本發(fā)明屬于巖土工程與工程地質(zhì)及水利水電工程技術(shù)領(lǐng)域；更加具體來說是一種宏觀的能夠在施工中判別土體膨脹性等級(jí)的方法。

背景技術(shù)：

膨脹土是一種特殊巖土體，主要由蒙脫石、伊利石、高嶺土等強(qiáng)親水性黏土礦物組成，表現(xiàn)為多裂隙性、超固結(jié)性、強(qiáng)親水性、反復(fù)脹縮性等。它是一種吸水膨脹軟化、失水收縮干裂的特殊粘土，極易導(dǎo)致渠道、鐵路、公路邊坡，以及房屋、地下硐室、隧道等結(jié)構(gòu)工程，產(chǎn)生較大的變形、開裂和滑坡等破壞，具有多次反復(fù)性和長(zhǎng)期潛在危害性。

膨脹土的判別和分類一直是工程界關(guān)心的問題，長(zhǎng)期以來，許多專家和學(xué)者在這方面做了不懈的努力，提出了許多判別和分類方法，如柯尊敬等的最大脹縮性指標(biāo)分類法，譚羅榮等的風(fēng)干含水量分類法，李生林等的塑性圖分類法匯，梁俊勛的灰色聚類法，陳新民等的灰色關(guān)聯(lián)分析法，金波等的模糊數(shù)學(xué)方法等等。目前國(guó)內(nèi)外提出作為判別膨脹土的分類方法和指標(biāo)頗多，而且至今仍有意見分歧，尚未完全統(tǒng)一。各種方法所采用的判別指標(biāo)大致可歸納為兩大類：一類反映土的天然結(jié)構(gòu)與狀態(tài)，另一類反映土的物質(zhì)組成成分與水的相互作用。前一類指標(biāo)要求采用原狀土樣測(cè)定，故測(cè)定方法往往較多地受到條件限制，后一類指標(biāo)反映土粒的基本特性，采用擾動(dòng)樣品即可測(cè)得，測(cè)定條件較簡(jiǎn)便易行，故采用較多。全國(guó)第二次膨脹土專題會(huì)議制定了膨脹土專門的判別方法，提出自由膨脹率Fs≥40％為膨脹土的主要判別指標(biāo)，以液限W_L≥40，液性指標(biāo)I_L≤0.25為參考判別指標(biāo)，但在這三個(gè)指標(biāo)中，影響自由膨脹率的因素較多，特別是受介質(zhì)pH值和介質(zhì)的濃度影響甚大，試驗(yàn)操作方法對(duì)自由的測(cè)定也有一定的影響。

國(guó)標(biāo)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001)和《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB50112—2013)中均以自由膨脹率大于或等于40％作為膨脹土的判別標(biāo)準(zhǔn)。其中《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB50112—2013)中提出膨脹土一般具有下列特征：a)裂隙發(fā)育，常有光滑面與擦痕，有的裂隙中充填灰白、灰綠色粘土，在自然條件下呈硬塑狀態(tài)；b)多出露于二級(jí)或二級(jí)以上的階地、山前丘陵和盆地邊緣，地形平緩，無明顯陡坎；c)常見淺層滑坡、地裂，新開挖的坑槽壁易發(fā)生坍塌；d)房屋裂縫隨氣候變化張開和閉合。具備以上條件可以判定為膨脹土。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，自由膨脹率≥40％時(shí)定為膨脹土，40<δef≤65定為弱膨脹土，65<δef≤90定為中膨脹土，δef≥90％定為強(qiáng)膨脹土。在特殊情況下，尚可以根據(jù)蒙脫石含量確定，當(dāng)蒙脫石含量≥7％時(shí)可以判定為膨脹土。在交通部部頒現(xiàn)行《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2004)中采用粘粒含量小于2μm的百分比和自由膨脹率及膨脹總率三個(gè)指標(biāo)，把膨脹土分為強(qiáng)膨脹土、中膨脹土和弱膨脹土三個(gè)級(jí)別。

界限含水量可以反映土粒與水相互作用的靈敏度，在一定程度上反映了土的親水性能。它與土的顆粒組成、粘土礦物成分、陽(yáng)離子交換性能、土的分散度和比表面積，以及水溶液的性質(zhì)等有著十分密切的關(guān)系。通常有液限、塑限、縮限3個(gè)定量指標(biāo)。

脹縮總率反映膨脹土粘土礦物成分和結(jié)構(gòu)特征。粒度組成反映膨脹土物質(zhì)組成特性，土中小于0.005μm的粘粒與小于0.002μm膠粒成分的含量愈高，表明蒙脫石成分較多，分散性越好，比表面積大，親水性強(qiáng)，膨脹性愈大。

自由膨脹率反映土的吸水膨脹能力，與粘粒含量、礦物成分、表面電荷等有關(guān)。

比表面積和陽(yáng)離子交換量與膨脹土中蒙脫石粘土礦物成分的含量、顆粒組成有著密切的關(guān)系。礦物成分不同，必然在其物理化學(xué)、力學(xué)和水理性質(zhì)方面反映出明顯的差異。當(dāng)膨脹土蒙脫石的含量達(dá)到5％時(shí)，即可對(duì)土的脹縮性和抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的影響，蒙脫石含量超過30％時(shí)，則土的脹縮性和抗剪強(qiáng)度基本由蒙脫石控制。

1964年南非土木工程研究所Vander Merwe利用塑性指數(shù)、≤2μm粘粒含量、粘土活性三個(gè)因素，建立粘土膨脹土膨脹勢(shì)判別圖，很快得到了同行的認(rèn)可。該方法1980年經(jīng)Williams和Donadson修正后，在國(guó)際上得到了廣泛的應(yīng)用。在理論上，塑性指數(shù)是粘性土物質(zhì)成分(粘土礦物、粘性含量)和物理化學(xué)活性的綜合影響的結(jié)果。同時(shí)該方法又突出了粘粒含量(≤2μm)和活性(I_P與≤2μm粘粒含量之比)的控制作用。根據(jù)粘土膨脹勢(shì)判別圖把粘土膨脹勢(shì)劃分為低、中等、高、很高四級(jí)；

國(guó)內(nèi)外判別巖土膨脹性的指標(biāo)和方法較多，歸納起來有單指標(biāo)、多指標(biāo)、綜合指標(biāo)三大類，常用的單指標(biāo)有：膨脹率、膨脹力、自由膨脹率、液限、塑限、縮限、蒙脫石等礦物含量、粘粒含量等直接指標(biāo)和吸水指標(biāo)、活動(dòng)指數(shù)和脹縮系數(shù)等間接指標(biāo)等；多指標(biāo)則是其中幾個(gè)指標(biāo)的組合，如張金富提出的膨脹巖多指標(biāo)判別法，建議采用蒙脫石+伊利石礦物含量(>20％)、自由膨脹率(>35％)、液限(>35％)、膨脹力(>100kPa)、小于2μm的粘粒含量(>20％)、風(fēng)化巖試塊吸水率(≥20％)作為判別膨脹巖的標(biāo)準(zhǔn)；綜合指標(biāo)方法更為廣泛，如西方國(guó)家采用較多的塑性圖法、BP網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)法、灰色聚類法、最大脹縮性指標(biāo)分類法、模糊數(shù)學(xué)法等、等效數(shù)值法等。

上述眾多指標(biāo)都從某個(gè)角度反映了土體的膨脹性能，但在工程應(yīng)用時(shí)同時(shí)測(cè)試所有指標(biāo)不僅耗時(shí)耗人力，也將造成很大浪費(fèi)。2005-2009年，曾對(duì)南水北調(diào)中線歷年完成的上萬組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)不同試驗(yàn)指標(biāo)之間，大部分都有很好的相關(guān)性，如自由膨脹率與粘粒含量、塑限、液限、蒙脫石含量、縮限、脹縮總率等之間相關(guān)性都在0.9以上，因此，采用自由膨脹率單指標(biāo)基本可以反映土體的膨脹性。

目前，我國(guó)現(xiàn)行的《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)和《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2004)等土工試驗(yàn)規(guī)程中均以體積法來測(cè)試土樣品的自由膨脹率：以人工制備的松散的，干燥的試樣，在純水中膨脹穩(wěn)定后的體積增量與原體積之比，用百分?jǐn)?shù)表示。另外，國(guó)內(nèi)也有部分學(xué)者提出通過測(cè)試土壤電導(dǎo)率，根據(jù)膨脹巖粘土礦物的自由電荷使粘土礦物具有一系列化學(xué)、物理特性的原理，利用電荷數(shù)量與膨脹巖的膨脹性之間具有的相關(guān)性，建立土壤自由膨脹率與電導(dǎo)率的關(guān)系曲線圖，從而間接測(cè)試判定土體的膨脹等級(jí)的方法。

膨脹土工程特性極為復(fù)雜，由于膨脹巖土不均一，膨脹性空間變化較大，巖性、膨脹性、裂隙發(fā)育特征以及水文地質(zhì)條件等變化頻繁，受勘察精度及膨脹土沉積環(huán)境的控制，地質(zhì)條件可能存在較大變化，工程實(shí)施過程中需要根據(jù)膨脹等級(jí)，及時(shí)調(diào)整處理方案和處理強(qiáng)度。因此需要研究巖土膨脹等級(jí)的快速判別技術(shù)，以滿足設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化和快速施工的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述背景技術(shù)的不足之處，而提出一種宏觀的能夠在施工中判別土體膨脹性等級(jí)的方法。

本發(fā)明一種宏觀的能夠在施工中判別土體膨脹性等級(jí)的方法；它包括如下具體步驟：

①、項(xiàng)目實(shí)施前準(zhǔn)備：在一個(gè)新工作區(qū)開展現(xiàn)場(chǎng)快速判別前，選擇具代表性的試樣進(jìn)行自由膨脹率室內(nèi)試驗(yàn)，建立膨脹性與巖性、土體結(jié)構(gòu)、顏色、裂隙發(fā)育特征等之間的關(guān)系；

②、宏觀指標(biāo)選取：現(xiàn)場(chǎng)試樣的選取和鑒定按照如下具體的明顯特征，依次進(jìn)行選取試樣和進(jìn)行評(píng)分；

(2.1)、地貌X₁：膨脹土地區(qū)的主要地貌形態(tài)為孤山、崗地、山前平原、河流一，二級(jí)階地、河床等；

從地形地貌上而言：分布在崗頂崗坡者一般為中膨脹土或巖，崗頂表層一般分布弱膨脹土，崗凹一般為弱膨脹土，大型河流兩側(cè)平原一般為弱膨脹土，河間地塊一般分布為中膨脹土；

下述為具體地貌的評(píng)分；崗頂7-8分；崗坡4-7分；崗坡腳3-5分；崗間凹地0-3分；河間地塊6-8分；沖積平原4-7分；平原前緣4-5分；平原后緣6-7分；II級(jí)階地2-4分，I級(jí)階地0-2分；在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，上述地貌單元選擇其中一類進(jìn)行賦分；

(2.2)、地層X₂；土體的膨脹性及膨脹等級(jí)與土體所處的時(shí)代及巖性有密切相關(guān)；在顆粒組成基本相同的情況下，不同時(shí)代土體膨脹性順序?yàn)镹>Q1>Q2>Q3>Q4，其中N代表新近系，Q為第四系；即地層越老，膨脹性越強(qiáng)；

下述為具體的賦分；Q₄ 0分；Q₃ 3-4分；Q₂ 6-7分；Q₁ 7-8分；地表殘坡積Q：3-5分；

(2.3)、巖性X₃：不同巖性的巖土體膨脹性順序?yàn)椋吼ね?gt;粉質(zhì)黏土>粉質(zhì)壤土>壤土>泥質(zhì)粉砂；

粉質(zhì)壤土0-3分；粉質(zhì)黏土4-6分；黏土7-10分，壤土0-2分；泥質(zhì)粉砂0-1分；

(2.4)、大裂隙發(fā)育程度：土體的膨脹性越強(qiáng)，裂隙越發(fā)育，條數(shù)越多，土體的膨脹性越低，裂隙越低，條數(shù)越低；

盡管同一膨脹等級(jí)的膨脹巖土裂隙發(fā)育有差異，但隨著膨脹性增強(qiáng)，裂隙發(fā)育密度存在統(tǒng)計(jì)意義上的增大趨勢(shì)。

非膨脹土土體裂隙不發(fā)育或者條數(shù)越少；

弱膨脹土大裂隙不發(fā)育，灰白色黏土條帶較少，因?yàn)楹^多的粉粒，土體結(jié)構(gòu)相對(duì)松散，開挖面平整度好，開挖渣料粒度小，旱季開挖時(shí)很少出現(xiàn)大土塊；

中膨脹土體大裂隙和長(zhǎng)大裂隙發(fā)育，裂隙多呈光滑鏡面，裂隙面分布灰白色黏土，土體密實(shí)堅(jiān)硬，開挖面可見到較多的裂隙面，開挖渣料存在較多10-20cm的土塊；

強(qiáng)膨脹土裂隙極發(fā)育，裂隙面光滑，開挖坡面遍布裂隙面，開挖渣料主要呈扁形塊體，天然情況下含水量較高，呈硬可塑狀；

裂隙密度作為判斷的基本因子，長(zhǎng)大裂隙作為補(bǔ)充因子，總分不超過10分；

(X₄)：X₄＜0.4條/m²(或<1條/m)，0-3分；X₄＝0.4-1條/m²(或1-5條/m)，5-7分；X₄＞1條/m²(或>5條/m)，8-10分；長(zhǎng)大裂隙長(zhǎng)度＜5m時(shí)，評(píng)分總體上+0分；長(zhǎng)大裂隙長(zhǎng)度為5-10m時(shí)；評(píng)分總體上+1分；長(zhǎng)大裂隙長(zhǎng)度＞10m時(shí)；評(píng)分總體上+2分；

(2.5)、顏色X₅：棕黃色、姜黃色、桔黃色、紫紅色黏性土為中膨脹土，淺黃色、灰黃色、褐黃色、褐色為弱膨脹土，灰白色、灰綠色為中-強(qiáng)膨脹性，白色黏性土一般具強(qiáng)膨脹性；

Q₁為棕紅色、淺磚紅色4-6分；磚紅色、紫紅色7-9分；青灰色7-10分；

Q₂為灰褐色、黃褐色、灰色、棕紅色2-4分；黃色、姜黃色、棕黃色、褐黃色4-7；棕黃色夾青灰色或灰綠色6-8分；灰綠色或青灰色8-10分；

Q₃為淺黃色、土黃色、灰黃色0-3分；褐黃色、灰褐色3-5分；棕黃色夾灰綠色5-7分；

dlQ為第四系不明時(shí)代坡積物且顏色灰褐色、褐色、灰黃色時(shí)；賦分為2-4分；

(2.6)、鈣質(zhì)結(jié)核X₆；鈣質(zhì)結(jié)核是地層形成以后在大氣環(huán)境作用下的產(chǎn)物，其形成條件與氣候環(huán)境、土層化學(xué)成分、地層水文地質(zhì)特性等相關(guān)；

鈣質(zhì)結(jié)核普遍存在于膨脹巖土體中，一般呈姜狀，具同心圓結(jié)構(gòu)，大小不一，最大直徑可達(dá)20cm，一般直徑3-8cm；一般來說，

若土體開挖發(fā)現(xiàn)有鈣質(zhì)結(jié)核必定為膨脹土，膨脹土中含鈣質(zhì)結(jié)核越多，膨脹性越強(qiáng)；有成層鈣質(zhì)結(jié)核分布的具中等膨脹性；土體中分布有零星的鈣質(zhì)結(jié)核一般具弱膨脹性；Q₂、Q₁中膨脹土一般分布有鈣質(zhì)結(jié)核及鈣質(zhì)結(jié)核層，Q₃一般含少量風(fēng)化鈣質(zhì)結(jié)核；若Q₃土體分布有原地鈣質(zhì)結(jié)核層者多為中等膨脹土；Q₂、Q₁第一層鈣質(zhì)結(jié)核層或富集層以上一般為弱膨脹土，第一層鈣質(zhì)結(jié)核層或富集層以下為中等膨脹土；地表不明時(shí)代地層一般少含鈣質(zhì)結(jié)核或不含，為弱膨脹土；

層內(nèi)鈣質(zhì)結(jié)核含量沒有的0-3分；層內(nèi)鈣質(zhì)結(jié)核含量零星3-4分；層內(nèi)鈣質(zhì)結(jié)核含量富集5-6分；在層內(nèi)鈣質(zhì)結(jié)核含量富集層下方6-8分；層內(nèi)鈣質(zhì)結(jié)核含量富集層上方3-5分；

(2.7)、開挖坡面及開挖渣料特征X₇；開挖坡面平整度好，無或極少有長(zhǎng)大裂隙面分布，開挖渣料松散且小于10cm比例超過70％，賦分0-4分；

開挖坡面存在有裂隙面構(gòu)成的凹坑，大和長(zhǎng)大裂隙較發(fā)育，開挖渣料小于10cm比例在50％左右，土塊堅(jiān)硬，賦分5-7分；

開挖坡面因大量裂隙而凹凸不平，開挖過程易出現(xiàn)塊體失穩(wěn)或小規(guī)模崩塌，土塊或硬塑或可塑狀，開挖渣料多數(shù)為裂隙切割而成的多面體，賦分8-10分；

(2.8)水文地質(zhì)特征(X₈)：弱膨脹土因含較多的粉粒，富水性和滲透性相對(duì)較強(qiáng)，工程開挖時(shí)通常在坡面上有地下水滲出，

在下部分布中、強(qiáng)膨脹土?xí)r，沿巖性界面形成帶狀滲水現(xiàn)象，因此在開挖邊坡線狀滲流點(diǎn)以上地層一般為弱膨脹土，在開挖邊坡線狀滲流點(diǎn)以下地層一般為中膨脹土；中、強(qiáng)膨脹土在渠道開挖過程中，往往只有零星的、局部的滲水現(xiàn)象，且滲水現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間較短；強(qiáng)膨脹土盡管富水性、滲透性差，但吸水性強(qiáng)，天然含水率明顯高于弱、中膨脹土；

開挖面呈面狀滲流，且地下水豐富，0-3分；開挖面呈線狀持續(xù)滲流，滲流點(diǎn)以上土體3-5分，開挖面呈線狀持續(xù)滲流，滲流點(diǎn)以下土體6-8分；開挖面見零星斑塊狀滲水現(xiàn)象，6-7分；開挖面見個(gè)別滲水點(diǎn)，土體含水率高，8-10分；

③、膨脹性判別模型建立：根據(jù)步驟②中宏觀指標(biāo)選取之后；建立膨脹性判別的半定量模型：Y＝AX₁+BX₂+CX₃+DX₄+EX₅+FX₆+GX₇+HX₈，

設(shè)定各因子取值0-10，其中當(dāng)Y＝0-2分，即為非膨脹土對(duì)應(yīng)，Y＝2-5分與弱膨脹土對(duì)應(yīng)，Y＝5-7分與中膨脹土對(duì)應(yīng)，Y＝7-10分與強(qiáng)膨脹土對(duì)應(yīng)；

④膨脹性等級(jí)判別：依據(jù)③建立的半定量模型和賦值方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)判別流程，綜合計(jì)算出Y值進(jìn)行土體膨脹性等級(jí)判別。當(dāng)Y<2時(shí)，判為非膨脹土；Y＝2-5分時(shí)，判為弱膨脹土；Y＝5-7分時(shí)，判為中膨脹土；Y>7分時(shí)，判為強(qiáng)膨脹土；

⑤、在步驟③進(jìn)行的同時(shí)，選取相同的試樣依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)按照《自由膨脹率試驗(yàn)》(SL237-024-1999)要求開展室內(nèi)驗(yàn)證性試驗(yàn)，得到試樣的膨脹土或巖的膨脹類別與室外的膨脹土的所在的分?jǐn)?shù)進(jìn)行比較，校準(zhǔn)。

在上述技術(shù)方案中：在所述的步驟④中，所述的現(xiàn)場(chǎng)判別流程如下：

①確定土體所屬地貌單元和地貌特征，按(2.1)評(píng)分方法賦分；

②判別地層時(shí)代、巖性，按(2.2)和(2.3)評(píng)分方法賦分；

③判定土體裂隙發(fā)育特征，描述記錄裂隙發(fā)育密度，產(chǎn)狀，長(zhǎng)度和裂隙面特征等，按(2.4)評(píng)分方法賦分；

④確定土體顏色，按(2.5)評(píng)分方法賦分；

⑤土體鈣質(zhì)結(jié)核含量、開挖面及渣料特征，按(2.6)和(2.7)評(píng)分方法賦分；

⑥水文地質(zhì)特征，描述記錄開挖面滲水情況，估測(cè)土體含水率，按(2.8)評(píng)分方法賦分；

在上述技術(shù)方案中：在步驟③中；A+B+C+D+E+F+G+H＝1。

本發(fā)明具有如下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：1、從工程地質(zhì)條件出發(fā)，將地貌單元、地層時(shí)代、巖性特征及土體的外觀特征(顏色、裂隙、糙度等)作為判別因子進(jìn)行宏觀判別，符合宏觀地質(zhì)因素控制論。

2、本發(fā)明方法簡(jiǎn)便實(shí)用，操作容易，快速準(zhǔn)確，特別適用于工程現(xiàn)場(chǎng)使用，對(duì)于膨脹土工程設(shè)計(jì)和施工具有十分重要的意義，解決了長(zhǎng)期以來無法在工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)土體膨脹性等級(jí)快速判別分類的一個(gè)技術(shù)難題。

3、工程應(yīng)用效果好，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

膨脹土具有失水收縮開裂、吸水膨脹軟化的特殊性，防止其破壞的有效方法是減少暴露時(shí)間，控制含水率基本穩(wěn)定不變。體現(xiàn)在工程措施上，就是在渠道開挖接近設(shè)計(jì)渠坡、渠底換填面時(shí)要快速開挖、快速覆蓋。這就要求施工時(shí)地質(zhì)人員能夠快速?gòu)?fù)核渠段膨脹土的膨脹等級(jí)，發(fā)現(xiàn)等級(jí)變化時(shí)，及時(shí)通知設(shè)計(jì)調(diào)整處理方案。

2011年下半年，發(fā)明人對(duì)南水北調(diào)中線工程全線典型膨脹巖土進(jìn)行了一次試驗(yàn)性快速判別，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢驗(yàn)，確定了分地區(qū)分別建立快速鑒別標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)思路。2012年，發(fā)明人分區(qū)提出了各自的快速鑒別標(biāo)準(zhǔn)和工作流程，并開始在工程建設(shè)中正式應(yīng)用。

(1)陶岔-沙河南渠段施工期膨脹巖土快速鑒別應(yīng)用

2012年，在南水北調(diào)中線工程渠道開挖過程中，發(fā)明人首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速判別，同時(shí)平行開展取樣和室內(nèi)試驗(yàn)，評(píng)價(jià)快速鑒別的精度及其穩(wěn)定性，經(jīng)檢驗(yàn)，準(zhǔn)確率達(dá)到90％左右。下半年現(xiàn)場(chǎng)施工地質(zhì)項(xiàng)目組依據(jù)本發(fā)明人提出的快速判別方法，開始大幅度減少取樣試驗(yàn)。2013年，快速鑒別方法開始正式作為施工地質(zhì)中復(fù)核巖土膨脹性的主要手段，對(duì)于能夠明確判別膨脹等級(jí)的巖土，不再取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。只有極個(gè)別部位，現(xiàn)場(chǎng)判別存在疑慮或分歧時(shí)，才取樣試驗(yàn)。

施工現(xiàn)場(chǎng)快速判別土體膨脹性技術(shù)的應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。①按南陽(yáng)境內(nèi)100m一個(gè)地質(zhì)窗口，每窗口10個(gè)樣估算，2012-2014年累計(jì)減少取樣試驗(yàn)約18000組，占比約80％，降低了施工地質(zhì)工作成本，大幅度提高了工作效率；②膨脹性判別時(shí)間由傳統(tǒng)的8小時(shí)縮短到半小時(shí)以內(nèi)，大幅度減少了施工地質(zhì)對(duì)渠道施工建設(shè)的影響，為膨脹土渠道快速開挖、快速封閉創(chuàng)造了條件；③快速鑒別技術(shù)為開挖邊坡欠穩(wěn)定地段的及時(shí)決策和處理提供了技術(shù)保障，為整個(gè)工程的按期竣工提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

(2)沙河-漳河段施工期膨脹巖土快速判別技術(shù)應(yīng)用

根據(jù)快速判別技術(shù)思路和本渠段巖土特點(diǎn)，2012年項(xiàng)目設(shè)計(jì)代表處施工地質(zhì)組依據(jù)本發(fā)明人提出的沙河-漳河段膨脹巖快速鑒別方法和技術(shù)指標(biāo)，開始在工程開挖施工地質(zhì)中應(yīng)用。在應(yīng)用初期，平行開展了現(xiàn)場(chǎng)判別和室內(nèi)試驗(yàn)，總體準(zhǔn)確率超過90％。2013年快速判別方法成為施工地質(zhì)工作中膨脹性復(fù)核的主要手段，只有少數(shù)存在疑慮的部位才取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。估算2012-2013年累計(jì)減少70％的取樣試驗(yàn)，大大縮短了膨脹性復(fù)核時(shí)間，大幅降低了施工地質(zhì)對(duì)施工的影響，為開挖面快速保護(hù)覆蓋創(chuàng)造了條件。

(3)河北境內(nèi)施工期膨脹巖土快速鑒別應(yīng)用

2012年土體膨脹性等級(jí)快速判別技術(shù)開始在工程中應(yīng)用。從現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證結(jié)果看，初期快速鑒別正確率在90％左右。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中土體膨脹性等級(jí)判別現(xiàn)場(chǎng)工作流程。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的的實(shí)施情況，但它們并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定，僅作舉例而已，同時(shí)通過說明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚和容易理解。

參照?qǐng)D1所示：一種宏觀的能夠在施工中判別土體膨脹性等級(jí)的方法，其特征在于：它包括如下具體步驟：

①、項(xiàng)目實(shí)施前準(zhǔn)備：在一個(gè)新工作區(qū)開展現(xiàn)場(chǎng)快速判別前，分別對(duì)各工區(qū)的宏觀特征與膨脹性的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行研究，開展地層巖性研究和工程地質(zhì)分段，選擇具代表性的試樣進(jìn)行自由膨脹率室內(nèi)試驗(yàn)，建立膨脹性與巖性、土體結(jié)構(gòu)、顏色、裂隙發(fā)育特征等之間的關(guān)系，并借助顆分、礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)研究，建立各宏觀指標(biāo)與膨脹性之間的內(nèi)在聯(lián)系或機(jī)理；

②、宏觀指標(biāo)選?。含F(xiàn)場(chǎng)試樣的選取和鑒定按照如下具體的明顯特征，依次進(jìn)行選取試樣和進(jìn)行評(píng)分；

(2.1)、地貌X₁：膨脹土地區(qū)的主要地貌形態(tài)為孤山、崗地、山前平原、河流一，二級(jí)階地、河床等；

從地形地貌上而言：分布在崗頂崗坡者一般為中膨脹土或巖，崗頂表層一般分布弱膨脹土，崗凹一般為弱膨脹土，大型河流兩側(cè)平原一般為弱膨脹土，河間地塊一般分布為中膨脹土；

下述為具體地貌的評(píng)分；崗頂7-8分；崗坡4-7分；崗坡腳3-5分；崗間凹地0-3分；河間地塊6-8分；沖積平原4-7分；平原前緣4-5分；平原后緣6-7分；II級(jí)階地2-4分，I級(jí)階地0-2分；在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，上述地貌單元選擇其中一類進(jìn)行賦分；

(2.2)、地層X₂；土體的膨脹性及膨脹等級(jí)與土體所處的時(shí)代及巖性有密切相關(guān)；在顆粒組成基本相同的情況下，不同時(shí)代土體膨脹性順序?yàn)镹>Q1>Q2>Q3>Q4，其中N代表新近系，Q為第四系；即地層越老，膨脹性越強(qiáng)；

下述為具體的賦分；Q₄ 0分；Q₃ 3-4分；Q₂ 6-7分；Q₁ 7-8分；地表殘坡積Q：3-5分；

(2.3)、巖性(X₃)：不同巖性的巖土體膨脹性順序?yàn)椋吼ね?gt;粉質(zhì)黏土>粉質(zhì)壤土>壤土>泥質(zhì)粉砂；

粉質(zhì)壤土0-3分；粉質(zhì)黏土4-6分；黏土7-10分；

(2.4)：大裂隙發(fā)育程度：土體的膨脹性越強(qiáng)，裂隙越發(fā)育，條數(shù)越多，土體的膨脹性越低，裂隙越低，條數(shù)越低；

盡管同一膨脹等級(jí)的膨脹巖土裂隙發(fā)育有差異，但隨著膨脹性增強(qiáng)，裂隙發(fā)育密度存在統(tǒng)計(jì)意義上的增大趨勢(shì)。

非膨脹土土體裂隙不發(fā)育或者條數(shù)越少；

弱膨脹土大裂隙不發(fā)育，灰白色黏土條帶較少，因?yàn)楹^多的粉粒，土體結(jié)構(gòu)相對(duì)松散，開挖面平整度好，開挖渣料粒度小，旱季開挖時(shí)很少出現(xiàn)大土塊；

中膨脹土體大裂隙和長(zhǎng)大裂隙發(fā)育，裂隙多呈光滑鏡面，裂隙面分布灰白色黏土，土體密實(shí)堅(jiān)硬，開挖面可見到較多的裂隙面，開挖渣料存在較多10-20cm的土塊；

強(qiáng)膨脹土裂隙極發(fā)育，裂隙面光滑，開挖坡面遍布裂隙面，開挖渣料主要呈扁形塊體，天然情況下含水量較高，呈硬可塑狀；

裂隙密度作為判斷的基本因子，長(zhǎng)大裂隙作為補(bǔ)充因子，總分不超過10分；

(X₄)：X₄＜0.4條/m²(或<1條/m)，0-3分；X₄＝0.4-1條/m²(或1-5條/m)，5-7分；X₄＞1條/m²(或>5條/m)，8-10分；長(zhǎng)大裂隙長(zhǎng)度＜5m時(shí)，評(píng)分總體上+0分；長(zhǎng)大裂隙長(zhǎng)度為5-10m時(shí)；評(píng)分總體上+1分；長(zhǎng)大裂隙長(zhǎng)度＞10m時(shí)；評(píng)分總體上+2分；

(2.5)、顏色X₅：棕黃色、姜黃色、桔黃色、紫紅色黏性土為中膨脹土，淺黃色、灰黃色、褐黃色、褐色為弱膨脹土，灰白色、灰綠色為中-強(qiáng)膨脹性，白色黏性土一般具強(qiáng)膨脹性；

Q₁為棕紅色、淺磚紅色4-6分；磚紅色、紫紅色7-9分；青灰色7-10分；

Q₂為灰褐色、黃褐色、灰色、棕紅色2-4分；黃色、姜黃色、棕黃色、褐黃色4-7；棕黃色夾青灰色或灰綠色6-8分；灰綠色或青灰色8-10分；

Q₃為淺黃色、土黃色、灰黃色0-3分；褐黃色、灰褐色3-5分；棕黃色夾灰綠色5-7分；

dlQ為第四系不明時(shí)代坡積物且顏色灰褐色、褐色、灰黃色時(shí)；賦分為2-4分；

(2.6)、鈣質(zhì)結(jié)核X₆；鈣質(zhì)結(jié)核是地層形成以后在大氣環(huán)境作用下的產(chǎn)物，其形成條件與氣候環(huán)境、土層化學(xué)成分、地層水文地質(zhì)特性等相關(guān)；

鈣質(zhì)結(jié)核普遍存在于膨脹巖土體中，一般呈姜狀，具同心圓結(jié)構(gòu)，大小不一，最大直徑可達(dá)20cm，一般直徑3-8cm；一般來說，

若土體開挖發(fā)現(xiàn)有鈣質(zhì)結(jié)核必定為膨脹土，膨脹土中含鈣質(zhì)結(jié)核越多，膨脹性越強(qiáng)；有成層鈣質(zhì)結(jié)核分布的具中等膨脹性；土體中分布有零星的鈣質(zhì)結(jié)核一般具弱膨脹性；Q₂、Q₁中膨脹土一般分布有鈣質(zhì)結(jié)核及鈣質(zhì)結(jié)核層，Q₃一般含少量風(fēng)化鈣質(zhì)結(jié)核；若Q₃土體分布有原地鈣質(zhì)結(jié)核層者多為中等膨脹土；Q₂、Q₁第一層鈣質(zhì)結(jié)核層或富集層以上一般為弱膨脹土，第一層鈣質(zhì)結(jié)核層或富集層以下為中等膨脹土；地表不明時(shí)代地層一般少含鈣質(zhì)結(jié)核或不含，為弱膨脹土；

層內(nèi)鈣質(zhì)結(jié)核含量沒有的0-3分；層內(nèi)鈣質(zhì)結(jié)核含量零星3-4分；層內(nèi)鈣質(zhì)結(jié)核含量富集5-6分；在層內(nèi)鈣質(zhì)結(jié)核含量富集層下方6-8分；層內(nèi)鈣質(zhì)結(jié)核含量富集層上方3-5分；

(2.7)、開挖坡面及開挖渣料特征X₇；裂隙發(fā)育的巖土，在邊坡開挖時(shí)，土體常沿裂隙面破壞，坡面多形成由光滑裂隙面相互交割組成的形態(tài)，坡面凹凸不平，局部有沿裂隙面滑出的楔形體，坡面多出現(xiàn)裂隙面；挖出的土體常可見到由裂隙切割而成的多面體，掰開任何一個(gè)土塊都可以看到光滑的裂隙面；各地雖然裂隙發(fā)育程度有差異，但在同一地區(qū)，受膨脹性及裂隙控制的開挖面形態(tài)差異仍然比較顯著；

開挖坡面平整度好，無或極少有長(zhǎng)大裂隙面分布，開挖渣料松散且小于10cm比例超過70％，賦分0-4分；

開挖坡面存在有裂隙面構(gòu)成的凹坑，大和長(zhǎng)大裂隙較發(fā)育，開挖渣料小于10cm比例在50％左右，土塊堅(jiān)硬，賦分5-7分；

開挖坡面因大量裂隙而凹凸不平，開挖過程易出現(xiàn)塊體失穩(wěn)或小規(guī)模崩塌，土塊或硬塑或可塑狀，開挖渣料多數(shù)為裂隙切割而成的多面體，賦分8-10分；

(2.8)水文地質(zhì)特征(X₈)：弱膨脹土因含較多的粉粒，富水性和滲透性相對(duì)較強(qiáng)，工程開挖時(shí)通常在坡面上有地下水滲出，

在下部分布中、強(qiáng)膨脹土?xí)r，沿巖性界面形成帶狀滲水現(xiàn)象，因此在開挖邊坡線狀滲流點(diǎn)以上地層一般為弱膨脹土，在開挖邊坡線狀滲流點(diǎn)以下地層一般為中膨脹土；中、強(qiáng)膨脹土在渠道開挖過程中，往往只有零星的、局部的滲水現(xiàn)象，且滲水現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間較短；強(qiáng)膨脹土盡管富水性、滲透性差，但吸水性強(qiáng)，天然含水率明顯高于弱、中膨脹土；

開挖面呈面狀滲流，且地下水豐富，0-3分；開挖面呈線狀持續(xù)滲流，滲流點(diǎn)以上土體3-5分，開挖面呈線狀持續(xù)滲流，滲流點(diǎn)以下土體6-8分；開挖面見零星斑塊狀滲水現(xiàn)象，6-7分；開挖面見個(gè)別滲水點(diǎn)，土體含水率高，8-10分；

③、膨脹性判別模型建立：根據(jù)步驟②中宏觀指標(biāo)選取之后；建立膨脹性判別的半定量模型：Y＝AX₁+BX₂+CX₃+DX₄+EX₅+FX₆+GX₇+HX₈，其中：A+B+C+D+E+F+G+H＝1。

設(shè)定各因子取值0-10，其中當(dāng)Y＝0-2分，即為非膨脹土對(duì)應(yīng)，Y＝2-5分與弱膨脹土對(duì)應(yīng)，Y＝5-7分與中膨脹土對(duì)應(yīng)，Y＝7-10分與強(qiáng)膨脹土對(duì)應(yīng)；

④膨脹性等級(jí)判別：依據(jù)③建立的半定量模型和賦值方法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)判別流程，綜合計(jì)算出Y值進(jìn)行土體膨脹性等級(jí)判別。當(dāng)Y<2時(shí)，判為非膨脹土；Y＝2-5分時(shí)，判為弱膨脹土；Y＝5-7分時(shí)，判為中膨脹土；Y>7分時(shí)，判為強(qiáng)膨脹土；

⑤、在步驟③進(jìn)行的同時(shí)，選取相同的試樣依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)按照《自由膨脹率試驗(yàn)》(SL237-024-1999)要求開展室內(nèi)驗(yàn)證性試驗(yàn)，得到試樣的膨脹土或巖的膨脹類別與室外的膨脹土的所在的分?jǐn)?shù)進(jìn)行比較，校準(zhǔn)。

所述的現(xiàn)場(chǎng)判別流程如下：①確定土體所屬地貌單元和地貌特征，按(2.1)評(píng)分方法賦分；

②判別地層時(shí)代、巖性，按(2.2)和(2.3)評(píng)分方法賦分；

③判定土體裂隙發(fā)育特征，描述記錄裂隙發(fā)育密度，產(chǎn)狀，長(zhǎng)度和裂隙面特征等，按(2.4)評(píng)分方法賦分；

④確定土體顏色，按(2.5)評(píng)分方法賦分；

⑤土體鈣質(zhì)結(jié)核含量、開挖面及渣料特征，按(2.6)和(2.7)評(píng)分方法賦分；

⑥水文地質(zhì)特征，描述記錄開挖面滲水情況，估測(cè)土體含水率，按(2.8)評(píng)分方法賦分；

下面具體結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的一些具體情況，使用本發(fā)明的方法進(jìn)行試驗(yàn)并與室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比；

本發(fā)明建立的方法如下：

a、項(xiàng)目實(shí)施前，選取該工區(qū)代表性的試樣進(jìn)行自由膨脹率室內(nèi)試驗(yàn)，建立膨脹性與巖性、土體結(jié)構(gòu)、顏色、裂隙發(fā)育特征等之間的關(guān)系，并借助顆分、礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)研究，建立各宏觀指標(biāo)與膨脹性之間的內(nèi)在聯(lián)系或機(jī)理，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速判別的準(zhǔn)確性和科學(xué)性；

b、選取土體膨脹性等級(jí)快速判別的宏觀控制指標(biāo)，開展控制指標(biāo)分類描述和研究；

c、建立土體膨脹性判別模型，確定各影響因子的權(quán)重，同時(shí)開展室內(nèi)驗(yàn)證性試驗(yàn)，提高模型的可靠度和試驗(yàn)的準(zhǔn)確性；

d、按照得到的土體膨脹性判別模型，現(xiàn)場(chǎng)開展該工區(qū)土體膨脹性等級(jí)快速判別工作。

陶岔-沙河南渠段施工期膨脹巖土快速鑒別工程應(yīng)用：

根據(jù)各指標(biāo)與土體膨脹性的內(nèi)在關(guān)系及其對(duì)渠道穩(wěn)定的意義，分析研究地貌、地層、巖性、裂隙、顏色、鈣質(zhì)結(jié)核、開挖面及渣料形態(tài)、水文地質(zhì)等8個(gè)宏觀指標(biāo)指標(biāo)，確定各影響因子的權(quán)重，同時(shí)開展室內(nèi)驗(yàn)證性試驗(yàn)，建立土體膨脹性快速判別模型Y＝0.1X₁+0.12X₂+0.15X₃+0.16X₄+0.14X₅+0.09X₆+0.11X₇+0.13X₈，提高模型的可靠度和試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

【實(shí)例1】淅川2標(biāo)Q₁土體判別

地貌：壟崗，賦分7

地層：Q₁，賦分7.5

巖性：粉質(zhì)黏土，賦分5

裂隙：4條/m，賦分6.5

顏色：磚紅色，賦分8

鈣質(zhì)結(jié)核：在結(jié)核富集層下方，賦分6

開挖特征：開挖面不平整，渣塊較多，賦分6

水文地質(zhì)：滲水點(diǎn)稀少，含水率高，賦分9

綜合得分6.88，位于5-7分的中膨脹土區(qū)間，且偏向強(qiáng)膨脹土。取相應(yīng)位置的3組土樣按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)規(guī)定的試驗(yàn)步驟開展同步室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)自由膨脹率70％-85％，根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB50112—2013)膨脹土的判別標(biāo)準(zhǔn)，為中等膨脹性?，F(xiàn)場(chǎng)快速判別結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)成果吻合。

【實(shí)例2】南陽(yáng)2標(biāo)樁號(hào)95+200馬道Q₂膨脹土判別

地貌：壟崗，賦分7

地層：Q₂，賦分6.5

巖性：粉質(zhì)黏土，賦分5

裂隙：2條/m，賦分5

顏色：黃褐色，賦分4

鈣質(zhì)結(jié)核：零星分布，賦分3

開挖特征：開挖坡面整體平整，偶爾凹凸，賦分4

水文地質(zhì)：斷續(xù)線狀，5

綜合得分4.95，位于2-5分的弱膨脹土區(qū)間，且偏向中膨脹土。取相應(yīng)位置的土樣按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)規(guī)定的試驗(yàn)步驟開展同步室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)自由膨脹率57％，根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB50112—2013)膨脹土的判別標(biāo)準(zhǔn)，為弱等膨脹性。現(xiàn)場(chǎng)快速判別結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)成果吻合。

【實(shí)例3】南陽(yáng)2標(biāo)樁號(hào)95+200渠底板Q₂膨脹土判別

地貌：壟崗，賦分7

地層：Q2，賦分6.5

巖性：黏土，賦分8.5

裂隙：9條/m，賦分10

顏色：青灰色，賦分9

鈣質(zhì)結(jié)核：在結(jié)核層下方，賦分6

開挖特征：開挖面凹凸不平，渣料呈塊狀，賦分10

水文地質(zhì)：無明顯滲流，土體呈硬塑-可塑狀，賦分9

綜合得分8.42，位于7-10分的強(qiáng)膨脹土區(qū)間。取相應(yīng)位置的土樣按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)規(guī)定的試驗(yàn)步驟開展同步室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)自由膨脹率95％，根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB50112—2013)膨脹土的判別標(biāo)準(zhǔn)，為強(qiáng)等膨脹性。現(xiàn)場(chǎng)快速判別結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)成果吻合。

上述未詳細(xì)說明的部分均為現(xiàn)有技術(shù)。