粘粒含量与自由膨胀率对矿山岩土工程条件的影响

祁自福

（甘肃煤田地质研究所，甘肃 兰州 730000）

某矿山岩土工程地质条件较为复杂，影响了矿山的开发与利用。为矿山提供岩土体治理措施，本文针对矿山中的膨胀土进行了研究，分析粘粒含量与自由膨胀率对矿山岩土工程条件的影响作用，为进一步确定治理措施提供参考。

膨胀土是一种吸水膨胀、失水收缩和往复变形的粘性土，其主要矿物成分是蒙脱石、伊利石。膨胀土遇水膨胀、失水收缩这一特性往往会造成高层建筑物的开裂和倾斜破坏、公路铁路的塌方，而且可导致膨胀土边坡收缩产生表层浅滑现象，造成农田水利设施的破坏，因此对膨胀土进行研究并对其危害性采取有效的防范措施，显得非常重要。膨胀土之所以具有膨胀性，主要是由于其含有大量的亲水性矿物，如蒙脱石、伊利石等。目前常用自由膨胀率作为膨胀土判别和分类的一项重要指标，通过土的自由膨胀率试验，可以测定粘性土在无结构力影响下的膨胀趋势，初步评价膨胀土的胀缩性。在工程实践中，自由膨胀率，由于其试验工具简单、检测速度快，而被广泛应用，但由于矿物组成以及实验过程中的影响因素较多，铁道部第一勘察设计院将粘粒含量作为粘性土膨胀性的判定指标。自由膨胀率是一个很有用的指标，但不能作为唯一依据，否则易造成误判[1]。本文选取粘粒含量为分析指标，通过研究其与自由膨胀率之间的关系，以期获得两者之间的相关性，从而为工程实践提供指导。

1 自由膨胀率的影响因素

自由膨胀率试验是通过人工制备的烘干土样，在水中膨胀后增加的体积与原体积的比值，用百分数表示，从而得到土体的自由膨胀率指标[2]。土体的自由膨胀率除与其自身的矿物成分相关外，还与其常规的物理性质指标有关，李洪涛等人[3]研究发现，自由膨胀率与土的含水率，孔隙比等的相关性较小，而与液限和塑性指数的相关性较大，通过对各指标进行回归分析，从而得到了一组拟合关系式，土体的自由膨胀率除与自身的性质相关外，还与试验方法和过程密切相关，经研究土样的制备方法是影响自由膨胀率试验结果的一个重要因素，试样的制备对试验的结果影响较为明显，制备样品的差异只要体现在级配变化上，在试验过程中，当土样粒径范围为0.1mm～0.5mm时，其结果更接近与实际值[4]。甚至烘干土样冷却与否、环境温度等均对试验结果有一定的影响。正是由于自由膨胀率的测试人为干扰因素教多，因此有的学者认为用自由膨胀比试验能更好的反应膨胀土的胀缩性[5]。

2 粘粒含量与自由膨胀率的相关性研究

土中粘粒含量越多，则土颗粒越小，比表面积越大，其比表面能也越大。为了对粘性土中的粘粒含量与自由膨胀率之间的相关性进行分析，选取西北地区6个粘性土样，按照《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019）规范进行分别进行粘粒含量和自由膨胀率试验。

试验结果如下：

表1 不同粘粒含量土体的自由膨胀率

粘性土中粒径小于0.005mm粒径的土粒称为粘粒，从表1可以看出，随着粘粒含量的增加，粘性土自由膨胀率也在增加，分析其原因，主要是因为粘粒含量越多，粘土颗粒越小，其分散性也越大，从而比表面积越大，表面能也越大，故其遇水对水分子的吸附能力越强，因此土中粘粒含量越多，土的塑性指数也越高，土体的膨胀性越大。

根据表1中的结果，绘制粘性土中粘粒含量与自由膨胀率的关系图，见图1。

图1 自由膨胀率与粘粒含量的关系

从图1可以看出，虽然自由膨胀率随粘粒含量呈同向变化趋势，但两者之间并不呈现线性关系，这应与膨胀土中的矿物成分相关。膨胀土中亲水性矿物大多为蒙脱石和伊利石，其微观结构表现为面-面连接的叠聚体，它比团粒结构具有更大的吸水膨胀和失水收缩能力，一般认为，当膨胀土中蒙脱石的含量达到5%时，即可对土的胀缩性和抗剪强度产生明显的影响，当其含量超过20%-30%时，则土的胀缩性和抗剪强度基本上全有蒙脱石控制。由于膨胀土中矿物成分不同，矿物之间的连接结构不同，从而外在表现为膨胀性不同，因此自由膨胀率并不与粘粒含量成线性关系。

3 结语

在矿山岩土工程实践中，自由膨胀率由于其试验工具简单、检测速度快，而被广泛应用，但由于矿物组成以及实验过程中的影响因素较多，因此就需要与其他指标相结合来判断土体的膨胀性，而粘粒含量分析在工程中应用较广，且结果稳定，因此可与自由膨胀率一起作为评判粘性土膨胀性的指标。实验结果表明，矿山中膨胀土的自由膨胀率随粘粒含量的增加的增大，但两者之间并不表现为线性关系。研究成果为进一步制定矿山治理工程提供了参考依据。