成都地区膨胀土物理力学性质分析探讨

周德贤

(中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川成都 610081)

在成都地区高阶地及部分山麓斜坡、坳谷，常常分布厚度不一的膨胀土，土内多发育不规则裂隙，裂隙面充填浸染状的灰白色粘土。近十年来，随着工程建设规模日益扩大，在膨胀土地区工程建设过程中，由于对膨胀土性质认识不足，出现了不少的基坑、边坡失稳等问题。本文分析探讨了成都平原Ⅲ级阶地比较典型的膨胀土的性质，以提高对膨胀土性质的认识和了解。

1 膨胀土的定义

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特性的往复胀缩变形的粘性土。它的主要矿物成分是蒙脱石、伊利石或高岭土。在实际工程中则是按照国家标准《膨胀土地区建筑技术规范(GBJ 112－87)》规定，根据场地的地形地貌，自由膨胀率大于或等于40%的土，判定为膨胀土。

2 膨胀土的物理性质

本文中所有试样均取自龙潭寺Ⅲ级阶地同一地貌单元同一场地，分为灰白色和黄色两种颜色的粘土。粘土颜色不同，反映出其矿物成分和物理、力学性质的不同。

2.1 粒度成分

根据测定成都膨胀土的粒度变化一般不大。其粒度组成，砂粒组含量一般＜10%，粉粒组45～50%，粘粒组50%左右。

2.2 矿物成分

灰白色粘土中阳离子交换量大，平均321.8 mmol/kg，蒙脱石含量高，平均22.98% ，而黄色夹少量灰白色粘土中阳离子交换量相对于灰白色粘土低33%，平均215.8 mmol/kg，其蒙脱石含量平均13.43%，比灰白色粘土低41%。

表1 膨胀土矿物成份及膨胀性

2.3 膨胀性

表1可以清楚地看到灰白色粘土中由于阳离子交换量大、蒙脱石含量高，这些亲水性强，很大比表面积的矿物的存在，因此灰白色粘土具有强的膨胀性，自由膨胀率72%～96%，具有强膨胀潜势。黄色夹少量灰白色粘土的膨胀性则要低得多，自由膨胀率41%～56%，具弱膨胀潜势。

2.4 含水率、饱和度、孔隙比

表2为两种颜色膨胀土的物理性质指标。灰白色粘土，硬塑状态，平均值:密度1.97 g/ cm3，含水率25.5 %，饱和度93.5 %，孔隙比为0.754，液限46.7 %，塑限为22.65 %，塑性指数24.07。黄色夹少量灰白色粘土，硬塑状态，平均值:密度1.96 g/ cm3，含水率为23.1 %，饱和度90 %，孔隙比为0.708，液限43.4 %，塑限为24.7 %，塑性指数19.3。

表2 膨胀土的物理性质指标

续表2

通过以上对比，灰白色粘土中阳离子、蒙脱石含量较高，其膨胀性大，含水率高，饱和度、孔隙比大，黄色夹少量灰白色粘土的阳离子、蒙脱石含量较低，其膨胀性小，含水率低，饱和度、孔隙比小。显示出不同颜色、不同矿物成分含量的粘土其膨胀性，物理性质有较大的差异。

3 力学性质

3.1 压缩性

从表3 看出，灰白色粘土:压缩系数为0.133－0.237 MPa－1，平均0.172 MPa－1，属低压缩性土;压缩模量7.54～12.90 MPa，平均10.45 MPa。黄色粘土压缩系数为0.120－0.193 MPa－1，平均0.195 MPa－1，属低压缩性;压缩模量9.01－13.78 MPa，平均12.27 MPa。

表3 膨胀土的压缩性

3.2 无侧限抗压强度

表4为灰白色粘土原状样和重塑样的试验，其灵敏度在1.0～1.09 之间，属低灵敏土，重塑土无侧限抗压强度比原状土略低。

表4 无侧限抗压强度

3.3 抗剪强度

灰白色粘土的直剪:粘聚力平均71.75 kPa，摩擦角11.25°;三轴UU 粘聚力平均65.83 kPa，摩擦角7.43°;三轴CU 粘聚力平均44.33 kPa，摩擦角10.93°;三轴CU 粘聚力平均46.33 kPa，摩擦角11.84°。

黄色夹少量灰白色粘土的直剪:粘聚力平均102.5 kPa，摩擦角16.4°;三轴UU 粘聚力平均102.33 kPa，摩擦角10.48°;三轴CU 总应力平均50.33 kPa，摩擦角16.5°;三轴CU 有效应力平均52.33 kPa，摩擦角17.43°。

表5 灰白色粘土抗剪强度试验结果

表6 黄色夹少量灰白色粘土抗剪强度试验结果

表5 表6 明显地反映出在同一地貌单元同一场地，不同颜色、不同土质的粘土抗剪强度的不同，同时也反映出同一土质，由于试验仪器和试验方法的不同，所获得的抗剪强度参数差别也很大。

由于膨胀粘土中裂隙发育的不规则性，采取原状样进行室内抗剪强度试验，获得的数据差异性较大。要获得土的真实抗剪强度参数，采用野外原位试验是最好的办法。但往往工程中因为各种因素，不能进行原位试验。通常采用的室内试验，也多为直剪试验。根据与现场原位试验结果对比，三轴试验CU(固结不排水)结果与原位试验较接近，而直剪试验比现场原位试验的C，φ 高很多。综上所述，笔者建议在无法作现场原位试验时，最好作三轴试验CU(固结不排水)。如果作直剪试验，将直剪试验C 值折减5～7 折，φ 值折减7～9 折较合理。

4 结束语

(1)成都地区二、三阶地广泛分布着具有膨胀性的粘土，较典型的是灰白色和黄色夹少量灰白色的粘土。它们的共性都具有膨胀性，天然状态下，具有低压缩性、较高的地基强度，在遇水或失水时则出现膨胀和收缩现象。施工过程中处理不当容易导致基坑、边坡的失稳。

(2)同一地貌单元同一场地，不同颜色、不同矿物成分的膨胀粘土，其物理性质、力学性质有着较大的差异。同一土质，由于试验仪器和试验方法的不同，所获得的抗剪强度参数差别也很大。

(3)工程实践中由于诸多原因，不能进行现场原位试验，建议采用与原位试验更接近的三轴试验CU(固结不排水)，对生产中常用的室内直剪试验C 值折减5～7 折，φ 值折减7～9 折较合理。

［1］GBJ 112－87 膨胀土地区建筑技术规范［S］

［2］《工程地质手册》编写委员会.工程地质手册(第四版)［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007