基于膨胀土物化特性的判别分类方法

丁世磊，熊德元，张信贵，李苑麟

(1.广西大学化学化工学院， 广西南宁530004； 2.广西大学土木建筑工程学院， 广西南宁530004)



基于膨胀土物化特性的判别分类方法

丁世磊1，熊德元1，张信贵2，李苑麟1

(1.广西大学化学化工学院， 广西南宁530004； 2.广西大学土木建筑工程学院， 广西南宁530004)

为了建立膨胀土的物化特性判定分析方法，采用物化特性指标pH、Zeta电位、比表面积、阳离子交换量和电导率，结合南宁市周边工程，对采集土样的物化特性指标及力学指标进行分析对比，采用Fisher法对采集的膨胀土物化特性指标进行判别分类，结果表明：①物化特性指标仪器分析简单，数据准确，重现性好；②膨胀土的物化特性指标和力学指标之间具有一定的相关性，可以使用膨胀土的物化指标对膨胀土进行判别分类；③采用Fisher判别分析方法得到的基于膨胀土物化特性的分类方法，可以对南宁地区的膨胀土进行准确的判定和分类。

膨胀土；Fisher分析法；分类方法；物化特性

0　引　言

膨胀土是一种吸水膨胀软化，失水收缩干裂，反复胀缩的黏土[1]。我国膨胀土的分布范围十分广泛，广西是受膨胀土影响较为严重的省份之一，其胀缩性可导致公路、铁路边坡滑落、地基凹凸和建筑物开裂坍塌等灾害，因此在膨胀土地区建设前，必须对膨胀土进行准确的判别和分类，针对不同类型的膨胀土进行分类处理。但影响膨胀土膨胀机理的因素是多方面的[2]，没有一个单一指标能充分地反映这些因素，常采用多指标联合判定法对膨胀土进行判别分类。

目前用于膨胀土判定和分类的指标虽有很多，不同地区不同部门，根据测量与应用的需要，采用了不同的判定指标，制定了相应的标准，例如：建设部标准[3]、交通部标准[4]、塑性图[1]、广西地方标准[5]、美国的垦务局标准[6]和按自由膨胀率和胀缩总率[7]分类等。标准中的不同指标对膨胀潜势本质的影响不同，导致判别分类结果有所差别[8]，致使在同一膨胀土地区进行不同类型的施工建设时，不同部门之间的判定结果毫无参考价值，造成资源浪费且重复测量增加了成本。而且标准中多采用力学指标进行判定，但力学指标随客观环境变化显著，同种膨胀土在不同环境下判定会出现不同的胀缩等级，而且力学指标数据获取具有片面性、随机性和不确定性[8]。膨胀土的物化特性指标测量简单便捷，数据准确重现性好，文献中已大量报道过膨胀土物化特性指标对其本质的影响，例如：LIN B T[9]和孙树林等[10]研究固化剂对膨胀土的固化效果时，都曾指出膨胀土的膨胀潜势发生变化时膨胀土的pH值发生了明显的变化；ZHAO H H[11]和XING W等[12]在研究中指出膨胀土的Zeta电位和阳离子交换量的改变，会对膨胀土的膨胀潜势产生明显改变；尚云东等[13]在研究固化剂十六烷基三甲基溴化胺(HTAB)对膨胀土的影响时指出，HTAB可以阻塞膨胀土的部分毛细孔，团聚黏土颗粒，可以有效防止膨胀土的膨胀，同时膨胀土的外比表面积也明显减小；龚壁卫[14]和查甫生等[15]详细研究了电导率、电阻和电阻率发生变化时，膨胀土膨胀潜势发生了明显的变化。

本文综合了膨胀土物化特性指标—pH、Zeta电位、比表面积、阳离子交换量和电导率，运用Fisher判别分析方法，结合南宁市周边工程，建立一种基于膨胀土物化特性的判定分析方法。该方法中利用的物化指标测量准确、规范、在原料较少的情况下也可以对土样进行准确判定，且指标在测量过程中受环境因素的影响较小，有效的克服了依靠力学指标判定膨胀土时受不同环境的影响。

1　实验材料和方法

1.1实验材料

实验土样，由广西勘探设计研究院提供，取自南宁市周边的建设工程。

1.2实验方法

1.2.1土样力学指标测定

土样力学指标中的自由膨胀率、塑性指数和标准吸湿含水率按照《公路土工试验规程》(GBJ112-87)[3]进行测量，50 kPa自由膨胀率和胀缩总率按照《广西膨胀土地区建筑勘察设计施工技术规程》(DB45/T 396-2007)[5]进行测量。

1.2.2土样物化指标测定

pH值：取过60目的烘干土样10 g，加入50 mL去离子水，搅拌10 min，静置30 min后，测量其上清液pH值。

阳离子交换量：按照《公路土工试验规程》(JTGE40-2007)进行测量。

比表面积(外比表面积)：采用Nove-2200e比表面积仪进行测定。称取烘干土样约0.3 g于测量管中，在300 ℃下脱气3 h，待冷却至80 ℃以下后，准确称量并记录样品重量，然后分析样品。根据吸附等温线，采用Brunauer-Emmet-Teller(BET)法计算样品的比表面积。

Zeta电位：采用JS94H型微电泳仪进行测定。将0.01 g膨胀土样品稀释至千分之一，每次取三分之二倍玻璃皿体积的悬浮液进行测定。

电导率：采用FZ-2006半导体粉末电阻率测试仪进行测量。取过60目筛子的烘干土样2 g，加入0.2 mL去离子水，混合均匀，密封培养24 h后进行测量。

2　实验结果

2.1土样膨胀潜势的力学判定

分别从南宁市周边的建设工程取样18组，根据交通部标准[3]和广西地方标准[5]综合判别膨胀土和分类膨胀潜势，结果如表1所示，土样1～3为强膨胀土，土样4～10为中膨胀土，土样11～14为弱膨胀土，土样15～18为非膨胀土。

表1　土样膨胀潜势的综合判定Tab.1　The expansion potential of soil sample

2.2土样物化指标与力学指标之间的关联

土样物化指标实验结果如表2所示，相应指标与土样的塑性指数[17]及胀缩总率[18]的关系如图1～4所示。

表2　土样物化特性指标实验数据Tab.2　Data of expensive clays’ physical and chemical parameters

(a) 塑性指数

(b) 胀缩总率

比表面积、Zeta电位和阳离子交换量与塑性指数间的关系如图1(a)所示。图1(a)中,比表面积、Zeta电位和阳离子交换量随着塑性数的增加整体上都呈上升趋势，结合表1可知比表面积和Zeta电位数值中有一定的交叉。在图1(a)中，塑性指数(Y)与比表面积(X2)、Zeta电位(X3)和阳离子交换量(X4)的函数式分别为：Y2=2.758+0.0655X2；Y3=-26.595+1.01X3；Y1=1.483+1.013X4。

比表面积、Zeta电位和阳离子交换量与胀缩总率间的关系如图1(b)所示。图1(b)中，比表面积、Zeta电位和阳离子交换量随着胀缩总率增加呈递增趋势，比表面积和Zeta电位在数值较大时较为接近。在图1(b)中，胀缩总率[18](K)与比表面积(X2)、Zeta电位(X3) 和阳离子交换量(X4)的函数式分别是：K2=-1.306+0.113X2；K3=-5.58+0.168X3；K4=-0.856+0.165X4。

从函数式中可以得出，阳离子交换量、比表面积、Zeta电位与塑性指数和胀缩总率之间具有一定的相关性，三个指标可以在一定程度上反映膨胀土的本质，且图中三条趋势线相互间不平行，三个指标之间相互独立。

图2(a)中，胀缩总率和塑性指数与pH在不同类型的膨胀土中差别较大，数据间差别显著，可以在一定程度上反映膨胀土的不同类型。塑性指数(Y1)和胀缩总率(K1)与pH(X1)的函数关系式为：塑性指数Y1=273.75- 46.29X1+1.81X12；胀缩总率K1=4871×exp(-X1/1398.5)-4841。从函数式中可以得出：pH和塑性指数与胀缩总率的关系式明显与比表面积、Zeta电位和阳离子交换量不同，因此pH可以作为一个独立的变量反映膨胀潜势。

(a) pH值

(b) 电导率

图2pH值、电导率与塑性指数和胀缩总率间的关系

Fig.2The relationship between pH, conductivity and plasticity index and swell-shrink total tatio

图2(b)中，塑性指数与电导率的关系呈现出明显的曲线关系，非膨胀土和其他类型的膨胀土区别较为显著；胀缩总率随着电导率增加变化不显著。塑性指数(Y5)和胀缩总率(K5)与电导率(X5)的函数关系式为：塑性指数Y1=-2205.38+ 5817.67X5-4977.46X52+1398.20X53；胀缩总率K5=-183175+955781X5-2.07×106X52+2.38×106X53-1.53×106X54+523470X55-74251.9X56。从函数关系式中可以得出：电导率一定程度上可以反映出塑性指数和胀缩总率的变化趋势，且趋势线明显区别于其他四个变量，因此电导率可以作为反映膨胀土膨胀潜势的独立变量。

2.3土样膨胀潜势的物化指标判定

2.3.1判别分类函数的构建

Fisher判别基本理论[19]就是投影，针对P维空间中的某点x=(x1，x2，x3，…，xp)寻找一个能使它降为一维数值的线性函数Y(x)：

Y(x)=∑Cjxj。

然后应用这个线性函数把P维空间中的已知类别总体以及求知类别归属的样本都变换为一维数据，在根据其间的亲疏程度把未知归属的样本点判定其归属，且使组类差距越大越好。

以各土样物化指标pH(X1)、比表面积(X2)、Zeta电位(X3)、阳离子交换量(X4)和电导率(X5)作为判别分析的变量，通过Fisher方法，基于表1结果，推出判别分类函数分别为：

高膨胀土:Y1=67.011X1+8.338X2+3.174X3+4.137X4+ 39.189X5-699.729，

(1)

中膨胀土:Y2=58.240X1+6.902X2+2.756X3+3.114X4+36.014X5-497.390，

(2)

弱膨胀土:Y3=58.654X1+5.002X2+2.458X3+3.131X4+31.760X5-408.001，

(3)

非膨胀土:Y4=57.621X1+2.965X2+2.417X3+2.866X4+24.248X5-338.656。

(4)

将待判样本的各变量值分别代入式(1)～(4)中进行计算，比较结果大小，将土样判别结果划入结果值最大组中。

2.3.2新建立的判别分类方法对实验土样膨胀潜势的判定

由表3可知，Y值自身的大小并不能代表膨胀土的类型，应根据同组Y值的相对大小进行判定，如第15组数据明显大于第14组数据，但膨胀土的类型属于非膨胀土；由表3可得基于膨胀土物化特性建立的判别分类方法对实验土样的判定结果与力学判定结果完全吻合，说明新的判别分类方程可以用于膨胀土膨胀潜势的判定。

表3　实验土样判别分析结果Tab.3　The soil’s results of discriminant analysis

2.3.3工程土样检验

另取11种南宁市周边的土样进行检验，基于上述方法分析其膨胀潜势，检验及判定结果如表4～6所示。

表4　检验土样膨胀潜势判定Tab.4　The expansion potential of inspection soil sample

表5　检验土样物化指标检测结果Tab.5　The inspection results of soil’s physical and chemical parameters

表6　判别分析检验结果Tab.6　The inspection results of discriminant analysis

表6结果表明，该判别方法与力学判定方法对工程土样膨胀潜势的判定结果完全一致，说明利用Fisher判别分析方法得到的基于膨胀土物化特性的分析方法，完全适应于南宁地区土样的综合评定。

3　结　论

本文基于膨胀土的物化特性，采用膨胀土相互间独立的物化特性指标——pH、Zeta电位、比表面积、阳离子交换量和电导率，通过Fisher判别分析方法，实验结果得出以下结论：

①膨胀土的物化特性和膨胀土的力学性质之间有一定的相关性，膨胀土的物化特性指标可以独立地反映膨胀土的膨胀潜势；

②基于膨胀土物化特性结合Fisher判别分析方法建立的膨胀判别分类方法为：以各土样物化指标pH(X1)、比表面积(X2)、Zeta电位(X3)、阳离子交换量(X4)和电导率(X5)作为判别分析的变量：高膨胀土Y1=67.011X1+8.338X2+3.174X3+4.137X4+ 39.189X5-699.729；中膨胀土Y2=58.240X1+6.902X2+2.756X3+3.114X4+36.014X5-497.390；弱膨胀土Y3=58.654X1+5.002X2+2.458X3+3.131X4+31.760X5-408.001；非膨胀土Y4=57.621X1+2.965X2+2.417X3+2.866X4+24.248X5-338.656。

③利用Fisher判别分析法得到的基于物化特性指标的膨胀土判别分析方程可以对南宁地区的膨胀土进行准确的判别和分类。

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(责任编辑唐汉民梁健)

A novel identification and classification standard for expansive soil based on its physicochemical indexes

DING Shi-lei1, XIONG De-yuan1, ZHANG Xin-gui2, LI Yuan-lin1

(1. School of Chemistry and Chemical Engineering,Guangxi University, Nanning 530004, China;2. School of Civil and Architectural Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

In order to establish a novel identification and classification standard, the physicochemical indexes of expansive soil, such as pH, Zeta potential, specific surface area, cation exchange capacity and electrical conductivity are used. Therefore, based on the physicochemical properties of expansive soil and some engineering projects in Nanning, discriminant analysis on soil samples for swelling potential utilizing Fisher’s analysis was carried out, and conclusions are drawn as follows: ① the standard has the advantages of simplified analysis, accurate data and good reproducibility; ② there is a certain correlation between mechanical indexes and physicochemical indexes, and the physicochemical indexes could be used to classify expansive soil; ③ tests on physicochemical indexes of soil were carried out, from which the identification and classification of expansive soil have been proved.

expensive soil; Fisher’s discriminant analysis; classification method; physicochemical indexes

2015-11-20；

2016-06-09

国家自然科学基金资助项目(51268003);广西石化资源加工及工程强化技术重点实验室(AE040195)

熊德元(1966—)，男，广西桂林人，广西大学教授；E-mail：dyxiong@gxu.edu.cn。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1123

TU43

A

1001-7445(2016)04-1123-08

引文格式：丁世磊，熊德元，张信贵,等.基于膨胀土物化特性的判别分类方法[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：1123-1130.