膨胀土的性质及改良.doc

膨胀土的性质及改良1 膨胀土及其工程性质 膨胀土是颗粒高分散、成分以黏土矿物为主、对环境的湿热变化敏感的高塑性黏土它是一种吸水膨胀软化、失水收缩干裂的特殊土，工程界称之为灾害性土它的重要特性是： （1）粒度构成粘粒（<2μm）含量不小于30%; （2）黏土矿物成分中，伊利石-蒙脱石等强亲水性矿物占主导地位； （3）土体湿度增高时，体积膨胀并形成膨胀压力；土体干燥失水时，体积收缩并形成收缩裂缝； （4）膨胀、收缩变形可随环境变化往复发生，导致土的强度衰弱； （5）属液限不小于40%的高塑性土； （6）属超固结性黏土膨胀土在世界范畴内分布极广，遍及六大洲国内是膨胀土分布最广的国家之一，先后有20多种省区发既有膨胀土近地表的浅层土不仅裂隙特别发育，并且对气候变化特别敏感，是一种典型的非均匀三相介质土质干湿效应明显，吸水时，土体膨胀、软化，强度下降；失水后土体收缩，随之产生裂隙膨胀土的这种收缩特性，当含水量变化时就会充足显示出来反复的胀缩导致了膨胀土土体的松散，并在其中形成许多不规则的裂隙，从而为膨胀土表面的进一步风化发明了条件裂隙的存在破坏了土体的整体性，减少了土体的强度，同步为雨水的侵入和土中水分的蒸发启动了以便之门，于是，天气的变化进一步导致了土中含水量的波动和胀缩现象的反复发生，这进一步导致了裂隙的扩展和向土层深部发展，使该部分土体的强度大为减少，形成风化层。

这种风化层的最大深度大体在气候的影响深度范畴内，一般在1.5—2.0m，最大深度可达4.0m膨胀土的应力历史和广义应力历史决定了膨胀土具有超固结性，沉积的膨胀土在历史上往往经受过上部土层侵蚀的作用形成超固结土膨胀土由于卸荷作用也能引起土体裂隙的发展，边坡的开挖，对土体产生了卸荷作用，这种卸荷对土中的隐蔽微裂隙膨胀土来说，必然会增进裂隙的张开和扩展，特别是在边坡底部的剪应力集中区域裂隙面的扩展更为严重，这些区域往往是滑动开始发生的部位卸荷裂隙的扩展与膨胀土的超固结特性密切有关膨胀土的这种胀缩性、裂隙性、超固结性是膨胀土的基本特性，一般称之为“三性”，正是由于“三性”复杂的共同作用，使得膨胀土的工程性质极差，而常常对各类工程建设导致巨大的危害在工程建设中，膨胀土作为建筑物的地基常会引起建筑物的开裂、倾斜的破坏；作为堤坝的建筑材料，也许在堤坝表面产生滑动；作为开挖介质时也许在开挖体边坡产生滑动失稳现象国内铁路部门在总结膨胀土地区修建铁路时，有“逢堑必滑，无堤不塌”的说法据估算，在八十年代此前，全世界每年因膨胀土导致的损失至少在50亿美元以上，中国每年因膨胀土导致的各类工程建筑物破坏的损失也在数亿元以上。

膨胀土对工程建设的危害往往具有多发性、反复性和长期潜在性膨胀土对公路工程的危害重要体目前如下两方面：1、 路基问题由于膨胀土具有很高的黏聚性，当含水量较大时，一经施工机械搅动，将粘结成塑性很高的巨大团块，很难晾干隧着水分的逐渐流失，土块的可塑性减少，由于黏聚性的继续作用，土块的力学强度逐渐增大，从而使土块坚硬，难于击碎、压实因此，如果含水量高的膨胀土直接用作路基填料，将会增长施工难度，延长工期，并且质量难以保证膨胀土路基遇雨水浸泡后，土体膨胀，轻者表面浮现10cm厚左右的蓬松层，重则在50—80cm深度范畴内形成“橡皮泥”；若在干燥季节，随着水分的散失，土体将严重干缩龟裂，其裂缝宽度约1-2cm，裂缝深度可达30-50cm,雨水可通过裂缝直接灌入土体深处，使土体膨胀湿软，从而丧失承载能力，且由于膨胀土具有极强的亲水性，土体愈干燥密实，膨胀量愈大，当膨胀受到约束时，土体中会产生膨胀力，当这种膨胀变形超过上部荷载或临界荷载时，路基出项严重的崩解，从而导致路基局部坍塌、隆起或裂缝归结起来，就是低强度和反复的胀缩变形形成危害路基的稳定和变形2、 边坡问题在膨胀土地区，无论是路堑或路堤，极其普遍而严重的边坡变形，都是其他土质路基中所罕见的。

膨胀土地区的公路线上，由于大气物理风化作用和湿胀干缩效应，边坡图块崩解，土体抗剪强度衰减，而导致边坡的溜塌、滑坡等变形病害现象十分突出，而常常使路基的坚实性和稳定性遭受破坏，导致路基失稳，影响形成安全膨胀土边坡变形和破坏常常具有反复性和长期潜在性的特点膨胀土地区路基工程的稳定性，已成为目前公路工程地质中一种不可忽视的重要课题，结合实际工程，研究膨胀土的工程特性，进而提出相应的工程措施与施工控制原则具有重要的理论意义和工程应用价值膨胀土的工程性质的重要特性如下：膨胀土的裂隙性多裂隙性是膨胀土的典型特性，多裂隙构成的裂隙构造体及软弱构造面产生了复杂的物理力学效应，大大减少了膨胀土的强度，导致膨胀土的工程地质性质恶化长期以来，膨胀土裂隙始终是人们的重点研究内容，但由于膨胀土裂隙演化的不拟定性和随机性，其研究进展缓慢，定量化限度低膨胀土中普遍发育的多种形态裂隙，按其成因可分为两类，即原生裂隙和次生裂隙，而次生裂隙可分为：风化裂隙、减荷斜坡裂隙和滑坡裂隙等原生裂隙具有隐蔽特性，多为闭合状的显微裂隙，需要借助光学显微镜或电子显微镜观测次生裂隙则有张开桩特性，多为宏观裂隙，肉眼下即可辨认次生裂隙一般又多由原生裂隙发育发展而成，因此，次生裂隙常具有继承性质。

膨胀土中的垂直裂隙，一般是由于构造力与土的胀缩效应产生的张力应变形成，水平裂隙大多由沉积间断与胀缩效应所形成的水平应力差而形成裂隙面上黏土颗粒具有高度定向性，常用有镜面擦痕，显烛状光泽裂隙面大多有灰白色黏土，薄膜成条带，富水软化，使土的裂隙构造具有比较复杂的物理化学和力学特性，严重影响和制约着膨胀土的工程特性膨胀土中普遍存在2～3组以上的裂隙，形成多种各样的裂隙构造体一般而言，从裂隙组合的形状看，膨胀土中的裂隙在平面上都体现为不规则的网状多边形裂隙特性及裂隙分岔现象网格状多边形裂隙在膨胀土中分布最广，类型将膨胀土体切割成一定几何形态的块体，例如棱柱体、短柱体、鳞片状及块状等，可将土体层层分割，使膨胀土具有不持续特性此类裂隙存在多种规模和间距，并且同级别的裂隙一般近似体现出等间距的形式事实上，自然地质环境中的膨胀土裂隙具有随机分形特性，大都由不同规模和间距的网状裂隙构成，形成一系列大小不一致的多边形块体，虽然看起来杂乱无章，但具有记录意义上的自相似性膨胀土的风华作用强烈，胀缩作用频繁，加剧了膨胀土裂隙的变形和发展，使土中原生裂隙逐渐显露张开，并不断加宽加深，由于地质作用的不均匀性，膨胀土裂隙常常产生分岔现象。

膨胀土裂隙的存在，破坏了膨胀土的均一性和持续性，导致膨胀土的抗剪强度产生各向异性特性，且易在浅层或局部或局部形成应力集中分布区，产生一定深度的强度软弱带膨胀土的多裂隙构造，一方面切割土体产生机械破碎，同步，在原先裂隙的基本上又发育了风化裂隙，这就加剧了土体的破碎与破坏限度，使膨胀土具有了物理风化与化学风华的天然破碎条件裂隙的发育为水的渗入与蒸发发明了良好通道，增进了水在土中的循环，一方面加剧了土体的干缩湿胀效应，引起土体的变形和破碎；另一方面，有限的液溶进一步促使化学风华的进行，有助于土体中伊利石和蒙脱石的形成这种后期的化学风华作用在裂隙构造面上体现最为活跃，其重要标志是在膨胀土中的裂隙面上，普遍发育有灰白色次生蒙脱石黏土条带或薄膜，有的富集呈块显然，这使膨胀土的亲水性大大增强，常表目前裂隙面上灰白黏土的吸水性要比两侧土体高的诸多，膨胀性欲崩解性也同样增强，这对于土体的稳定性是十分不利的膨胀土中多种特定形态的裂隙，是在一定的成土过程和风化作用下形成的，产生裂隙的因素重要是由于膨胀土的胀缩特性，即吸水膨胀失水干缩，往复周期变化，导致膨胀土土体构造松散，形成许多不规则的裂隙裂隙的发育又为膨胀土表层的进一步风化发明条件，同步，裂隙又成为雨水进入土体的通道，含水量的波动变化反复胀缩，从而又导致裂隙的发展。

此外，膨胀土的裂隙发育限度，除受膨胀土的物质构成和成土条件控制外，还与开挖土体的时间和气候条件密切有关，卸荷（或开挖）土体中的应力状态发生变化也产生裂隙，或促使裂隙的张开和发展膨胀土的胀缩性从土质学观点，膨胀土由于具有亲水性，只要与水互相作用，都具有增大其体积的能力，土体湿度也同步随之增长膨胀土吸水体积增大而产生膨胀，可使建筑在土基上的道路或其她建筑物产生隆起等变形破坏如果土体在吸水膨胀时受到外部约束的限制，制止其膨胀，此时则在土中产生一种内应力，即为膨胀力或称膨胀压力与土体吸水膨胀相反，倘若土体失水，其体积随之减小而产生收缩，并随着土中浮现裂隙膨胀土体收缩同样可导致其土基的下沉及道路的开裂等变形破坏十分清晰，由于膨胀土-水体系中水介质的变化而引起土中内应力的变化，从而导致土体积的膨胀与收缩如果只有膨胀土的存在，而没有水介质参与互相作用，或土中含水量保持恒定，不发生水分的迁移变化时，所谓土的膨胀与收缩都将不也许显示有的虽然在膨胀土-水体系中浮现含水量增长的现象，如若土中产生的膨胀力不能突破外部荷载的阻抗，同样也不也许见到有土体积膨胀的现象发生然而，此时在土体内部确是积储了相称的膨胀潜势，一旦膨胀力突破外部阻抗或外部荷载在某种条件下被解除，土体则即刻显示去强烈的膨胀。

同样，在膨胀土-水体系中，如果含水量以及小到一定限度，即土体已处在比较干燥的状态，此时含水量虽然再继续减小，其土体积的收缩也将是很单薄的饿，然而，一旦吸水则膨胀力十分惊人由此可见，膨胀土的膨胀与收缩变形的产生，事实上是土中水分的得失而引起的土体积的变化但是，膨胀土中的水分得失变化是一种相称复杂的物理-化学-力学效应作用的过程它除了取决膨胀土自身的物质构成与喂构造特性，同步，还与膨胀土所处环境条件有密切关系地表水与地下水的动态变化可引起土中水分的变化，气候（大气降雨、蒸发、温度）的变化可促使土中水分的迁移、变化，水的渗漏可导致土中水分增长，热力传导可促使土中水分散失，这些都将直接引起膨胀土收缩变形的产生膨胀土的黏土矿物成分中具有较多的蒙脱石、伊利石和多水高岭石，此类矿物具有较强的与水结合的能力，吸水膨胀、失水收缩，并具有膨胀-收缩-再膨胀的往复胀缩特性，特别是蒙脱石含量直接决定其膨胀性能的大小，因此，黏土矿物的构成、含量及排列构造是膨胀土产生膨胀的首要物质基本，极性分子或电解质液体的渗入是膨胀土产生膨胀的外部作用条件膨胀土的胀缩问题亦是黏土矿物与极性水构成的两相介质体系内部所发生的物理-化学-力学作用问题。

膨胀土的膨胀性能与其矿物成分、构造连结类型及强度、密实度等密切有关胶结连结有克制膨胀的作用，胶结强度越高，越不利于膨胀的发生和发展构造的疏密限度也影响膨胀量得大小在力的作用下产生的扩容膨胀效应则在于扩容变化了膨胀岩土的构造连结和密实限度，从而使膨胀量发生变化扩容膨胀效应随力学作用限度不同而各异当力学作用未使膨胀岩土的胶接连结发生大的变化，则扩容后的膨胀效应不明显，膨胀以物化作用为主当力学作用破坏了部分原始胶结连结时，膨胀克制力有所削弱，膨胀势得以充足发挥，从而增进物化作用膨胀进一步发展膨胀土的抗剪强度特性抗剪强度特性既是土体抗剪切破坏能力的表征，同步也是验算路基边坡稳定性能的重要参数其取值受膨胀土胀缩级别、含水量、土覆压力、填筑条件等的影响，其中含水量是重要影响因素其变化规律是：土体胀缩级别越高，φ值减少时C值变化不大；土体含水量变小，抗剪强度增大；上覆压力增大，C、φ的值均增大；填筑土体干容量越大，抗剪强度越高，土体含水量越大，抗剪强度越低但击实土在膨胀后，C、φ的最大值却出目前最佳含水量击实到最大干重量的时候膨胀土的风化特性膨胀土路基长期暴露在大气环境中，特别受环境水分变化的影响，极易在表层部分破碎泥化，形成表面松散层，强度减少。

大气环境对膨胀土的风化作用随土层深度的增长而削弱可通过度析土体内。