粒徑對黏性土自由膨脹率的影響規律研究

朱德余　劉愛葉　譚永平

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300251)

Study on the Effect of Particle Size on Free Swelling Ratio of Clayey Soil

ZHU Deyu　LIU Aiye　TAN Yongping

粒徑對黏性土自由膨脹率的影響規律研究

朱德余劉愛葉譚永平

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251)

Study on the Effect of Particle Size on Free Swelling Ratio of Clayey Soil

ZHU DeyuLIU AiyeTAN Yongping

摘要研究樣品粒徑級配對自由膨脹率的影響規律，通過數據分析得出自由膨脹率最優試驗粒徑。試驗結果表明：試驗者不同，樣品粒徑級別差別較大，進而影響到自由膨脹率測試結果，甚至影響到膨脹級別的判別；樣品中d<0.075 mm顆粒的比例較小時，自由膨脹率變化不明顯；當d<0.075 mm顆粒比例增大到一定程度，自由膨脹率變小趨勢越來越明顯，甚至影響膨脹級別的判別；綜合分析得出自由膨脹率最優試驗粒徑范圍為0.075～0.5 mm。

關鍵詞自由膨脹率級配影響黏性土

1概述

我國是膨脹巖土分布最廣的國家之一，很多省份都有膨脹巖土分布，如廣西、云南、湖北、安徽、四川、河南、山東等。關于膨脹巖土的研究很多，大部分集中在地區性膨脹巖土的綜合概述、膨脹巖土的分類方法及膨脹試驗的方法等[1-5]。

膨脹土主要由強親水性礦物成分蒙脫石組成，具有多裂隙性、強脹縮性和強度衰減性。膨脹土的判別指標很多，主要可分為兩大類，一類是直接指標，包括陽離子交換量、蒙脫石含量(用化學法或X射線衍射法測定)等，這類方法結果比較直觀，但方法復雜，對試驗人員要求較高；另一類是間接指標，包括界限含水量、黏粒含量、自由膨脹率等，這類指標雖然不那么直觀，但試驗操作比較簡單易行，對操作人員要求不高，具有一定的準確性[6-9]。

自由膨脹率作為常用的判別指標，具有試驗設備少、操作簡單易行、試驗周期短等特點。很多研究表明，影響自由膨脹率的因素很多，如試驗儀器、土樣制備條件、攪拌方法等，其中樣品粒徑級別對自由膨脹率測試結果影響較大[10-12]。

研究內容主要分為兩部分：一是研究人為因素對樣品粒徑級配及自由膨脹率測試結果的影響；二是通過制備含有不同粒徑級配比例的樣品，研究粒徑級配對自由膨脹率的影響規律，從而找出最優試驗粒徑范圍。

2材料與方法

2.1　試驗樣品

試驗樣品均取自于哈爾濱至佳木斯鐵路沿線，通過液塑限聯合測定法將樣品細分為粉質黏土和黏土。

2.2　主要試驗設備及試劑

膨脹率儀(無頸漏斗口徑5 mm，下落高度10 mm)、量筒、氯化鈉溶液(5%)等，實驗所用水為超純水，試劑均為分析純(A.R)。

2.3　試驗方法

自由膨脹率測試步驟及方法均按照鐵路工程土工試驗規程(TB 10102—2010)進行。試驗主要分為兩大部分：一是分析不同人員制備樣品的粒徑級別及自由膨脹率，研究人為因素對樣品級配及自由膨脹率的影響；二是人工配制不同顆粒級別的試驗樣品，研究粒徑級別對自由膨脹率的影響規律。

(1)常規樣品的制備

將風干試樣用四分對角線法取相同的三份，每份100 g，試驗員甲、乙、丙、丁四人分別制備。制備步驟為：將樣品在橡皮板上碾碎，剔除石子、結核，反復過0.5 mm篩，并在105～110 ℃溫度下烘干8 h，取出移入干燥器內冷卻至室溫，分別測定不同人員制備樣品的粒徑級配及自由膨脹率。

(2)不同粒徑含量樣品的制備

將風干試樣用四分對角線法取500 g，將樣品在橡皮板上碾碎，剔除石子、結核，反復過0.5 mm篩，并在105～110 ℃溫度下烘干8 h，取出移入干燥器內冷卻至室溫備用。

將樣品分為兩份，取其中一份過0.075 mm標準分析篩。將樣品分為兩部分：篩上部分A，粒徑大于0.075 mm同時小于0.5 mm(0.5 mm>d>0.075 mm)；篩下部分B，粒徑小于0.075 mm(d<0.075 mm)。將這兩部分樣品按質量比配制不同粒徑含量的新樣品，兩部分的比例分別為A∶B=100∶0，80∶20，60∶40，40∶60，20∶80,0∶100，最后分別測定不同樣品的自由膨脹率。

3試驗結果與討論

3.1　人工因素對樣品粒徑級配及自由膨脹率的影響

在自由膨脹率樣品制備過程中，不同試驗人員由于操作方法、力度大小、備樣工具等試驗因素存在差異，從而造樣品的級配隨制樣者的不同而不同，甚至同一試驗者不同時間制備的樣品，級配也存在差異。

分別選取了2種粉質黏土及2種黏土，四位試驗者同時制樣，將制得的樣品進行自由膨脹率測試，然后過0.075 mm的標準分析篩，分別計算粒徑級別為0.5 mm>d1>0.075 mm及d2<0.075 mm顆粒所占的質量分數，試驗結果如表1。

表1　不同試驗人員制備同一黏土樣品對比結果

從表1中可以看出，不同試驗者制備的黏土樣品粒徑級配和自由膨脹率均有較大差異。級配結果表明，不同試驗人員制備的1號樣品d<0.075 mm顆粒質量分數相差最大達到8.2%；2號樣品的最大差值達到了7.3%。自由膨脹率結果表明，甲制備的1號樣品與乙制備的1號樣品自由膨脹率差別最大，達到了14%，超出了鐵路規范要求的平行差值小于<5%；更進一步分析發現，甲制備的2號樣品與丙制備的1號樣品自由膨脹率差別達到了10%，不僅超出了鐵路規范要求的平行差值小于<5%，并且有膨脹性級別的不同，甲的樣品為無膨脹，而丙的樣品為弱膨脹(如表2)。

從表2中同樣可以看出，不同試驗者制備的黏土樣品粒徑級配和自由膨脹率同樣有較大差異。級配結果表明，不同人制備的1號樣品d<0.075 mm顆粒質量分數相差最大達到13.4%；2號樣品的最大差值也達到了9.8%。自由膨脹率結果表明，甲制備的1號樣品與丁制備的1號樣品自由膨脹率差別最大，達到了8%，超出了鐵路規范要求的平行差值小于<5%。

3.2　不同粒徑級配比例對樣品自由膨脹率的影響規律

很多研究表明，粒徑級別對自由膨脹率的影響較大，大部分研究將樣品過篩分為3個粒徑級別組分：0.25～0.5 mm，0.074～0.25 mm(0.1～0.25 mm)和<0.074 mm(<0.1 mm)，并且結果表明粒徑級別為0.25～0.5 mm，0.074～0.25 mm(0.1～0.25 mm)的樣品自由膨脹率結果類似，而粒徑級別為<0.074 mm(0.1 mm)的樣品自由膨脹率很小。因此，本文分別選取3種粉質黏土和3種黏土，將樣品過0.075 mm的標準篩，得到兩部分粒徑顆粒，分別為0.075 mm>d1>0.5 mm和d2<0.075 mm。通過設定兩部分的比例(d1∶d2=100∶0，80∶20，50∶50，20∶80，0∶100)，人工配置新樣品進行自由膨脹率測試，研究不同粒徑級別對自由膨脹率的影響規律，進而找出最優的試驗粒徑范圍，試驗結果如圖1所示。

圖1中橫坐標代表d<0.075 mm顆粒所占樣品的質量分數，縱坐標代表自由膨脹率。從圖中可以看出，黏土樣品d<0.075 mm顆粒的比例較小時，自由膨脹率變化不明顯；當d<0.075 mm顆粒比例增大時，自由膨脹率變小趨勢越來越明顯，當比例大到一定程度時出現了膨脹級別的不同(如圖2)。

圖2　粉質黏土自由膨脹率隨顆粒級別變化規律

從圖2中同樣可以看出，粉質黏土樣品結果與黏土樣品類似，d<0.075 mm顆粒的比例較小時，自由膨脹率變化不明顯；隨著d<0.075 mm顆粒比例增大，自由膨脹率變小趨勢越來越明顯。

4最優粒徑級別的探討

試驗者不同，制備的樣品級配不同，進而影響到樣品的自由膨脹率。因為每個人的自身條件和試驗條件不同，所以這種因素是不可控的，只能通過控制其他因素來減少誤差。

不同粒徑級別對粉質黏土和黏土的影響規律類似，即當d<0.075 mm顆粒的比例較小時，自由膨脹率比較穩定，變化不大；而當d<0.075 mm顆粒的比例增大到一定程度時，自由膨脹率開始迅速下降，甚至影響到膨脹級別的判斷。因此可以得出，d<0.075 mm的顆粒所占的比例直接影響到自由膨脹率的測試結果。

綜合以上分析可以得出，d<0.075 mm的顆粒所占的比例是導致自由膨脹率測試結果不穩定的主要因素，因此自由膨脹率試驗粒徑范圍可以選取0.075 mm>d>0.5 mm，這樣既保證了自由膨脹率測試結果的穩定性，又避免了因不同試驗者造成的粒徑差別對自由膨脹率的影響。

參考文獻

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[12]郭愛國，孔令偉，陳建斌.自由膨脹率試驗的影響因素[J].巖土力學，2006，27(11)：1949-1953

中圖分類號：TU411.91

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)03-0040-03

作者簡介：第一朱德余(1986—)，男，2013年畢業于天津大學化學專

收稿日期：2015-01-26

業，助理工程師。