东北地区粉质黏土湿陷系数与物理性质指标的相关性

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(1.中国铁道科学研究院，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所,北京 100081)

东北阜新地区地表部分粉质黏土遇水浸湿时强度降低，压缩性明显增大，会产生显著的附加湿陷变形，具有湿陷性。水环境变化条件下湿陷性土会对工程结构产生诸多不利影响。当开展湿陷性土的工程勘察时，一般通过室内湿陷性试验测定湿陷系数对其湿陷性的影响[1]。影响土体湿陷性的因素较多，主要为含水率、孔隙比、干密度、液限和塑限、压缩模量等物理性质指标，湿陷系数大小与土体物理性质指标具有一定相关性。

很多学者开展了黄土湿陷性与其物理性质指标相关性的研究。井彦林等[2]根据黄土的密度、含水率、液限等指标建立湿陷性指标的预测模型，从而间接预测黄土的湿陷性，具有较高的预测精度。王有林[3]采用工程地质类比和数据挖掘技术对黄土湿陷性进行综合评价，得出了湿陷系数和物理指标的综合关系式，评价结果与现场大面积浸水试验结果相近。李萍等[4]以陇东地区黄土为研究对象，建立了湿陷系数与含水量、孔隙比、塑性指数的关系，结果显示黄土湿陷系数与物理指标具有良好的相关性。高凌霞等[5]研究认为黄土湿陷系数与其累积主成分呈线性关系，从而建立了主成分得分的湿陷系数计算方法。王吉庆等[6]通过统计分析发现黄土湿陷系数与含水量、干密度、孔隙比以及压缩模量相关性良好，利用回归方程对黄土湿陷性进行预测。邵生俊等[7]通过多元线性回归分析，对2个地区2类地貌单元黄土场地建立了湿陷性黄土与具有独立性的物理性质指标的相关关系，能够准确评价黄土湿陷性。张光明[8]研究了晋北地区湿陷性黄土与其天然孔隙比、天然密度、天然含水量等物理性质指标的关系。以上研究表明，西北地区湿陷性黄土湿陷性参数与其物理性质指标具有良好的相关性，通过黄土物理性质指标可以预测湿陷系数等反映其湿陷性。

本文依据东北阜新地区地质勘察资料，统计该地区粉质黏土各类物理性质指标，分析湿陷系数与物理性质指标的相关性，基于粉质黏土物理性质提出湿陷性粉质黏土勘察控制建议，为类似地质条件和区域粉质黏土湿陷性判别提供依据。

1 粉质黏土物理性质指标分析

本文勘察区域位于辽宁省阜新地区，地基表层覆盖粉质黏土，分布连续，厚度为1.2～5.0 m。开挖探井获得天然状态下地基表层不同深度处粉质黏土试样，测定其干密度、饱和度、孔隙比、液限和塑限、压缩模量、湿陷系数等物理性质指标。依据GB 50025—2004《湿陷性黄土地区建筑规范》对室内湿陷性试验及其湿陷等级的规定：基础以下10 m范围内室内测定湿陷系数的压力为200 kPa；当湿陷系数>0.015时，认为土体具有湿陷性。试验结果表明，部分地基表层粉质黏土具有湿陷性，44组粉质黏土试样中，具有湿陷性的土样共计21组，其余试样不具有湿陷性。粉质黏土物理性质指标和湿陷系数统计结果见表1。

由表1可知，具有湿陷性的粉质黏土湿陷系数在0.021～0.111，平均湿陷系数为0.053，说明粉质黏土具有轻微～强烈湿陷性。研究区域内粉质黏土主要分布在地基表层，湿陷系数与取样深度无明显相关性。具有湿陷性的粉质黏土天然状态下干密度平均值为1.46 g/cm3，饱和度平均值为49.7%，孔隙比平均值为0.85；而无湿陷性的粉质黏土天然状态下干密度平均值为1.60 g/cm3，饱和度平均值为77.0%，孔隙比平均值为0.73。与无湿陷性的粉质黏土相比，天然状态下湿陷性粉质黏土具有干密度低、孔隙比大、饱和度低的特点。

表1 粉质黏土物理性质指标和湿陷系数统计结果

该地区内地基表层粉质黏土的液限、塑限以及塑性指数统计结果见表2。勘察区域内地基表层土样按GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》塑性指数分类，土性基本为粉质黏土，少量试样可判定为粉土。具有湿陷性的粉质黏土塑限平均值为19.32%，液限平均值为31.67%；无湿陷性的塑限平均值为19.31%，液限平均值为32.96%。该地区具有湿陷性的粉质黏土与无湿陷性粉质黏土液限、塑限统计值相近。具有湿陷性的粉质黏土塑性指数为12.35，黏性较弱，其性质更偏向于粉土。

表2 粉质黏土液限、塑限及塑性指数统计结果

统计具有湿陷性的粉质黏土天然状态和饱和状态下的压缩试验结果，以100～200 kPa下的压缩系数av0.1-0.2和压缩模量Es0.1-0.2作为该类土压缩性的评价标准，见表3。

表3 具有湿陷性的粉质黏土压缩特性统计结果

由表3可知:具有湿陷性的粉质黏土天然状态下压缩系数平均值为0.28 MPa-1，饱和状态下压缩系数的平均值为0.64 MPa-1，相较于天然状态下压缩系数平均值增大0.36 MPa-1；天然状态下压缩模量的平均值为8.00 MPa，饱和状态下压缩模量的平均值为3.22 MPa，浸水后粉质黏土压缩模量平均值减小4.78 MPa，降低了59.8%。勘察区域内属于半干旱大陆性气候，天然状态下具有湿陷性的粉质黏土层含水率、饱和度较低，具有一定的结构强度，压缩模量较高；粉质黏土遇水后软化，饱和状态下压缩性明显提高。

2 物理性质指标关系

由粉质黏土物理性质指标分析结果可知，与无湿陷性的粉质黏土相比，具有湿陷性的粉质黏土干密度低、孔隙比大、饱和度低，而二者的液限、塑限无明显差异。液限和塑限主要受黏粒含量和矿物种类影响，并不能很好地反映出土的颗粒结构和水环境状态，不宜作为物理性质指标。因此重点研究具有湿陷性的粉质黏土的干密度、饱和度、孔隙比3种物理性质指标与湿陷系数之间的关系。

粉质黏土天然状态下干密度与湿陷系数的关系散点图见图1。可知：湿陷系数大于0.015的土样，其干密度主要在1.31～1.66 g/cm3；干密度越低粉质黏土结构越松散，湿陷系数随干密度减小而增大。

图1 干密度与湿陷系数关系散点图

粉质黏土天然状态下饱和度与湿陷系数的关系散点图见图2。可知：湿陷系数大于0.015的土样，其饱和度低于64%；粉质黏土天然饱和度越低，其湿陷系数越大。

图2 饱和度与湿陷系数关系散点图

粉质黏土天然状态下孔隙比与湿陷系数的关系散点图见图3。可知：湿陷系数大于0.015的土样，其孔隙比均高于0.62，粉质黏土湿陷系数随天然孔隙比增大而增大。

图3 孔隙比与湿陷系数关系散点图

根据粉质黏土基本物理性质指标与其湿陷系数的关系可知，具有湿陷性的粉质黏土天然状态下干密度小于1.66 g/cm3，孔隙比大于0.62，饱和度低于64%，湿陷系数与物理性质指标具有较好的相关性。

3 湿陷系数相关性分析

土的湿陷性影响因素主要分为土本身的物质成分和颗粒结构的内因，以及外部的水环境和应力的外因。具有湿陷性的土属于典型非饱和的湿化高压缩结构性土，其含水率、颗粒粒度、干密度、饱和度、孔隙比、液限、塑限等基本物理性质指标对其湿陷性的影响并非完全独立。相对于含水率，饱和度更能反映湿陷性土天然状态下的湿化程度；而同一地区在颗粒密度相近的情况下，孔隙比和干密度能够相互替代，用孔隙比即能够代表土体颗粒结构状态[9]。就同一地区而言，土的物理性质显著影响湿陷性，其中起主要作用的是孔隙比和含水率[10-11]。针对粉质黏土是否具有湿陷性(湿陷系数>0.015)，可以相对保守地通过天然状态下孔隙比大于0.6且饱和度低于60%进行判定。统计具有湿陷性的粉质黏土试验数据，建立湿陷系数与孔隙比、饱和度的二元线性回归方程。即

δs=0.112e-0.085Sr

式中：δs为湿陷系数；e为孔隙比；Sr为饱和度。

针对东北阜新地区地表粉质黏土具有良好的相关性，相关系数R2=0.922 4，具有一定的适用性。回归公式中孔隙比相关系数为正，饱和度相关系数为负，与湿陷系数随孔隙比增大而增大，随饱和度增大而降低的变化规律相符合。通过物理性质指标拟合的湿陷系数与试验实测的湿陷系数对比见图4。

图4 湿陷系数拟合结果与试验结果对比

由图4可知，通过拟合公式计算所得的湿陷系数与试验实测值相近，且拟合的湿陷系数更偏向于试验实测值的平均值；拟合值与实测值具有较好的相关性，能够反映该地区粉质黏土的湿陷性程度。

4 结论

1)东北阜新地区部分地基表层粉质黏土具有湿陷性，具有湿陷性的粉质黏土湿陷系数在0.021～0.111，平均湿陷系数为0.053。湿陷性粉质黏土在天然状态下具有干密度低、孔隙比较大、饱和度低的特点。

2)湿陷性粉质黏土的湿陷系数随孔隙比增大而增大，随饱和度降低而增大。依据湿陷系数与物理性质指标的关系，天然状态下孔隙比大于0.6且饱和度低于60%的粉质黏土具有湿陷性。

3)建立了湿陷系数与孔隙比、饱和度指标的二元线性回归方程，能够反映该地区粉质黏土的湿陷性程度。