成都市中心城区膨胀土工程地质特征分区

摘 要：以成都市中心城区膨胀土为研究对象，在全面搜集已有勘察资料基础上，结合现场调查及室内外试验，全面刻画了成都市域内膨胀土空间展布特征，对其结构特征、物理力学特征、胀缩性和裂隙性进行了系统总结，在此基础上对膨胀土进行了分区.研究表明，成都市膨胀土由西向东逐渐增厚，厚度2.64～24.1 m，平均厚度10.8 m；纵向可划分为3层，其中Ⅲ层裂隙极发育，团块状灰白色黏土增多，局部为灰白色黏土；隙壁灰白色黏土比灰黄色黏土层黏土矿物含量高、含水率高、膨胀性强，其与裂隙的存在劣化了土体力学性质；灰黄色黏土具有弱膨胀潜势，黄红色黏土具有弱—中等膨胀潜势，根据土体膨胀特性，将成都划分为弱膨胀区、出露型弱—中膨胀区和埋藏型弱—中膨胀区3个大区.

关键词：膨胀土；强度；胀缩性；分区

中图分类号：TU443

文献标志码：A

0 引 言

膨胀土具有胀缩性、裂隙性和超固结性，常给工程建设活动带来巨大危害，是一种多问题的特殊土［1-4］.成都东部台地分布黏性土为典型膨胀土，其裂隙发育，切面光滑，裂隙中充填大量灰白色黏土，在自然条件下呈硬塑状态，力学强度较高，对干湿气候变化异常敏感，具有亲水性好、水敏性强、低塑限、高液限、遇水膨胀、易塑易滑、失水收缩产生裂隙与反复胀缩变形的特点［5-15］.

目前，科研人员获得了很多关于成都地区膨胀土的研究成果，并积累了相关经验，但已有成果多集中于特定工程，平面局限于某一工程范围，纵向局限于工程影响深度.本研究在全面搜集成都市已有勘察资料基础上，补充了相应钻探及取样测试工作，全面刻画了成都市域内膨胀土空间展布特征和物理力学特征，重点对其胀缩性进行了总结，并在此基础上对膨胀土进行了分区.

1 分布特征

成都市膨胀土分布于市域内中更新统合江组（Qp2hj）地层，总体为一套黄色和红黄色黏土，其广泛分布于中心城区溪沟及宽谷以外的地表，呈“地毯式”披覆在二级和三级的各种阶地与丘陵内部的一些半封闭与封闭的洼地里，且其多为岛形状分散分布，这些土大多是直接覆盖在白垩纪紫红色砂泥岩上（见图1）.

本研究通过对成都市域内246份资料中的753处钻孔资料统计（见图2）表明，膨胀土厚度2.64～24.1 m，平均厚度10.8 m，最大埋深26.9 m，膨胀土自西向东逐渐增厚.其中，塔子山一带厚4～6 m；二仙桥和龙潭寺一带厚8～14 m；凤凰山一带厚约10～13 m；最厚位于荆竹社区周边，揭露厚度达24.1 m；最大埋深位于昭觉寺一带，达26.9 m.

2 结构特征

根据土层颜色、裂隙发育程度与包含物的差异，成都市中心城区膨胀土自上而下大致分为3层［4-5，7］.

1）上部灰黄色与褐黄色黏土（Ⅰ层）：粒度较粗，结构致密，质较纯，硬塑状，网状风化裂隙发育，脉络不清，含5%～15%黄白色钙质结核，核径一般3～5 cm，多呈星散状不均匀分布.该层土黏粒含量32.88%～51.99%，黏性较强，硬塑状，裂隙不甚发育，厚1～3 m.

2）中部黄色与棕黄色黏土（Ⅱ层）：结构致密，局部具花斑状结构，土质均一，硬塑—坚硬状，黏粒含量32.79%～54.88%，微含砂粒，裂隙发育，间距小于0.5 mm，延伸较长，隙壁有灰白色黏土，黏土细腻，滑感很强，裂面有擦痕，具蜡状光泽，层内含少量钙质结核，裂隙主要沿灰白色黏土与母体黏土接触面发育，裂面光滑，网状展布.

3）下部黄红色与灰白色黏土（Ⅲ层）：团块状灰白色黏土增多，与黄红色黏土构成花斑状结构，黏粒含量42.4%～62.3%，其中灰白色黏土黏粒含量60.8%～73%，裂隙极发育、不规则、贯通性好，面隙率1～5条/m2，裂面延伸较长，隙间常夹有灰白色黏土条带，裂面光滑，可见擦痕，蜡状光泽，有滑感，该层含较多钙质结核，厚1～3 m.

随埋置深度增加，膨胀土颜色由灰黄色、褐黄色、黄色和棕黄色，向黄红色过渡，颜色由暗变亮，土质渐纯，裂隙渐多，其中Ⅲ层裂隙极发育，团块状灰白色黏土增多，局部为灰白色黏土（见图3）.

3 物理力学性质特征

3.1 物理性质

膨胀土的物理性质是决定其力学性质的基本因素之一，其中，最主要的是密度、天然含水率和孔隙度.综合试验及市域内搜集的资料分析整理，膨胀土主要物理性质指标见表1.

从物理指标上看，成都膨胀土各层颗粒密度及天然密度变化不大，颗粒密度一般在2.67～2.76 g/cm3，天然密度多介于1.90～2.05 g/cm3，一般均小于2.0 g/cm3.孔隙度一般都较小，均在40%左右，孔隙比多介于0.6～0.7，总的来看，黏土孔隙度较小，与实际所观察到的结构密实的事实相吻合.

但各土层含水率有较大差异，第Ⅰ层和第Ⅱ层黏土的含水率为21%～38.5%，有比较大的悬殊，但一般多在24%左右，且与塑限接近，液性指数很小，呈硬塑状态，个别层位呈可塑或半固态状态.第Ⅲ层黏土含水率为23.3%～29.2%，平均值25.4%，灰白色黏性土含水率为22.4%～28.4%，平均值26.3%.从含水率上看，灰白色黏性土平均值大于第Ⅲ层黏土，大于上部的第Ⅰ层和第Ⅱ层黏性土.

3.2 水理性质

根据在不同地区所取土样进行试验的结果，说明成都膨胀土的水理性质有着一定程度的差异和规律性.综合本次试验及搜集的资料分析整理，成都膨胀土主要水理性质指标见表2.

由表2可知，第Ⅰ层和第Ⅱ层黏土塑限最大值为30.2%，最小值为18.7%，一般值在20%～24%之间；液限最大值为50%，最小值为35.9%，一般值在37%～42%之间；塑性指数最大值为20.6，最小值为17.1，一般变化范围为17～19.第Ⅲ层黏土塑限最大值为22.8%，最小值为18.3%；液限最大值为44.7%，最小值为36%，一般值在39%～41%之间；塑性指数最大值为23.3，最小值为18.3，一般变化范围为19～20.灰白色黏性土塑限最大值为22.7%，最小值为20.3%，一般值在20%～21%之间；液限最大值为44.7%，最小值为40.7%，一般值在41%～42%之间；塑性指数最大值为23.5，最小值为19.7，一般变化范围为20～21.从试验成果看，灰白色黏性土液限和塑性指数均比灰黄色和黄红色黏性土高.

室内试验资料所获取渗透系数最大为3.84×10-5m/d，最小为6.29×10-7m/d，一般值在4×10-7～2×10-6m/d之间.现场渗透试验测得成都黏土在吸水条件下的渗透系数结果为１.15×10-6～2.71×10-4m/d，一般值在5×10-5～1×10-4m/d之间.对比室内试验与现场渗透试验结果，室内试验渗透系数较现场试验小，原因在于成都黏土的透水性主要因隙裂而增强，但在实验室条件下，对于具有较大裂隙的试样，无法取得，因而所测得数据必然比天然情况下小.

3.3 力学性质

综合本次试验及搜集的资料分析整理，成都膨胀土主要力学性质指标见表3.

压缩性试验结果表明，由于成都膨胀土的压密性较高，黏土矿物不能大量吸水，因而可压缩性低，压缩系数0.11～0.51 Mpa-1，一般值为0.2～0.4 Mpa-1，压缩模量4～15 MPa，一般值为5～9 MPa，多为中压缩性土，个别试样为高压缩性土.如前所述，黏土结构致密，且天然密度较大，原始孔隙比较低，这就决定了这种黏土具有中压缩性的特征.

成都膨胀土在天然快剪条件下，试验内摩擦角Φmax=37.1°，Φmin=7.6°，一般值在15°～20°之间.内聚力Cmax=50 kPa，Cmin=10 kPa，一般值在30～40 kPa之间，第Ⅲ层黏性土较表层黏性土抗剪强度低，而灰白色黏土抗剪强度较第Ⅰ层、第Ⅱ层和第Ⅲ层黏土低.第Ⅲ层土内裂隙发育，由于膨胀土中裂隙存在，其抗剪强度较均质土复杂，是由土块和裂隙面组成的土体，裂隙面的存在破坏了土的均一性和连续性，易产生应力集中，从而影响膨胀土的抗剪强度，膨胀土土体经过往复干缩湿胀效应，使原始结构遭受破坏，原生隐微裂隙张开扩大，新的胀缩裂隙与风化裂隙又不断产生，土中应力集中现象愈来愈发展，土体强度显著降低.而第Ⅰ层、第Ⅱ层和第Ⅲ层土抗剪强度均较灰白色黏土强度高，是因为灰白色层内蒙脱石含量较其他层位高，土体含水率和孔隙比亦较高，导致灰白色黏土层力学性质弱于周围黏性土.因此，这类灰白色黏土的存在会大大劣化其力学性质，尤其是抗剪强度.

图4和图5为膨胀土黏聚力和内摩擦角与含水率的关系曲线，膨胀土的黏聚力和内摩擦角均随含水率的增大呈逐渐减小的趋势.

图6和图7为隙壁黏土粘聚力和内摩擦角与含水率的关系曲线.对比母体土与隙壁黏土，相同含水率条件下，隙壁黏土黏聚力和内摩擦角均较母体土小，体现了隙壁黏土对其性质的劣化.隙壁黏土内摩擦角亦随着含水率的增大而降低，且斜率较母体土大，表明受含水率影响较大，但隙壁黏土黏聚力与含水率相关性较小.抗剪强度均随含水量增加而降低，天然含水量状态（一般低于塑限）时峰值强度极高，干湿循环后土的结构破坏，含水量增加，抗剪强度随之衰减.因此，野外工程开挖暴露后的土体在经历往复干缩湿胀效应后，强度会大幅较低.

4 胀缩特性

根据测试成果（见表4），第Ⅰ层和第Ⅱ层黏土自由膨胀率为31%～61%，绝大多数试样大于40%，膨胀率为-1.7%～0.25%，收缩系数为0.4～0.58，缩限为9.5%～15.1%，阳离子交换量为170.0～

409.5 mmol/kg，蒙脱石含量为7.59%～28.34%；第Ⅲ层黏土自由膨胀率为58.5%～68.7%，绝大多数试样大于65%，膨胀率为0.13%～0.27%，收缩系数为0.42～0.47，缩限为9.5%～14.4%；灰白色黏土自由膨胀率为70.1%～82.1%，均大于65%，膨胀率为0.33%～0.48%，收缩系数为0.41～0.47，缩限为12.4%～14.5%.

根据GB 50112—2013《膨胀土地区建筑技术规范》，成都市域内试样多属弱—中膨胀土，其中，灰白色黏土的自由膨胀率平均在76%左右，具中等膨胀潜势，属于中等膨胀土.第Ⅰ层和第Ⅱ层黄色黏土的自由膨胀率平均在46.9%左右，具有弱膨胀潜势，属于弱膨胀土.第Ⅲ层黄红色黏土的自由膨胀率平均在63.7%左右，具有弱—中等膨胀潜势，属于弱—中等膨胀土.由于第Ⅲ层土内大量分布灰白色黏性土，导致其自由膨胀率较上部黄色黏土层大.

成都膨胀土中黄色黏土在荷载作用下的膨胀量都比较小，其膨胀率均小于灰白色黏土，试验结果表明，成都膨胀土中灰白色黏土的膨胀性较黄色黏土的膨胀性要大得多.受灰白色黏土含量影响，含量较高的黄红色黏土膨胀性较灰黄色黏土强.

成都膨胀土收缩系数值均较大，表明成都膨胀土地基胀缩变形量较大，对膨胀土地基应作相应处理.但从收缩系数的试验值上看，黄色黏土与灰白色黏土的收缩系数相差不大，表明2种黏土的胀缩变形能力也相差不大.

5 胀缩性分区

通过对成都市域内246份资料中的753处钻孔内1 656组土样测试数据进行全面分析整理，并结合本次实施的22个钻孔揭露情况及57组土样测试数据进行综合分析，成都中心城区分布膨胀土面积共163.77 km2，各膨胀土层出露条件各异.根据膨胀土分布特征、出露条件及膨胀特性，对成都市域内膨胀土进行分区，共划分为弱膨胀区（A区）、出露型弱—中膨胀区（B区）和埋藏型弱—中膨胀区（C区）3个大区.对仅分布Ⅰ层和Ⅱ层弱膨胀土的区域，划分为弱膨胀区（A区）；对仅分布Ⅲ层弱—中膨胀土的区域，划分为出露型弱—中膨胀区（B区）；对上部分布Ⅰ层和Ⅱ层弱膨胀土，下部分布Ⅲ层弱—中膨胀土的区域划分为埋藏型弱—中膨胀区（C区）.根据其范围特征细分为7个亚区，如图8和图9所示.各区特征见表5.

6 结 论

本研究在全面搜集成都市已有勘察资料的基础上，全面刻画了成都市域内膨胀土空间展布特征、结构特征和物理力学特征，并重点对其胀缩性进行了总结.主要得到了以下结论：

1）对市域内246份资料中的753处钻孔资料进行统计，刻画了膨胀土三维空间展布特征，膨胀土由西向东逐渐增厚，厚度2.64～24.1 m，平均厚度10.8 m，最大埋深26.9 m.

2）随着埋置深度增加，成都膨胀土颜色由暗变亮，土质渐纯，裂隙渐多，可划分为3层，其中，第Ⅲ层裂隙极发育，团块状灰白色黏土增多，局部为灰白色黏土.

3）成都膨胀土隙壁灰白色黏土比灰黄色黏土层黏土矿物含量高、含水率高、膨胀性强，其与裂隙的存在劣化了土体力学性质.

4）灰黄色黏土具有弱膨胀潜势，黄红色黏土具有弱—中等膨胀潜势，根据土体膨胀特性，将成都划分为弱膨胀区、出露型弱—中膨胀区和埋藏型弱—中膨胀区3个大区，进一步划分为7个小区，可供相应工程借鉴.

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（实习编辑：罗 媛）

Zoning of Expansive Soil Based on Its Engineering Geological Characteristics in Central Urban Area in Chengdu

TONG Longyun1，ZHANG Ji2，XIANG Bo2，LI Qiang2，LI Jiang2，LIU Tao2

（1.Chengdu Hig-Speed Operations Management Co.，Ltd.，Chengdu 611730，China；

2.Sichuan Institute of Geological Engineering Investigation Group Co.，Ltd.，Chengdu 610072，China）

Abstract：

By taking expansive soil in Chengdu as the research target，based on the comprehensive collection of survey data in Chengdu，and by means of field investigation and test in laboratory and field，the spatial distribution characteristics of the the expansive oil in the urban in Chengdu is depicted，and the structure characteristics，physical and mechanical charactevistics especially the swell-shrink characteristics and the fracture charctensics are systematifcally summarized.Based on what has been mentioned above，the expansive soil is divided into different zones.The studies show that the thickness of expansive soil increases from west to east gradually.Meanwhile the thickness of such oil in Chengdu is 2.64～24.1 m，with an average thickness of 10.8 m.Vertically，it can be divided into three layers，among which the fractures of layer III are extremely developed，the number of massive gray white clay increases，and the gray white clay is locally distributed.The fissure wall clay has higher mineral content，higher water content and higher expansibility than the yellow clay，and the existence of fissures worsens the mechanical properties of the soil;the gray yellow clay has weak expansion potential，and the yellow red clay has weak-medium expansion potential.According to the expansion characteristics of the soil，Chengdu is divided into three regions： weak expansion zone，exposed weak medium expansion zone and buried weak medium expansion zone.

Key words：

expansive soil;strength;swelling-shrinking;zoning

收稿日期：2023-04-13

基金项目：中国地质调查局项目（DD20189210）;四川省科技厅科技计划项目（2021YFSY0036、2019YJ0595）

作者简介：童龙云（1986—），男，硕士，从事水文地质与工程地质研究.E-mail：595844119@qq.com

通信作者：张 继（1974—），男，博士，教授级高级工程师，从事水文地质与工程地质研究.E-mail：276582940@qq.com