膨胀土的特性.docx

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1、1.1 膨胀土的概念膨胀土是一种吸水膨胀、失水收缩开裂的特种黏性土。其矿物成分以强亲水性矿物蒙脱石和伊利石为主。在自然条件下，多呈硬塑或坚硬状态,裂隙较发育，常见光滑和擦痕，裂缝随气候变化张开和闭合，并具有反复胀缩的特性；多出露于二级及二级以上的阶地，山前丘陵和盆地边缘，地形坡度平缓，无明显自然陡坎。1.2 膨胀土的分布膨胀土在我们我国分布范围较广，分布于我们我国广西、云南、四川、陕西、贵州、广东、江苏、黑龙江和湖南等20多个省（区）的180多个市、县，总面积在10万k?以上。从地理位置来看，我们我国膨胀土主要集中分布在珠江、长江中下游、黄河中下游以及淮河、海河流域的广阔平原、盆地、河谷阶段、

2、河间地块以及平缓丘陵地带。常呈地毯式大面积掩盖于地表或地表下浅层，与路基建设关系极为亲密。1.3 问题的提出膨胀土始终是困扰大路建设的重大工程问题。膨胀土遇水膨胀、失水收缩的变形特性及其边坡浸水强度衰减特性在膨胀土地区的大路建设中起到极大的破坏作用，并且构成的破坏是不易修复的。近年来，我们我国岩土工程界在膨胀土微观结构特征及其工程性质的讨论中取得了丰硕的成果，对膨胀土产生工程病害的缘由赐予科学的解释，并提出很多切实可行的处理方法。随着我们我国高速大路建设的进展，很多大路路线不行避开会通过膨胀土地区。因此，解决膨胀土地区路基失稳破坏等现象成为了一个刻不容缓的问题。1.4 膨胀土国内外讨论现状国外

3、对膨胀土的讨论开头于上世纪三十年月，讨论开展的时间较长。上世纪四五十年月，随着一些新兴我国的进展，工程建筑事业的突飞猛进，随之而来的膨胀土对结构物的损坏现象普遍增多，于是人们开头对膨胀土所造成的工程破坏现象进行初步分析，然后加以处理。之后人们开头对膨胀土的特性规律，病害缘由、工程措施等作系统的理论与实践讨论。六十年月以来，膨胀土讨论受到生产实践的广泛重视而快速进展，而且从一个我国或地区的讨论渐渐进展成为世界性的共同课题。目前已召开过七次国际膨胀土讨论和工程会议（第一届，1965年美国得克萨斯；其次届，1969年美国得克萨斯；第三届，1973年以色列海法；第四届，1980年美国科罗拉多；第五届，

4、1984年澳大利亚；第六届，1987年印度新德里；第七届，1992年美国得克萨斯），很多我国都制定了膨胀土地区建筑的法律规范和文件，使工程界对膨胀土有了深刻的熟悉，对膨胀土的概念和分析方法，膨胀土野外现场讨论和环境影响，膨胀土地基处理以及膨胀土上基础的特地设计和施工方法等问题，进行了深化地讨论。随着土力学的进展，特殊是FredlundD.G理论为代表的非饱和土理论提出来并较完善的形成一套理论体系以后，人们用它解释了很多膨胀土现象，揭示了一些规律。同黄土、残积土一样膨胀土是一种典型的非饱和土，膨胀土讨论被归入非饱和土讨论领域，因此在第七届膨胀土国际会议以后，不再单独有膨胀土国际会议，取而代之的是

5、国际非饱和土会议，目前已经召开了两届，其次届国际非饱和土会议于1998年8月在北京召开，这次会议是由中国土木工程学会与国际土力学及岩土工程协会（国际土协）联合召开，并由中国土木工程学会土力学及岩土工程分会和国防土协非饱和土特地技术委员会共同承办。此次会议标志着非饱和土理论讨论已达到了一个新的高度。2.1.1胀缩性膨胀土吸水体积膨胀，使其上建筑物隆起，如膨胀受阻即产生膨胀力；失水体积收缩，造成土体开裂，并使其建筑物下沉。膨胀土在缩陷与液限含水率的收缩量与膨胀土，称为极限胀缩潜势。土中有效蒙脱石含量越多，胀缩潜势越大,膨胀力越大。的初始含水率越低，膨胀量与膨胀力越大。影响膨胀土涨缩性的因素有矿物成

6、分、颗粒组成、初始含水量、压实度及附加荷重等。其中除了矿物成分和颗粒组成的内因因素影响外，初始含水量、压实度及附加荷重的外因因素影响也很大。击实土的膨胀性远比原状土大,密实度越高,膨胀量与膨胀力越大，这是在膨胀土路基设计中特殊值得留意的问题。2.1.2崩解性膨胀土浸水后体积膨胀，在无侧限条件下发生吸水湿化。不同类型的膨胀土其崩解性是不一样的，强膨胀土浸入水中后，几分钟内很快就完全崩解；弱膨胀土浸入水中后，则需经过较长时间才能逐步崩解，且有的崩解不完全。此外，膨胀土的崩解特性还与试样的起始湿度有关，一般干燥土试样崩解快速且较完全,潮湿土试样崩解缓慢且不完全。2.1.3多裂隙性膨胀土中的裂隙，可分

7、垂直裂隙、水平裂隙与斜交裂隙三种类型。这些裂隙将土体分割成具有肯定几何形态的块体，如棱块状、短柱状等，破坏了土体的完整性。裂隙面光滑有擦痕，且大多充填有灰白或灰绿色黏土薄膜、条状或斑块,其矿物成分主要为蒙脱石，有很强的亲水性，具有软化土体强度的显著特性。膨胀土路基边坡的破坏，大多与土中裂隙有关，且滑动面的形成主要受裂隙脆弱结构面所掌握。2.1.4超固结性膨胀土大多具有超固结性，自然孔隙比较小，干密度较大，初始结构强度较高。超固结膨胀土路基开挖后，将产生土体超固结应力释放，边坡与路基面消失卸载膨胀，并常在坡脚形成应力集中区和较大的塑性区，使边坡简洁破坏。2.1.5强度衰减性膨胀土的抗剪强度为经典

8、的变动强度，具有峰值强度极高、残余强度极低的特性。由于膨胀土的超固结性，其初期强度极高，一般现场开挖都很困难。然而，由于土中蒙脱石矿物的强亲水性以及多裂隙结构，随着土受胀缩效应和风化作用的时间增加，抗剪强度将大幅度衰减。强度衰减的幅度和速度，除与土的物质组成。土的结构和状态有关外，还与风化作用特殊是胀缩效应的强弱有关。这一衰减过程有的是急剧的，但也有的比较缓慢。因而，有的膨胀土边坡开挖后，很快就消失滑动变形破坏；有的边坡则要几年，乃至几十年后才发生滑动。在大气风化作用带以内，由于土体湿胀干缩效应显著，抗剪强度变化比较大，经过多次湿胀干缩循环以后，粘聚力大幅度下降，而内摩擦角则变化不大。一般干湿

9、反复循环2-3次以后强度即趋于稳定。2. 1.6风化特性膨胀土受气候因素影响，极易产生风化破坏作用。路基开挖后，土体在风化作用下，很快会产生碎裂、剥落和泥化等现象，使土体结构破坏，强度降低。按其风化程度，一般将膨胀土划分为强、中、弱三层。强风化层，位于地表或边坡表层，受大气作用与生物作用剧烈，干湿效应显著，土体碎裂多呈砂砾与细小鳞片状，结构连结完全丢失，厚度约为1.0m1.5m；微风化层，位于弱风化层下，大气与生物作用已明显减弱，干湿效应亦不显著，土体基本保持有规章的原始结构形体，多呈棱块状、短柱状等块体厚度为l0m左右。弱风化层，位于地表浅层，大气与生物作用已明显减弱，但仍较剧烈，干湿效应也

10、较明显，土体割裂多呈碎块状，结构连结大部分丢失，厚度约为1.0m1.5m。2.2 膨胀土的路基病害膨胀土是在自然地质过程中形成的一种多裂缝并具有显著膨胀特性的土体,由于前述的不良工程性质，在工程界被认为是隐蔽的地质灾难，对工程结构具有严峻的破坏作用。特殊是对高等级大路路基工程和大型结构物所产生的变形破坏作用，往往具有长期、潜在的危急，由于对膨胀土膨胀力量估量不足而造成大路病害的损失是相当惊人的。膨胀土地区的大路发生的病害主要有以下几个方面：1 .沉陷变形。膨胀土初期结构强度较高，施工时不易粉碎及压实，路堤建成后由于大气物理风化作用和湿胀干缩效应，土块崩解，在路面和路堤自重及汽车荷载作用下，路堤

11、易产生不匀称下沉，路堤愈高，沉陷量愈大严峻时可使路面变形破坏。2 .滑坡。滑坡具有弧形外貌，有明显的滑床，滑床后壁陡直，前缘平缓，主要受裂隙掌握。滑坡多呈牵引式消失，具叠瓦状，成群发生。一般滑体厚为l3m,多数小于6m。滑坡与大气风化作用层深度、土的类型、土体结构较亲密，而与边坡的高度无明显关系。3溜塌。边坡表层、强风化层内的土体吸水过饱，在重力与渗透压力的作用下，沿坡面对下产生流塑状溜塌。溜塌多发生在雨季，与边坡坡度无关。4 .纵裂。路肩部常因机械碾压不到，填土达不到要求的密实度,后期沉降量相对较大,加之路肩临空，对大气风化作用特殊敏感，干湿交替频繁，肩部土体收缩远大于堤身，故在路肩上常发生

12、顺路线方向的开裂，形成数十米至上百米的张开裂缝,缝宽约24m,大多距路肩外缘0.51.0m05 .坍肩。路堤肩部土体压实不够，又处于两面临空部位，易受风化作用影响而导致强度衰减。当有雨水渗入时，特殊是当有路肩纵向裂缝消失时，在汽车动荷载作用下，很简洁发生路肩坍塌。塌壁高多在1.0m以内，严峻者可大于1.0m,常发生在雨季。2.3 膨胀土路基常用处理方式换填即将膨胀土换成工程性质较好的土质，换填深度应依据膨胀土胀缩性的强弱和当地的气候条件确定。换土是膨胀土路基处理方法中最简洁有效的方法。在肯定深度以下的膨胀土含水量基本不受外界气候的影响，该深度称之为临界深度，该含水量称之为该膨胀土在该地区的临界

13、含水量。由于各地的气候不同，各地膨胀土的临界深度和临界含水量也有所不同，换土深度要考虑受地面降水的影响而使土体含水量急剧变化的深度，基本上在l2m,即强膨胀土为2m,中弱膨胀士为l1.5m,详细换土深度要依据调查后的临界深度来确定。换土一般适用于小面积换士,对于土源紧急的膨胀上地区而言，在道路工程中大面积、大体积换士是不切实际的。2.3.2湿度掌握由于膨胀土路基具有显著吸水膨胀和失水收缩的特性，因此，首先应考虑尽可能对路基边坡和路肩土体实行保湿防渗措施，防止土体干缩湿胀而导致路基强度下降。湿度掌握包括预湿和保持含水量稳定。为掌握由于膨胀土含水量变化而引起的胀缩变形，尽量削减路基含水量受外界大气

14、的影响，需在施工中实行肯定的措施。如采用土工布和粘土将膨胀土路基进行包封，避开膨胀土与外界大气有接触，尽量削减膨胀土内部的湿度变化。改性处理目前，国内外普遍采纳石灰、粉煤灰、水泥等进行改良处治，亦可用其中的两种或三种进行综合处治。其中最常用的方法是掺石灰改良。石灰的固化作用是通过离子交换，次生碳酸钙胶结性、粘土颗粒与石灰相互作用形成新的含水硅酸钙、硅酸等新矿物而显现出来的。采纳掺石灰改性膨胀土,石灰剂量为4%12%,掺石灰改性后应达到胀缩总率小于0.7,以接近零为最佳，依据不同路段膨胀土的详细状况，通过试验确定详细的掺灰率。此外，国内外也采纳了一些化学外掺剂，如氢氧化钠、碳酸钠等。通常在加入外

15、掺剂后，土的性能可得到较大改善,膨胀量与膨胀用力有不同程度的减小，并且在强度上有所提高。2.3.4边坡防护与加固对于膨胀土边坡，必需实行有效措施进行防护和加固。常用的防护和加固方式有：一种是土工格栅。充分采用土工网格的抗拉强度、土与网格的相互咬合摩擦作用对边坡进行加固。另一种是边坡支挡结构。常用的边坡支挡结构有：网格式加筋土挡土结构稳定膨胀土边坡；用土钉墙处理膨胀土路堑边坡；十字形锚杆骨架护坡和梁形锚杆骨架护坡。2.4膨胀土对道路的危害我们我国过去修建的路基一般等级较低，膨胀土灾难问题不太突出。但是，随着近年来高等级路基的兴建，不少地区都遇到了膨胀土施工问题，很多新建路基在施工一过程中就开头消失各种变形病害，有的地段土基一边施工开挖，一边溜塌、坍滑，有的地段土基刚刚施工建成，则消失整段土基吸水膨胀软化，地基表层膨胀，导致无法铺筑路面等。这种从施工开头就病害不断的膨胀土，假如处理不好，将会造成严峻的经济损失，严峻影响行车平安。由于膨胀土的这种特殊工程性，易使这些地区的工程建筑，特殊是大路和铁路患病严峻的破坏，造成巨大的经济损失。因而日益引起政府有关部门和学术界、工程界的高度重视。