简析苏丹部分地区膨胀土物理力学性质

刘 进, 王庆江

(华北有色工程勘察院有限公司,河北 石家庄 050021)

简析苏丹部分地区膨胀土物理力学性质

刘 进, 王庆江

(华北有色工程勘察院有限公司,河北 石家庄 050021)

苏丹境内膨胀土分布广泛,为进一步了解苏丹膨胀土的物理力学性质,通过一系列的室内试验数据,总结苏丹膨胀土的物理力学性质指标,分析苏丹膨胀土的膨胀性随含水率的变化规律,并与国内膨胀土进行比较,阐述存在的差异。

膨胀土;含水率;塑性图;膨胀因素

苏丹境内膨胀土分布广泛,膨胀的破坏对工程造成很多不利影响,给建设方和施工方造成很大经济损失。解决和避免膨胀土的膨胀破坏问题,应首先了解和掌握该地区膨胀土的物理力学性质,从而在设计和施工方面采取有效措施。本文主要针对分布于苏丹青泥罗河东岸的卡萨拉州、加的理夫州、新纳尔州这三个州的膨胀土的物理力学性质进行了室内试验和浅析。

该区域地势平坦,偶见低矮山丘;基底基岩为新生代玄武岩,地表由苏丹膨胀土(俗称黑棉土)覆盖。

1 膨胀土特性

1.1 现场表观特征

研究区域地势平坦,主要为第四纪冲积、沼泽相沉积。地表以下约10～20 m均匀分布膨胀土,有很强的吸水膨胀、失水收缩性质。上部土层呈褐黑色,下部为浅黄—黄褐色,有钙质结核,吸水后手摸有滑腻感,有光泽反应,失水后干硬度较强,呈棱块状,微裂隙较发育,裂隙面粗糙,偶见铁质渲染,纵横交错,上宽下窄,沿竖向和水平方向弯曲,裂隙面凹凸不平,旱季蒸发量大,土质失水导致地表土体开裂,雨季裂缝吸水后闭合。

1.2 成分结构分析

对该地区的膨胀土取样进行X射线衍射(XRD)分析,膨胀土主要矿物成分为蒙脱石、高岭石、伊利石,其他矿物如石英、长石、方解石等普遍存在。其中蒙脱石含量高达90.77%～95.90%不等,高岭石含量从3.81% ～5.37%不等。粒径组成中,<0.005 mm粒径为20%～44%不等,从研究区域北部到南部依次减小;<0.075 mm粒径百分含量平均值为88.5%。苏丹膨胀土在塑性图中的位置见图1。

图1 苏丹膨胀土塑性图Fig.1 Plasticity chart of expansive soil in Sudan

1.3 室内试验分析

取膨胀土样,进行室内试验有膨胀率、一样多级加荷膨胀率、膨胀力、残余强度、剪切试验、固结试验等[1](表1)。

表1 苏丹膨胀土物理力学性质

根据试验结果可以发现,旱季膨胀土含水率小于塑限,压缩性低,抗剪强度高,自由膨胀率平均值98.11%,具有强膨胀势;膨胀力60～380 kPa,平均值为160 kPa,最大干密度接近天然干密度。

1.4 膨胀土物理力学性质随含水率的变化

在室内土样试验中,随着土样含水率的变化,膨胀土内聚力C、内摩擦角Φ,压缩系数a,以及一样多级荷载下土体膨胀率发生不同程度的变化。

研究中选定的含水率变化范围大致在10%～50%内,这个范围比较接近工程实际工况条件。通过图2-图4可以看出,在固结试验中,随着含水率的增加,压缩系数a变大,且在约30%以内变化时压缩系数增幅明显(图2);对直剪(快剪)试验测出的内聚力和内摩擦角值随着含水率的增加而减小(图3、图4)。可见,土样随着含水率的变化对土的抗剪强度值有一定的影响,在设计计算中应特别注意。分析可知,在该地区进行工程建设,可采取措施控制地基土含水率的变化范围,按照最不利的数据进行设计,从而有效控制地基土力学参数的变化,最大限度地降低地基土膨胀带来的不利影响。

图2 含水率W与压缩系数a的关系Fig.2 Relation of moisture content W and compression coeffient a

图3 含水率W与直剪内聚力的关系Fig.3 Relation of moisture content W and direct shear cohesion

2 和国内膨胀土对比分析

2.1 膨胀发生条件

众所周知,膨胀土富含蒙脱石、高岭石等亲水矿物,之所以发生胀缩就是因为土体含水率增加和减少,造成水化膜加厚和减薄。这是土体胀缩的内在因素,如果土体的含水率不发生变化,则土体就不会发生胀缩。

显然,解决膨胀土问题应该从内因和外部条件两方面着手,只要避开其中一个因素,就可以解决膨胀土胀缩对工程带来的不利后果。

图4 含水率W与直剪内摩擦角的关系Fig.4 Relation of moisture content W and direct internal friction

2.2 试验数据分析

图5为国内膨胀土塑性图[2],对比图1与图5可以看出,国内膨胀土和苏丹膨胀土有所不同,前者主要集中在髙液限黏土区和低液限黏土区,而苏丹该区域的膨胀土主要集中在髙液限粉土区。由此可见,国内膨胀土的塑性指数要大于苏丹膨胀土,对工程而言,塑性指数愈大,表明土的颗粒愈细,比表面积愈大,土的黏粒或亲水矿物(如蒙脱石)含量愈高,土处在可塑状态的含水率变化范围就愈大。因此,国内膨胀土的膨胀潜势高于苏丹膨胀土。这一发现,可作为按照国内规范进行设计计算时的参考。

图5 国内膨胀土塑性图Fig.5 Plasticity chart of expansive soil in China

直剪剪切试验(图2、图3)显示,土体随着含水率的增加,强度有所降低。对比重塑土样抗剪强度和残余抗剪强度数据,土体发生膨胀破坏后,强度降低很大,但其残余强度仍接近国内一般黏性土的正常抗剪强度。即苏丹膨胀土土体发生膨胀后,仍有较高的抗剪强度。在计算土体边坡稳定性时,应考虑这个因素。

图6 苏丹膨胀土一样多级膨胀曲线

经过室内重塑后进行一样多级荷载膨胀试验(图6)。从膨胀曲线上看:随着荷载的增加,土样的膨胀率变小。当荷载超过50 kPa时,土样的有荷膨胀率<3%;当荷载超过200 kPa时,土样的有荷膨胀率<0。因此,在研究区域内,有的膨胀土可以通过施加荷载有效地消除土体的膨胀破坏作用。根据经验在工程实践中,当膨胀率<3%时,可以忽略土体的膨胀破坏,该种膨胀土可用做工程回填材料。

另一方面,可以把曲线划分两个集团,以200 kPa时膨胀率3%为分界线,>3%的为第一集团,<3%的为第二集团,结合工程所在位置和取样的不同位置,只有沙使纳、阿萨达工程地点的膨胀土样同属一个集团即第二集团,其他工程地点取的膨胀土在两个集团都有分布。可以说明,该地区的膨胀土的膨胀性质存在不均匀性,同一工程地点膨胀土的膨胀性质也存在较大差异。在设计和施工中,可以参考这种差异采取不同的处理方式,最大限度的节约工程造价。

3 结论和建议

(1) 通过室内试验研究,对苏丹膨胀土物理力学性质、含水率变化对膨胀力及土体强度的变化有了直观的认识,通过数据统计和图表可以看到膨胀土的一些物理力学性质的变化,在工程施工和理论研究中可供参考。

(2) 苏丹建筑材料匮乏,解决膨胀土土体胀缩带来的工程问题，如果从改善内因着手，会使工程成本很高;可通过改善回填土体的外部环境,即使其含水率不发生变化或控制在适合的范围内,来达到这一目的。具体的适合范围,可根据含水率变化引起的各种物理力学参数的变化确定。

(3) 苏丹膨胀土和国内膨胀土存在一定差异,在工程实践中应注意这个问题。

[1] SL237—1999,土工试验规程[S].

[2] 工程地质手册编委会.工程地质手册[M].第四版.北京:中国建筑工业出版社,2007.

(责任编辑：陈姣霞)

Analysis of Physical and Mechanical Properties of Expansive Soil in Sudan

LIU Jin, WANG Qingjiang

(NorthChinaEngineeringInvestigationInstituteCo.Ltd.,Shijiazhuang,Hebei050021)

The expansive soil was distributed widely in Sudan,in order to further understand the physical and mechanical properties of expansive soil,through a series of indoor test data,this paper summarized the physical and mechanical indexes of expansive soil in Sudan,analyzed the variation rules of Sudan expansive soil along with the change of the water content,compared with the domestic expansive soil,and described the the differences.

expansive soil; moisture content; plasticity chart; expansion factors

2015-01-29;改回日期:2015-02-12

刘进(1979-),男,工程师,岩土工程专业,从事水利工程、岩土工程施工管理工作。E-mail:37650291@qq.com

TU443

A

1671-1211(2015)03-0330-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201503020

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150422.1028.006.html 数字出版日期:2015-04-22 10:28