌素地势较平坦，该地带表层大部分以第三纪和中生代的红色砂岩、泥岩和砂砾岩为基底，上面覆有不厚的第四纪残积物和风积物。

火山熔岩台地膨胀土：该区域膨胀土主要分布在火山熔岩台地，该区域是第四纪玄武岩最主要的分布区之一，中新世至中更新世玄武岩熔岩流大面积覆盖并形成了许多大面积的玄武岩台地。台面平坦开阔，坡角10°左右，台面上有大小不等的火山锥、剥蚀丘、剥蚀柱。该区域膨胀土多为第三纪灰红色—灰绿色玄武岩残积粘土，土体裂隙发育，局部地区含有铁锰质结核。

2.2 物理力学性质

目前，蒙西地区对膨胀土的研究较少。不同地区、不同类型膨胀土的物理及工程特性指标存在着较大差异，现将所搜集到的蒙西地区具有代表性的膨胀土基本指标汇总见表2所列。

表2 蒙西不同地区膨胀土部分物理力学指标

从表2可以发现，高平原及缓丘陵地带膨胀土天然含水量范围为17.7%～29.5%，平均值为22.6%；天然重度范围为18.8～20.5 kN/m3，平均值为19.5 kN/m3；液限范围为30.8%～59.6%，平均值为42.5%；塑限范围为18.2%～34.3%，平均值为24.9%；塑性指数范围为11.3～26.0，平均值为17.3，以硬塑和坚硬状态的粘性土为主。

而熔岩台地一带，膨胀土天然含水量范围为14.3%～37.8%，平均值为23.0%；天然重度范围为17.2～21.5 kN/m3，平均值为19.1 kN/m3；液限范围为45.2%～98.0%，平均值为66.5%；塑限范围为15.3%～91.0%，平均值为35.7%；塑性指数范围为17.4～57.5，平均值为30.8，多以坚硬状态的粘性土为主。

从两者的常规物理指标来看，丘陵与台地的含水量及重度差别不大，但液限、塑限及塑性指数差别较大，其中熔岩台地的膨胀土液限、塑限及塑性指数平均值较丘陵区的高出约56.5%、43.3%和78.0%。这说明两类膨胀土性质有很大不同。

2.3 胀缩性质

以自由膨胀率、膨胀力作为主要的胀缩指标，按膨胀土分布范围对各地区土的胀缩特性进行研究归纳，其主要胀缩特性指标汇总见表3所列。

表3 蒙西不同地区膨胀土部分胀缩特性指标

根据表3，按GB 50112—2013《膨胀土地区建筑技术规范》[4]的评判标准及评判指标，高平原及缓丘陵一带膨胀土，其自由膨胀率范围在40%～82%之间，平均值为53%，成份主要由泥岩风化形成的粘性土组成，膨胀特性总体上属弱—中等膨胀，以弱膨胀为主；火山熔岩台地一带膨胀土，其自由膨胀率范围在57%～290%，平均值为89%，成份主要由玄武岩风化形成，膨胀特性总体上属中等—强膨胀性，以中等膨胀为主。

从表2液限指标来看，熔岩台地膨胀土胀缩指标明显大于高平原及缓丘陵一带，从液限指标来看，丘陵一带的膨胀土液限平均为42.5%，稍大于40%，属中液限粘土；熔岩台地膨胀土其液限平均值为66.5%，最高值甚至可达98%，为高液限粘土，具很强的亲水性。同时丘陵地区膨胀土的塑性指数平均值为17.3，而熔岩台地的平均值高达30.8，这与高膨胀势的测定结果相一致，说明熔岩台地膨胀土具有很高的物理化学活性。

2.4 相关参数分析

GB 50112—2013《膨胀土地区建筑技术规范》[4]中将自由膨胀率作为判断膨胀土膨胀潜势的评判指标，因此，为方便在本地区对简单工程膨胀潜势及膨胀力的初步判别，将膨胀土的自由膨胀率、膨胀力与部分常规物理指标进行了归纳总结，以了解指标间是否存在一定的关联。

1)自由膨胀率与常规物理指标的相关性

选取天然含水率、天然重度、液限、塑限、塑性指数与自由膨胀率及膨胀力进行了相关性分析，分析结果见表4所列。

表4 自由膨胀率与常规物理指标相关性分析成果表

从表4可以看出，自由膨胀率与液限、塑性指数指标相关程度均显著，其相关系数达0.5以上。同时自由膨胀率与塑限相关程度也较显著，但以上两类地区，自由膨胀率与含水量、重度、塑限的相关程度均不明显。

因此，选用液限与塑性指数进行分析。对指标之间进行回归分析，蒙西两类地区自由膨胀率与液限、塑性指数的相关拟合关系如图3～图4所示。

图3 δef与WL拟合关系

图4 δef与Ip拟合关系

2)膨胀力与常规物理指标的相关性

拟合结果表明，蒙西地区两类膨胀土的膨胀力与常规物理指标相关程度均不明显，见表5所列。

表5 膨胀力与常规物理指标相关性分析成果表

3 结论

通过收集蒙西地区已有的大量电力工程勘探成果、现场踏勘及取样分析，发现蒙西地区存在较多的膨胀土。同时通过室内实验，分析了蒙西地区膨胀土的矿物成分和微结构特征。

1)蒙西地区境内的膨胀土分布比较集中，大体沿川井—白云鄂博—达茂合旗—锡林浩特一带分布，乌兰察布零星分布。按地质环境条件和成因的不同，蒙西地区的膨胀土大致可分为高平原及缓丘陵带泥岩类风化膨胀土、火山熔岩台地玄武岩类风化膨胀土。其矿物成分不同，表现出的胀缩特性也不同。其中泥岩类风化膨胀土膨胀特性属弱—中等膨胀，以弱膨胀为主，玄武岩类风化膨胀土胀缩特性属中—强膨胀性，以中膨胀为主。

2)通过自由膨胀率、膨胀力与常规物理指标相关分析比较后发现，蒙西地区膨胀土自由膨胀率指标与液限、塑性指数相关程度显著。