泗水县城区膨胀土判定及工程地质特性研究

刘节升，朱 宁，张世中，刘光华，杜显彪

(山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地质矿产勘查开发局第二地质大队)，山东 兖州 272100)

泗水县膨胀土分布广泛，不同地区膨胀土工程地质特性存在差异。通过对泗水县膨胀土分布情况及膨胀土物理力学各项指标研究与分析，探讨膨胀土形成原因及其物理力学性质，总结该区粘土膨胀性特性，提出治理方法与建议，为泗水县工程建筑提供参考依据。

1 区域地貌及气候

1.1 地形地貌

济宁市泗水县地处鲁中南山区西南边缘，低山丘陵和山间平原两大地貌类型，北部和南部为低山丘陵，海拔200m～500m，相对高差200m～300m；中部泗河两侧为山前冲洪积平原，海拔100m～130m，地势总的南北高中间低，由东向西倾斜。按其地貌成因类型可划分为构造剥蚀地形、堆积地形两大类。剥蚀地形又可划分浅切割低山丘陵区、浅切割丘陵区、岩溶低山区三个亚类，堆积地形区主要由河漫滩及河谷冲积区组成。

(1)构造剥蚀地形(Ⅱ)：①浅切割低山丘陵区(Ⅱ1)主要分布在泗水县西北及南部，涉及柘沟镇、中册镇和泗张镇等区域。标高200m～500m，切割深度100m～400m。山坡坡度15°～20°。多由花岗片麻岩组成，山顶浑圆呈馒头状。山脉走向与构造线方向一致，呈西北至东南向，区内沟谷呈放射状或树枝状，横断面呈“U”字型，沟谷堆积层较薄，并有基岩出露；②浅切割丘陵区(Ⅱ2)广泛分布于泗水县北部及中南部，涉及柘沟镇、中册镇、高峪乡、星村镇、大黄沟镇、泉林镇、泗张镇、圣水峪乡、金庄镇等乡镇。标高200m～400m，切割深度小于100m。由花岗片麻岩组成。由于长期侵蚀作用形成起伏连绵的低矮山峦，山坡坡度10°～15°。沟谷横断面多呈箱型，谷内风化层及第四系较薄；③岩溶低山区(Ⅱ3)主要分布于泗水县中南部，涉及苗馆镇、泉林镇、泗张镇、圣水峪乡、金庄镇等乡镇。标高200m～400m，切割深度小于200m。由寒武系竹叶状、鲕状灰岩、白云质灰岩及页岩组成单面山地形，顺岩层倾向坡度5°～15°，逆岩层倾向坡角大，一般20°～40°。由于强烈风化剥蚀作用和构造影响形成凹凸不平的山脊。

(2)堆积地形(Ⅳ)：主要分布于泗水县中部，沿泗河两岸呈带状分布，泗河上游分布断面窄，至下游逐渐开阔，可达1000m，地势平坦，向下游逐渐降低，坡降2°～5°。由粘土、粘质砂土、砂质粘土及粉砂、中粗砂、砂砾等组成，地形平坦，微向泗河倾斜。

图1 泗水县区域地貌图

1.2 气候

泗水县属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明、光照充足、雨量充沛、无霜期长，全年无霜期在189天～230天之间。历年平均气温13.6℃，极端最高气温40.0℃(1951年6月20日)，极端最低气温-16.5℃(1969年2月6日)。春季多东北风，秋冬两季多北、东北风，夏季多东到东南风。年平均风速2.6m/s，最大风速24m/s。多年平均蒸发量1734.37mm，最大蒸发量2231.5mm，多年平均降水量717.8mm(1971年至2021年)，年平均相对湿度68%。最大降水量1417.3mm(1960年)，最小年降水量409.9mm(2002年)，日最大降水量277.8mm(1993年8月5日)，6月至8月份降水占全年降水量的64.9%。表1。

表1 泗水县蒸发量与降雨量表(1955年至2021年)

3 膨胀性粘土成因与类型

膨胀土是土中粘粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形的粘性土。其形成不仅和气候有关，还与沉积环境有关。我国膨胀土多属残积型和坡积型。但洪积、冲积及其他成因膨胀土也有，土的物质来源与周边母岩风化物有密切联系。泗水县膨胀土地层时代为全新世(Q4)、更新世(Q3)，地貌单元为堆积地形(Ⅳ)，表现为山前冲积平原及河漫滩和河谷地貌，地形平坦，微向泗河倾斜。膨胀土分布主要以泗水县城、苗馆镇、中册镇、拓沟镇、金庄镇等地区为主。沿泗河两岸呈带状分布，泗河上游分布断面窄，至下游逐渐开阔，可达1000m，地势平坦，向下游坡降2°～5°。该地区土层主要是山前冲积物和河漫滩组成及河谷冲积区组成。新更新世及以前形成冲洪积物。土层物质成份主要为沉积岩(碳酸盐、黏土岩)、岩浆岩(花岗岩)的风化、蚀变、淋浴等作用分解成土，重力作用下经搬运、堆积形成；其次该区是泗水河源头，河水流量较小，周边地势狭小，沿河两岸为河流冲积物。这主要是由于干湿交替气候有利于膨胀土中蒙脱石类强亲水性矿物形成、富集。其形成不仅和地形地貌和沉积环境有关，还与地下水关系重大。该地区粘土颗粒细小，强度较高，透水性较差，且地下水不发育，为形成膨胀土形成的另一个原因。

4 膨胀土判别

4.1 膨胀土野外鉴别

该区地势呈东高西低之势，坡降2°～5°。无明显的自然陡坎，膨胀性黏土分布在地表附近，厚度1m～3m，以下土层多为粉质粘土、粉土或砂土膨胀性较小或非膨胀土，下伏紫色页岩。膨胀性黏土在自然条件下多呈硬塑-坚硬状，褐色、灰褐色、棕黄色、棕褐色加灰绿色条纹，含铁锰质氧化物及钙质结核，切面光滑，干强度及韧性高，无摇震反应，手捏坚硬，网状裂隙发育，手掰滑面上蜡质光泽，风干后呈碎粒状。低矮建筑物、围墙裂缝多成倒“八”字型，伴有一些水平裂缝，建筑物裂缝随季节变化张裂、闭合，见图2。

图2 膨胀土开挖后图片

4.2 膨胀土物理力学性质

土的物理状态是指土的松散、干湿、软硬状态。土的物理力学性质指标间接反映了膨胀土的特征[2、5]，本次参与统计的试样为泗水西外环项目、泗水县城西南、泗水县城北、泗水金城中学、泗水县实验中学、泗水恒兴家园小区等，土样物理力学性质分析见表2。

表2 膨胀性粘土物理力学性质指标表

工程施工中，建造含水量保持不变的粘土上构筑物不会遭受胀缩而引起破坏。当粘土含水量发生变化，立即会产生垂直和水平两个方向体积膨胀。含水量仅变化1%～2%量值，足以引起有害膨胀。在雨季来临时，膨胀土地基土中含水量增加引起地板翘起开裂屡见不鲜。一般来讲，很干的粘土对建筑物危害很大，极易造成建筑物墙体或地板开裂。这类粘土能吸收很多水，其结果是对结构物发生破坏性膨胀。反之，比较潮湿的粘土，由于大部分膨胀已经完成，进一步膨胀将不会很大。但应注意，潮湿的粘土，在水位下降或其它条件变化时，可能变干，表现出收缩性亦不可低估。天然含水率较高的粘土膨胀性较小，失水后收缩量相对较大。根据经验，膨胀土天然含水量一般在20%～30%之间。从土样分析结果，该区粘土含水量17.2%～28.9%，膨胀土为非饱和土，具有很高的吸水膨胀和失水收缩能力。

塑性指数的大小与土中结合水含量有关，即与土的颗粒组成、土粒的矿物成份及土中水离子成分和浓度等因素有关。土粒越细且粘粒含量越高，持水性越好，脱水速度越慢。一般情况下，粘粒含量越高，在相同饱和度下吸力越大，从土的颗粒来说，膨胀土塑性指数正常值在17%～35%，本区膨胀性粘土塑性指数17.8%～27.7%，具膨胀土特性。液性指数是反应土的软硬状态指标，本区粘土液性指数大致介于0.25～<0，呈硬塑-坚硬状态。

4.3 膨胀土矿物成分

测试粘土矿物成份的方法有射线法、电热分析法、电子显微镜辨别法等。射线衍射分析是研究矿物结晶构造鉴定矿物的主要手段，是以射线入矿物晶格产生的衍射为基础定性或半定量地判断土的矿物组成。本次采用该测试方法，经过试样统计，其结果见表3。

表3 膨胀土矿物成份分析表(单位﹪)

通过对粘土样品矿物成份分析，本区膨胀土矿物成份包括粘土矿物和碎屑矿物，主要成份为伊利石、蒙脱石、高岭石、长石、水云母等。碎屑矿物主要成分为水云母和长石等矿物，碎屑矿物是粗粒部分主要组成物质，对其胀缩性质影响不大，而影响膨胀土工程性质主要是细粒部分的粘土矿物，特别是蒙脱石矿物。蒙脱石是一种活性最强的次生粘土矿物，它是在碱性介质环境的湿热条件下形成的，它的矿物颗粒晶层之间是一种平行板状结构，有两层硅氧四面体和一片铝氧八面体叠加而成，晶层之间连接很弱，容易扩展，导致体积膨胀。不同的粘土矿物具有不同的吸附水分的能力，当蒙脱石在一定条件下充分吸水后，晶层距离可以增大10倍以上，因此膨胀土胀缩性主要是由蒙脱石含量控制的，伊利石与高岭土的亲水性只有蒙脱石的1/10和1/60左右。

4.4 自由膨胀率

自由膨胀率是人工制备的烘干松散土样在水中膨胀稳定后，其体积增加值与原体积之比的百分率，即自由膨胀率是单位体积土样在水中膨胀稳定后体积的变化量。与土的矿物成分有关，一般来说，土中含蒙脱石含量高的膨胀土，自由膨胀率高。含伊利石高并含少量蒙脱石的粘土自由膨胀率相对较低。自由膨胀率低于40﹪时，一般视为非膨胀土。该区粘土自由膨胀率均大于40%。见表4。膨胀土粘粒含量较高，天然含水量与塑限接近，塑性指数一般大于20，液性指数小于0.25，自由膨胀率大于40%，综合判定该区为膨胀性粘土。

表4 场区膨胀土的工程特性指标

5 场区膨胀土工程地质特性分析

5.1 膨胀土大气影响深度

根据膨胀土地区建筑技术规范及工程地质手册土工的蒸发力与降雨量资料[1、3]，结合当地建筑经验，泗水地区膨胀土湿度系数和大气影响急剧深度见表5。

5.2 膨胀土工程地质特性指标

膨胀土工程特性指标包括自由膨胀率、膨胀率、收缩系数、膨胀力。自由膨胀率是单位体积土样在水中膨胀稳定后体积的变化量，与土的矿物成分有关。一般来说，土中含蒙脱石含量高的膨胀土，自由膨胀率高。而含伊利石高并含少量蒙脱石的粘土自由膨胀率相对较低，低于40%时，一般视为非膨胀土。膨胀率是反应土在某压力下单位厚度土体的膨胀变形，用来评价地基的胀缩等级，计算膨胀土变形量和膨胀力。它与土的含水量有密切关系，含水量越低，其膨胀率越高。收缩系数是不扰动土在直线收缩阶段，含水率减小1%时竖向线索率，计算地基分级变形量划分地基胀缩等级用50kPa下的膨胀率，用来评价膨胀土胀缩等级，计算地基变形量。膨胀力是原状土样在体积不变的情况下，由于浸水膨胀的最大压力。

对该区初判膨胀土进行土工试验，自由膨胀率均大于40%。该区膨胀土各特性指标见表4。依据《膨胀土地区建筑技术规范》[1](GB2012-2013)附录A判定膨胀土的膨胀潜势，该区膨胀土的膨胀潜势为弱，判别依据见表6。

表6 膨胀土的自由膨胀率与蒙脱石含量、阳离子交换量的关系

表7 胀缩变形量计算表

5.3 胀缩变形量

地基土分级变形量包括收缩变形量、膨胀变形量、胀缩变形量。以泗水县实验中学膨胀土为例。依据《膨胀土地区建筑技术规范》(GB50112-2013)第5.2节公式计算胀缩变形量[1]：

式中：ψe-计算膨胀变形量的经验系数，采用0.6；ψs-计算收缩变形量的经验系数，采用0.8；ψ-计算胀缩变形量的经验系数，取0.7；ψw-土的湿度系数，采用0.64；da-大气影响深度，取4.6m；大气影响深度(m)

膨胀土的变化除土的膨胀与收缩特性两个内在的因素外，压力与含水量水变化则是两个非常重要的外在因素。准确地了解膨胀土特性及变化条件，就能够预估建造在这个地基上的建筑物产生的变形，从而采取相应的地基处理措施。图7。

6 结论

(1)泗水县膨胀性粘土由于粘土层物质成份主要沉积岩(碳酸盐、黏土岩)、岩浆岩(花岗岩)的风化、蚀变、淋浴等作用分解成土，重力作用下形成堆积物，沿泗河两岸河流冲积形成堆积物，泗水县城区普遍分布膨胀性粘土，多分布在地表，厚度约1m～4m。

(2)通过对膨胀土成份分析及物理力学性质特征分析对比，间接说明该区粘性土具有膨胀土典型特征，蒙脱石含量11%～20%且自由膨胀率大于40%。确定为膨胀土。

(3)在膨胀特性上具有弱膨胀潜势，膨胀等级为Ⅰ级，膨胀力一般小于100kPa。该区膨胀土地基一般是通过控制基础埋深来处理地基，对于上部荷载较小的建筑基础埋深，基础要超过大气影响急剧层深度2.07m，对于基础条件要求较高的地基宜采用超过大气影响急剧层深度或采用换填垫层法处理。特别是在深基坑开挖过程中需做好防护，避免出现塌方、滑坡等。另外基槽且不可长期存放、晾晒等，扰动的膨胀土不能直接作为回填地基填土。