京霸铁路膨胀土判识与分类方法探讨

2016-10-14刘爱叶

铁道勘察 2016年4期

关键词：交换量液限膨胀率

刘爱叶

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)

京霸铁路膨胀土判识与分类方法探讨

刘爱叶

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251)

依托京霸地区在建铁路对膨胀土各项指标匹配性进行研究。研究表明，液限、自由膨胀率、蒙脱石含量及阳离子交换量四项膨胀性判识指标具有很高的相关性。根据试验结果，得出自由膨胀率及蒙脱石含量新的分类界值，其建议界值对该地区膨胀土的判识具有很好的指导意义。

膨胀性判识分类相关性

1　概述

膨胀土是颗粒高分散、成分以黏土矿物为主、对环境湿热变化非常敏感的高塑性黏性土，具有胀缩特性、裂隙性、超固结性等特殊的工程性质[1，2]。黏土矿物主要由蒙脱石、伊利石和高岭石组成，而蒙脱石正是导致膨胀土产生膨胀的主要因素。蒙脱石是2∶1型矿物[3]，晶层间的连接力主要是范德华力以及阳离子对两侧晶层的静电引力。当蒙脱石与水或水汽接触时，水分子进入晶层之间，由于离子以及晶层表面对水分子的静电作用产生水合作用，由此产生的斥力克服了以上两种引力致使晶层间距增大，蒙脱石颗粒开始膨胀。膨胀发生后，更多水分子进入晶层之间，但并没有形成连接的水体，当水分子层数达到一定程度，水合作用减弱，晶层膨胀结束[4]。

依托京霸地区在建铁路，采集大量土样开展了膨胀土各膨胀指标匹配性研究，从基本统计特征、指标间相关性及分类特征三方面，分析和阐述京霸地区膨胀土的膨胀特性，提出适应此地区的膨胀指标分级范围。

2　材料与方法

2.1试验样品

试验样品均来自京霸铁路沿线，通过随机方式选取30组。

2.2主要试验设备及试剂

液塑限联合测定仪，膨胀率仪(无颈漏斗口径5mm，下落高度10mm)，离心机，滴定管，量筒，氯化钠溶液(5%)等，实验所用水为超纯水，试剂均为分析纯(A.R)。

2.3试验方法

试验样品液限、自由膨胀率、蒙脱石含量及阳离子交换量测试步骤及方法均按照铁路工程土工试验规程(TB10102—2010J1135—2010)[5]和铁路工程岩土化学分析规程(TB10103—2008J862—2009)[6]进行。样品试验结果见表1。

表1　膨胀土基本物理性质及物化分析试验结果

2.4膨胀性判识指标及分级标准

膨胀土的判别指标很多，主要可分为两大类，阳离子交换量、蒙脱石含量(用化学法或X射线衍射法测定)、比表面积、界限含水量、黏粒含量、自由膨胀率等[7-9]。本试验采用自由膨胀率、蒙脱石含量、阳离子交换量及液限作为膨胀性判识指标，其中自由膨胀率、蒙脱石含量和阳离子交换量分级标准采用铁路标准[10]，液限采用中科院武汉岩土力学所专家陈善雄[11-13]提出的分类标准。具体分级标准见表2。

表2　膨胀土的分类标准

3　试验结果与讨论

3.1京霸地区膨胀土样品统计特征

为了深入了解京霸地区膨胀岩土特征，从1 800多组膨胀土样中随机选取30个样品，分别进行液限、自由膨胀率、蒙脱石含量及阳离子交换量测试试验，同时对土样各指标进行基本特征统计分析，结果见表3。

表3　膨胀土分类指标统计结果

由表1和表3可得，液限、自由膨胀率、蒙脱石含量及阳离子交换量的分布区间较大，各指标的最小值和最大值有较大的跨级区间，说明京霸地区膨胀土膨胀潜势差异较大，局部会出现非膨胀土及中膨胀土；由表3可得，30个样品各指标的变异系数均大于0.2，蒙脱石的变异系数甚至达到0.477，说明本试验选取的样品具有一定的代表性。由表2分类标准可看出，样品膨胀指标液限、蒙脱石含量及阳离子交换量的测试平均值为弱膨胀，而自由膨胀率的测试平均值为非膨胀，存在一定的差异。

3.2各膨胀指标相关性分析

运用统计软件进行相关性分析(如图1～图6)。图1～图6中R2为拟合系数，表征拟合曲线与实际数据之间的拟合程度，取值范围为0～1，该值越大，拟合程度越高。由图1～图6可得，液限与阳离子交换量的拟合系数为0.769 1，液限与蒙脱石含量的拟合系数为0.726 0，液限与自由膨胀率的拟合系数为0.819 7，自由膨胀率与阳离子交换量的拟合系数为0.781 7，自由膨胀率与蒙脱石含量的拟合系数为0.756 7，蒙脱石含量与阳离子交换量的拟合系数为0.786 5。由上述分析可知，膨胀性指标液限、自由膨胀率、蒙脱石含量及阳离子交换量相互之间均成相似的线性关系，并且有很高的相关性，尤其是液限与自由膨胀率之间，拟合系数达到0.819 7。

图1　液限与阳离子交换量的关系

图2　液限与蒙脱石含量的关系

图3　自由膨胀率与液限的关系

图4　自由膨胀率与阳离子含量的关系

图5　自由膨胀率与蒙脱石含量的关系

图6　蒙脱石含量与阳离子交换量的关系

3.3样品膨胀性分类结果分析

由表2中的分类标准对各指标的试验结果进行汇总，得出试验样品的膨胀潜势结果(表4)。从液限及阳离子交换量的分析结果可以看出，所取土样以非、弱膨胀土为主，占总土样个数的86.7%和83.3%，中膨胀土样仅占13.3%及16.7%，并且均没有强膨胀样品存在，说明此地区的膨胀土大部分以非-弱膨胀存在。同时也表明液限和阳离子交换量两指标在此地区膨胀土判识方面有很大的一致性，可以作为此地区膨胀土判识的联合指标进行判定及分类。

表4　膨胀土判别统计结果

从自由膨胀率的分析结果可以看出，所取土样均为非、弱膨胀土，无中-强膨胀土，非-弱膨胀土样分别占53.3%及46.7%。自由膨胀率结果表明此地区膨胀土均为非-弱膨胀土，几乎没有中-强膨胀土存在，与液限及阳离子交换量结果相比，明显判识级别偏低。

从蒙脱石含量的分析结果[14]可以看出，所取土样为非-弱膨胀土及中-强膨胀土，分别占膨胀土样50%，并且以中膨胀土居多，表明此地区膨胀土大部分均为膨胀土，与液限及阳离子交换量结果相比，明显判识级别偏高。

3.4京霸地区膨胀分类建议

由3.3分析可知，液限及阳离子交换量作为此地区的膨胀判识及分级指标有一定的一致性，同时两项指标本身的相关性也很好，推荐作为本地区的膨胀判识分类指标。自由膨胀率作为本地区膨胀土的判识分类指标，结果与上两项指标相比明显偏小；而蒙脱石含量作为本地区膨胀土的判识分类指标，结果与上两项指标相比明显偏大。然而四项指标的试验结果具有很好的相关性，因此具备共同判识此地膨胀土的条件。综上分析，根据京霸地区膨胀土的特点[15，16]，适当降低自由膨胀率的界限值，同时适当提高蒙脱石含量的界限值，以达到四项结果相一致的目的。建议值见表5。

表5　膨胀土的分类标准

按照表5给出的建议值重新对30组试验的测试结果进行分级判识(表6)。

由表6中汇总结果可得，四项指标均得出此地区的膨胀土以非-弱膨胀土为主，分别占占总土样个数的86.7%、86.7%、86.7%和83.3%，中膨胀土样仅分别占13.3%、13.3%、13.3%及16.7%，并且均没有强膨胀样品存在，说明此地区的膨胀土大部分以非-弱膨胀存在，同时四指标在此地区膨胀土判识方面有很好的一致性。