【正文】 中 國 地 質(zhì) 大 學(xué) 研究生課程論文 課程名 稱 地質(zhì)災(zāi)害分析與防治 教師姓 名 研究生姓名 研究生學(xué)號 3 研究生專業(yè) 地質(zhì)工程 所在院 系 工程學(xué)院 類 別 : 學(xué)術(shù)碩士 日 期 : 2022 年 7 月 評 語 對課程論文的評語 : 平時成績： 課程論文成績： 總 成 績： 評閱人簽名： 注： 無評閱人簽名成績無效； 必須用鋼筆或圓珠筆批閱，用鉛筆閱卷無效； 如有平時成績，必須在上面評分表中標出，并計算入總成績。 膨脹土地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的分析與防治 （中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074） 摘 要： :膨脹土對工程建設(shè)有較大的影響 , 同時也是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的誘因之一 ,由于其危害性大 , 造成的工程問題突出 , 因此對膨脹土的研究 處理成為巖土工程和工程地質(zhì)領(lǐng)域的全球性技術(shù)難題之一 。 本文 闡明 了 膨脹土 研究的理論和工程意義 。對目前關(guān)于膨脹土機理的研究做了簡要介紹，并介紹了 了 膨脹土的常用的判別方法及膨脹土的具體治理措施。 0 前言 膨脹土廣泛地分布在世界六大洲的 40 多個國家 ,在各類巖土工程 ,諸如房屋和橋梁地基、水利、交通工程以及地下民防建設(shè)中均時有遇到。對它的認識和處理涉及到一系列的理論與工程技術(shù)問題 ,多年來一直是困惑著人們的難點。下面分別從膨脹土的 膨脹機理和 分類方法 來闡述 膨脹土的研究現(xiàn)狀。 膨脹土是一種主要由強親水性黏土礦物成分 (蒙脫石和 伊利石 )組成 的 ,具有膨脹結(jié)構(gòu)以及多裂隙性、強脹縮性和強度衰減性的高塑性粘性土 ,也是典型的非飽和土。因其較大的往復(fù)脹縮性 ,也稱脹縮土；有的裂 隙很發(fā)育 ,被稱為裂土。其化學(xué)成分主要為 SiO2,Al2O3,Fe2O3三種氧化物，總含量為 81%86%。其分布范圍較廣，具有較強的脹縮特性和裂隙性，對工程建設(shè)的危害較大，防治較為困難。隨著膨脹土工程問題的增多，對膨脹土的研究已成為當前巖土工程的重要研究方向之一，并成為世界性的共同課題。 膨脹土主要是由強親水性礦物成分一蒙脫石組成的 ,具有多裂隙性，強脹縮性和強度衰 減性的高塑性豁性土。由于蒙脫石礦物本身特有的物理化學(xué)性質(zhì) ,遇水后水分子會進到礦物顆粒的內(nèi)部 ,使得礦物顆粒的體積發(fā)生膨脹 ,從而導(dǎo)致由大量礦物顆粒組成的具有宏觀尺度的土體或土樣產(chǎn)生宏觀膨脹 ,當這種膨脹被外界限制就會產(chǎn)生膨脹壓力 ,如果膨脹壓力大于外界限制就會產(chǎn)生膨脹變形 因此 ,膨脹土給土木工程帶來了很大危害 這些工程不僅包括建筑物的基礎(chǔ) ,鐵路 !公路的路基 ,也包括護坡 !擋土墻和樁等 ,可以說是無所不包。 大量工程建設(shè)的實踐經(jīng)驗告訴我們，把膨脹土 誤認為普通的非膨脹土，實際上等于給工程建筑物 埋下禍根，事后成為引發(fā)建筑 物嚴重病害的隱患； 反之，如果把普通的非膨脹土錯劃為膨脹土，則必 將增加大量工程措施。前者將造成重大工程事故， 后者將造成工程的極大浪費，同樣都會造成巨大的 損失。在膨脹土地區(qū)進行工程建設(shè)，首先必須正確 區(qū)分膨脹土與非膨脹土，劃分膨脹土的類別和等級， 然后確定建筑物的設(shè)計原則及其相應(yīng)的工程措施。 膨脹土判別的目的，是為了正確區(qū)分膨脹土與非膨脹土，以便將膨脹土與其它土類區(qū)別開來。對膨脹土進行分類，則是在已經(jīng)判別為膨脹土的基礎(chǔ) 上，對膨脹土進行再判別，從而將工程性質(zhì)基本相同的膨脹土進一步劃分為同一類型，工程性 質(zhì)相差較大的劃分為不同類型，為工程建設(shè)提供合理的參 數(shù)和科學(xué)依據(jù)。關(guān)于膨脹土的識別與分類，國內(nèi)外開始了大量的研究工作，提出了許 多判別與分類方法，本文對其進行了簡要介紹。 與一般的非飽和土不同 ,膨脹性非飽和土具有多尺度結(jié)構(gòu)特征 ,并且相關(guān)試驗研究表明各個尺度中的孔隙在外荷載或孔隙水的作用下的變形行為并不相同，膨脹土的本構(gòu)模型的研究與一般土體的研究也不盡相同，本文對一般土體的本構(gòu)模型做了簡要介紹，并對膨脹土的本構(gòu)模型做了總結(jié)。 1 膨脹土 的定義 和識別 膨脹土 的定義 關(guān)于膨脹土的含義在 1969 年第二次國際膨脹土 研究會議期間有過討論 ,結(jié)論是膨脹土是一種由于它的礦物成分對于它的環(huán)境變化 ,特別是對于濕度狀態(tài)的變化非常敏感的土“其反應(yīng)是發(fā)生膨脹與收縮 ,并產(chǎn)生膨脹壓力 ” 。影響膨脹性的主要成分是蒙脫石粘土礦物，在我國文獻中 ,所謂膨脹土指的是一種具有吸水膨脹 ,失水收縮的粘性土 ,其主要礦物成分是蒙脫石一伊利石 ,或伊利石一蒙脫石，與國際上的含義相比少了產(chǎn)生膨脹壓力的內(nèi)容。所以李生林 [8]等人認為當粘性土的脹縮性增大到一定程度 ,產(chǎn)生膨脹壓力或收縮裂縫 ,并足以危害單層磚石結(jié)構(gòu)建筑物的穩(wěn)定與安全時 ,便可將其作為一種特殊土從土中獨立出來 ,稱膨脹土。在此定義中增加了建筑物穩(wěn)定性的內(nèi)容，廖世文，認為膨脹土的重要特征并不只表現(xiàn)在脹縮現(xiàn)象方面 ,而且脹縮性也不完全決定于礦物成分 ,還取決于礦物的結(jié)構(gòu)類型 ,另外還應(yīng)考慮脹縮效應(yīng)引起土的強度衰減 ,所以定義為 :膨脹土主要是由強親水性粘土礦物成分一蒙脫石和伊利石組成的 ,具有膨脹結(jié)構(gòu) ,以及多裂隙性 !強脹縮性和強度衰減性的高塑性粘性土 。 膨脹土的識別 判別膨脹土膨脹特性強弱的方法主要有三種 ,簡要介紹如下 : (1)礦物鑒別法 此類方法是通過測定粘土中所含礦物成分、陽離子交換量等指標來評價。包括 X 射線折射法 ,差 熱分析 ,染料吸附法 ,化學(xué)分析 ,電子顯微鏡辨別等方法。上述各種方法一般聯(lián)合使用 但評價結(jié)果需要專家來解釋 ,且所用儀器較昂貴。 (2)間接法 。 Holtz 指出塑性指數(shù)和液限是確定多數(shù)粘土膨脹特性的有效指標 。Seed 也論證過 ,僅塑性指數(shù)一項就能作為多數(shù)粘土膨脹特性的初步標志 :陳孚華進而將粘土的膨脹潛勢和塑性指數(shù)之間建立了如表 所示的關(guān)系 。 與此類似 ,李生林提出了塑性圖這一判別方法 ,即在 橫坐標為液限WL， 縱坐標為塑性指數(shù) Ip的坐標系中 ,如果土的物理性質(zhì)指標滿足 WL≥ 40%及 Ip≥ (WL一 20%)時 ,便可將其判別為膨脹土 。 向水中放入體積己知的干土 ,在沒有附加荷載的情形下按量杯的刻度記錄土在沉到杯底后的膨脹體積 。 在水中增加的體積與原體積之比就是自由膨脹 率 ， 我國 《 膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范 》 中按照自由膨脹率法對膨脹潛勢的分類如表 所示 。 其他間接方法還有潛體變法及活性法等 。 (3)直接法 即采用常規(guī)的固結(jié)儀或膨脹儀 ,直接測定膨脹土的膨脹壓力和膨脹應(yīng)變 ， 這其實可以看作測定膨脹土的膨脹特性 ,我們將在下一節(jié)詳細介紹 。 表 膨脹潛勢和塑性指數(shù)之間的關(guān)系 Table The relationship of swelling potential and plasticity index 膨脹潛勢 塑性指數(shù) 低 015 中 1035 高 2055 很高 ≥ 35 表 膨脹土的膨脹潛勢分類 Table Classification of swelling potential of expansive soils 自由膨脹率（ %） 膨脹潛勢 40≤ δ ＜ 65 弱 65≤ δ ＜ 90 中 δ ≥ 90 強 2 膨脹土 的膨脹機理 膨脹土膨脹特性及其影響因素 1938 年美國開墾局在俄勒岡州歐維希的一座鋼制虹吸管基礎(chǔ)工程中首次認識到膨脹土問題 ,尤其是從上世紀 50 年代 Holtz 和Gibbs 對膨脹粘土的工程性質(zhì)的研究開始 ,眾多學(xué)者對膨脹土的膨脹特性進行了持續(xù)研究采用的方法可歸納為自由膨脹和有側(cè)向約束條件下的膨脹試驗 ,試驗方法尚未規(guī)范化 ,采用的方法不同 ,所測得的結(jié)果也存在一定的差異 如測量膨脹力的試驗 ,就可歸納為以下四種 : (1)膨脹加壓法 。 當膨脹土自由膨脹完成后 ,施以使體積恢復(fù)到原來體積所需的壓力即為膨脹力 從其過程上看 ,并對照土的固結(jié)試驗方法 ,可以說這是一種固結(jié)試驗 固結(jié)和膨脹恰恰是相反的兩個過程 這種方法測得的膨脹壓力克服了試件擾動的效應(yīng) ,故測量結(jié)果偏大 ,是不完善的 。 (2)恒體積法 。 采用容器對試件進行約束 ,使試件不發(fā)生膨脹和壓縮 ,此時容器所受的力即為膨脹力 。 采用此方法要求容器的剛度要足夠大 ,以防產(chǎn)生應(yīng)變 ， 此法比較符合工程實際 ,因為建筑物不容許地基發(fā)生變形條件下 ,建筑物所受膨脹力 ,即為恒體積法測得的膨脹力 。 (3)分級加荷膨脹法 。 采用多個制備條件相同的試樣 ,分別施加不同的恒定荷載 ,測得各試樣在浸水膨脹條件下的體積變化量 ,繪制體積變化與荷載的關(guān)系曲線 ,如圖 所示 ， 圖 中使體積變化為零的壓力即為膨脹力 。 圖 分級加荷膨脹法 . 1Schematic diagrams of multistage loading swelling method (4)平 衡加壓法。試樣浸水后 ,當開始產(chǎn) 生膨脹時就逐級施加較小荷載 ,直到體積恢復(fù)到初始狀態(tài) ,使試樣在浸水膨脹過程中始終保持體積不變 ,最終施加的總荷載即為膨脹力。 以上四種方法所測得的膨脹力的大小順序為 :(l)(2)(3)(4)。由于恒體積法較符合工程實際 ,且簡便 ,試驗時間短 ,因此此方法是普遍被采用的方法。但是 用恒體積法測膨脹力一般得到的是豎向膨脹力 ,徑向膨脹力不易測得。 1970 年 ,Komornik和 Zeitlen 將固結(jié)儀的環(huán)刀改用 不銹鋼片制成 ,在環(huán)刀外測纏繞了 3 根應(yīng)變電阻絲 ,測出了徑向應(yīng)變 ,并由環(huán) 刀的彈性模量求出膨脹應(yīng)力 ,獲得了許多有價值的成果。 Franklin、 Avsar 等人也做了類似的試驗。但是此類試驗由于得到的徑向應(yīng)變較大 ,因此并不是嚴格意義上的恒體積膨脹力試驗。楊慶巧妙地設(shè)計了一種側(cè)限膨脹試驗儀 器 ,可以量測徑向膨脹力 ,而且由于側(cè)壓量測部分的剛度較大 ,因此可以忽略徑向應(yīng)變 ,可以說是真正意義上的恒體積膨脹力試驗儀。 影響膨脹特性的因素主要有物理性質(zhì)指標 (如初始含水量 ,初始干密度等 ),物理化學(xué)因素 ,微結(jié)構(gòu)等幾方面。 （ 1） 物理性質(zhì)指標的影響 陳孚華對美國洛基山區(qū)各種類型的膨脹土做過幾千次膨脹試 驗 ,結(jié)果表明膨脹壓力受初始含水量 、 飽和度以及試樣厚度的影響不大 ,而是隨初始干密度的增大而增大 。 Basma 分別采用膨脹加壓法、 分級加荷膨脹法 、 平衡加壓法對影響膨脹特性的因素進行了試驗研究 ,結(jié)果表明膨脹壓力和膨脹應(yīng)變隨初始干密度 、 粘土含量的增大而增大 , 隨初始含水量的增大而減小 。 幾種方法得到的膨脹壓力從大到小依次為 :膨脹加壓法 ,分級加荷法 ,平衡加壓法 。 Komine 采用恒體積法對壓實膨潤土的一維膨脹試驗研究表明 ,最大變形和和最大膨脹力與初始含水量幾乎無關(guān) ,而是隨初始干密度的增大而增大 。 由此看來初始干密度是影響膨 脹特性的主要因素 ,因此通常膨脹力試驗都是測得膨脹力隨初始干密度的變化情況 (2)物理化學(xué)因素的影響 物理化學(xué)方面的影響因素主要是孔隙水溶液濃度和 pH 值 。 Alawaji 研究了電解質(zhì)濃度對塑性指數(shù) 、 膨脹潛勢 、 膨脹壓力和壓縮度的影響 ,發(fā)現(xiàn)這些指標隨濃度的增大而 降低 。 其他學(xué)者也得到了類似的結(jié)果 。Abdunah 研究發(fā)現(xiàn) pH 值對膨脹壓力的影響很小 。 (3)土體微結(jié)構(gòu)的影響 膨脹土的宏觀結(jié)構(gòu)由單粒 、 集聚體和孔隙組成 。 李生林認為集聚體之間的細觀結(jié)構(gòu)特征對膨脹土的物理力學(xué)性質(zhì)有顯著影響 ,蜂窩狀和骨架狀結(jié)構(gòu)類型的膨脹土不具 膨脹性 ,而基質(zhì)狀 、 紊流狀 、 層流等 6 種結(jié)構(gòu)膨脹土均有膨脹性性。 另外 ,土體微結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在土體膨脹的各向異性 。 因為土體顆粒由晶層疊加而成 ,而晶層之間的膨脹只在垂直于晶層表面