中国膨胀土的分布及其研究现状综述 - 图文(4)

的指标，采用数学手段，通过回归分析，建立判别与分类函数是一种有前途的分类方法，但由于所用数据的局限性，这种分类方法有一定的区域性，不易推广。

利用模糊数学、灰关联分析方法[25-26]进行多指标联合分析也是一种有前途的分类方法，但其可靠性有赖于判别指标选取的合理性。

《铁路工程地质膨胀土勘测规则》(TB 10042-1995)分类法选择了反映膨胀土矿物成分的指标－蒙脱石含量与阳离子交换量对膨胀土进行判别与分类，具有较强的针对性，但该方法只关注了矿物成分，而忽视了微结构的影响，且蒙脱石含量和阳离子交换量测试条件要求高，一般试验人员难以掌握，难以推广。

以上分类方法均在程度上反映了膨胀土的一些特性，且有的已经在工程中得到成功的应用，然而，要建立一种更具广泛适用性、更客观的判别方法还有相当的路要走。

5 膨胀土的工程性质

膨胀土是颗粒高分散、成分以粘土矿物为主、在环境湿度影响下可产生强烈胀缩变形的高塑性粘土。其吸水膨胀软化、失水收缩干裂的特性给工程设计和施工带来巨大影响，处理不当将对工程建筑如房屋地基、路基、边坡等带来严重的安全隐患。因而理清膨胀土的工程性质，对于膨胀土地区的工程建设具有重大意义。 5.1 膨胀与收缩性[27-30]

膨胀土是一种特殊的粘性土，主要是由基性火成岩、中酸性火山岩以及不同时代的粘土岩、泥岩、页岩风化形成的具有胀缩性裂隙性、和超固结性的高塑性特殊土，具有特殊的工程特性。膨胀土在天然状态下强度很高，当含水率变化时，其力学性质发生显著的变化，遇水膨胀、失水收缩，表现出明显的胀缩性。这种不良性质给大量工程造成了巨大损失，如铁路、公路、渠道边坡、路面等会因此受到严重危害；在地下工程中，因围岩膨胀导致底鼓破坏、围岩失稳引起工程事故；膨胀土地基的胀缩导致建筑物基础升降、建筑物及地坪开裂变形、甚至破坏等。 5.1.1 胀缩机理[31]

吸水膨胀，失水收缩，这是膨胀土的典型性质。可以认为，膨胀土胀缩变形，实际上是土中水分的得失而引起土体体积的变化。在膨胀土的胀缩机理研究方面，主要可以归纳为三类：第一类是膨胀土的矿物学理论，认为膨胀土的膨胀性取决于矿物成分及其结构以及颗粒表面的阳离子交换成分等，如晶格扩张理论；第二类是膨胀土的物理化学理论，认为膨胀土膨胀的主要原因是在土-水体系中土颗粒表面产生了复杂的物理化学作用的，主要有双电层理论、渗透理论等；第三类是膨胀土的物理力学理论，认为膨胀土的膨胀是在一定外力作用下由膨胀土与水相互作用产生的物理力学效应引起的，如有效应力理论、毛细管理论、表面张力理论、土吸力理论、热渗理论和弹性弯曲理论等。其中具有代表性的是晶格扩张理论、双电层理论和土吸力理论。

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晶格扩张理论没有考虑黏土颗粒间及聚集体间吸附结合水的作用，双电层理论基于黏土颗粒表面双电层中的结合水膜厚度变化来解释黏土有胀缩现象的，吸力理论认为膨胀土在没有承受压力或承受压力很小时会产生土吸力。由于土吸力的存在，土体会吸收水分、产生土体体积增大的现象。 5.1.2 膨胀与收缩的测试指标

通常用一些土的测试指标来反映膨胀土的膨胀与收缩特性，主要包括自由膨胀率、膨胀量（包括无荷载与有荷载）、膨胀力、胀限（含水量）；体缩率、线缩率、收缩系数、缩限（含水量）等。

（1）自由膨胀率[1]

自由膨胀率FS：指膨胀土经过粉碎风干后的一定体积的松散土粒，在纯水中经自由膨胀充分后体积增量与初始体积之比，如式4.1，结果以百分数表示。

FS?VW?V0?100% (4.1) V0这一指标能在一定程度上反映组成土的粘土矿物成分、粒度成分、化学成分等基本特征。试验操作简单易行，目前用这一指标作为膨胀土初步定性判别。

（2）无荷载膨胀量

指一定体积的原状土或击实，在侧向限制但无荷载条件下，吸水膨胀后试样体积增量与初始土体体积之比，以百分数表示，称为体膨胀量VV（见式4.2），也有以线膨胀量VH（见式4.3）表示的，代表吸水后高度增量与初始高度比。

VV?V?V0?100% (4.2) V0式中：V0初始试样体积，V膨胀稳定后的体积，单位cm3.

VH?H?H0?100% (4.3) H0式中：H0初始试样高度，H膨胀稳定后高度，单位cm.

以上两个指标是反映试样无荷载条件下的自由膨胀程度，对于衡量家膨胀土的膨胀潜势，是一个比较理想的判断指标。然而实际工程中，土体均有一定荷载作用，土体自重和上部建筑部、构筑物的荷载，膨胀是有荷载限制的，因而这个指标还不够。

（3）有荷载膨胀量（VHP）

指原状或击实土试样，在有侧限有上部荷载情况下膨胀能力。这个指标真实地模拟了土在实际工程中的工况，显示了荷载与膨胀之间的密切相关性，在工程上有重要的意义。

（4）膨胀力（PP）

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指膨胀土在吸水膨胀过程中产生的内应力，如式（4.4）

PP?100GA(kPa) (4.4)

式中：A试样面积,单位cm2，G膨胀稳定时试样承受的平衡压力，单位N.

工程设计时，测定膨胀土的膨胀力可为工程设计提供重要的参考，在基础建筑中，采用足够的上覆荷载来有效地限制膨胀土地基的变形，在地下工程情况下，选择合适的支撑来有效地控制围岩的变形。

（5）胀限（?H）

指土吸水膨胀稳定后的最大含水量，一般称为胀限含水量，在一定程度上反映膨胀土的吸水能力。

（6）体收缩率和线收缩量

以上五个指标是反映膨胀性的指标，类似的，体收缩率和线收缩率是反映收缩性的指标。体收缩率指在室温不高于30℃的情况下，失水收缩量的百分比。线收缩率反映的是收缩稳定后高度缩减量的百分比。

（7）收缩系数和缩限

图5.1为原状土的收缩特性曲线。收缩系数是指试样在水分蒸发产生收缩的第一阶段内，图中直线段，含水量没减少1%时的线收缩率，即该段的斜率。这个指标能很好地反映膨胀土的收缩性能，同时反映了收缩变形与含水量变化的关系，在地基沉降计算中，收缩系数往往是一个定量计算的指标。缩限与胀限对应，指收缩稳定后的最低含水量。

图5.1 原状土收缩特性曲线

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5.1.3 影响胀缩变形的因素

膨胀岩土的膨胀性能与其矿物成分、含量、密实度、结构连结类型及强度等紧密相关。这是膨胀变形的物质基础也是内因。而气候条件的改变引起土体含水量的变化造成土体的膨胀与收缩，或边坡开挖等卸荷作用引起膨胀土上覆压力减小造成膨胀，是外部触发因素。即膨胀土的胀缩变形是粘土——水相互耦合作用的结果。根据膨胀土的胀缩机理，可以将其胀缩变形的因素归纳成以下几点。

（1）土的矿物成分、化学成分和土的微结构

膨胀土的矿物成分和化学成分是膨胀土胀缩性的物质基础，是根本原因。主要是蒙脱石、伊利石等亲水性的粘土矿物含量影响着土体的胀缩性能。蒙脱石的矿物含量在5%能影响土体的工程性质，超过20%，则控制着土体的工程性质。伊利石的亲水性略低于蒙脱石，同样对土的胀缩性能产生很大的影响。除蒙脱石、伊利石等粘土矿物的含量外，土的微结构也影响着土的胀缩性。若聚集体以面-面叠聚为主，排列有序，定向度高，则土的胀缩性越强。 （2）土的密度

土的膨胀与收缩是由土的体积变化来反映的。实验证明，土的体积变化与土颗粒间孔隙变化有一定关系。控制相同数量的粘土矿物，当其在同样的天然含水率条件下浸水时，孔隙比越小的土，膨胀愈强烈，收缩愈小；相反，孔隙比越大的土，膨胀愈小，收缩愈大：而孔隙比处于中间值时，土的胀缩变形都较大。因此，一般条件下膨胀土的天然孔隙比对其胀缩变形有重要的影响。 （3）土的初始湿度

试验资料表明，土的膨胀是由于土中水分增加，使土粒外围结合水膜厚度增加，从而使颗粒间距离增大的结果。显然，膨胀率与土的吸水能力有关，而收缩率则与土的失水量有关。因此，对同类膨胀土而言，其初始含水率越小，膨胀量和膨胀力愈大，收缩量则越小；反之土的初始含水率越大，相应的膨胀量与膨胀力越小，收缩量越大。当土的初始含水量小道缩限状态时，失水收缩将达到最大收缩量，成为极限收缩量。同样的，有极限膨胀量、膨胀力，与极限收缩量一起，是膨胀土的特征值，对于评价膨胀土的膨胀潜势具有重要意义。 （4）土的结构强度

土的结构强度能承受胀缩变形，即结构强度越大的土，抵制胀缩变形的能力也越大，这主要与膨胀土的结核有关。例如，云南地区的胀缩土在很大程度上保留了最初成岩过程中积存下来的铁锰成分，并在充分氧化的条件下形成了高价铁锰胶体或重结晶的氧化物，这种物质加强了土的结构强度，所以这种土尽管它是出亲水性较强的矿物伊利石、蒙脱石所组成的且粘粒含量很高(一般达45％)，其液限和自由膨胀量比各区都高得多但是浸水后所测得的膨胀性指标数值并不很大，主要原因就是它的结构强度大，抑制了其变形。 （5）气候条件

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气候条件对膨胀土胀缩性的影响是很明显的。主要指自然界的温度、湿度、蒸发、降雨等因素的变化，给膨胀土的含水量带来变化，从而引起膨胀土胀缩变形。因而，气候条件是膨胀土地区工程设计、施工要重点考虑的因素，尤其是反常气候常发地区。比如土体长久经过干旱开裂，突然持续降雨，土体吸水膨胀软化，将给建筑物带来巨大的损失甚至灾难性的破坏。

内因是膨胀土胀缩性的决定因素,而膨胀土胀缩性的发挥，则受外因的影响和制约。环境条件的影响程度最终又以能否阻止或抑制土体中水分转移及转移量的大小来衡量。因此对膨胀土的有关研究实际上是对土和土中水的共同研究（龚文惠）。 5.2 多裂隙性

多裂隙性是膨胀土的又一典型的工程特性，同样是需要工程设计和施工重点考量的。膨胀土胀缩变形，引起裂隙普遍发育，形成多裂隙结构体。其裂隙实际上是成土形成过程中各种自然地质营力作用所形成的结果，包括陈沉积、压密、风化、膨胀、收缩效应等，裂隙根据成因可分成原生裂隙和次生裂隙。原生裂隙为闭合状的微小结构，次生裂隙包括风化裂隙、减荷裂隙、滑坡裂隙等。次生裂隙则具有张开状特征，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，所以，次生裂隙常具有继承性质。

膨胀土中各种存在形态的裂隙，形成于成土过程及风化作用。产生裂隙的原因主要是由于膨胀土吸水膨胀失水收缩的涨缩特性，随着膨胀土干湿循环的周期变化，导致膨胀土内部形成许多不规则的裂隙，土体结构变得松散。然而裂隙的产生又为表层膨胀土的进一步风化创造了条件，同时，裂隙的存在使得雨水进入土体内部更加方便，土体内部的含水量随着雨水的进入与蒸发而波动，膨胀土也随着含水量的变化膨胀收缩，进一步促进了裂隙的扩张。另外，膨胀土的裂隙发育程度，除受膨胀土的物质组成和与含水量变化以外，还与开挖土体的时间和气候条件密切相关，土体中的应力状态发生变化也能产生裂隙，或促进原有裂隙的扩展。

膨胀土裂隙发育，其中有复杂的软弱结构面和裂隙结构面，在很大程度上降低了膨胀土的强度，膨胀土中裂隙的大量存在，破坏了它的连续性和均一性，使得膨胀土的工程性质变得复杂而且对工程建设产生不良影响，工程中要特别注意。 5.3 超固结性

超固结性与上文提到的胀缩性和多裂隙性被称为是膨胀土的“三性”。超固结性通常是由于上覆土层的侵蚀而形成的，也有因次固结作用形成的或胶结物质的陈化形成的拟似超固结作用。

组成膨胀土的颗粒在沉积过程中，在重力作用下逐渐堆积，土体将随着堆积物的加厚产生固结压密。但是，由于自然地质作用的复杂性，在自然界的沉积作用中，不一定都是处于持续的堆积加载过程，而是常常因地质作用而发生卸载作用。上部卸荷作用包括流水剥蚀卸

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