【正文】 中 1035 高 2055 很高 ≥ 35 表 膨脹土的膨脹潛勢(shì)分類(lèi) Table Classification of swelling potential of expansive soils 自由膨脹率（ %） 膨脹潛勢(shì) 40≤ δ ＜ 65 弱 65≤ δ ＜ 90 中 δ ≥ 90 強(qiáng) 2 膨脹土 的膨脹機(jī)理 膨脹土膨脹特性及其影響因素 1938 年美國(guó)開(kāi)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(rèn)識(shí)到膨脹土問(wèn)題 ,尤其是從上世紀(jì) 50 年代 Holtz 和Gibbs 對(duì)膨脹粘土的工程性質(zhì)的研究開(kāi)始 ,眾多學(xué)者對(duì)膨脹土的膨脹特性進(jìn)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(yàn) ,試驗(yàn)方法尚未規(guī)范化 ,采用的方法不同 ,所測(cè)得的結(jié)果也存在一定的差異 如測(cè)量膨脹力的試驗(yàn) ,就可歸納為以下四種 : (1)膨脹加壓法 。 向水中放入體積己知的干土 ,在沒(méi)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 。 (2)間接法 。在此定義中增加了建筑物穩(wěn)定性的內(nèi)容，廖世文，認(rèn)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(lèi)型 ,另外還應(yīng)考慮脹縮效應(yīng)引起土的強(qiáng)度衰減 ,所以定義為 :膨脹土主要是由強(qiáng)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(qiáng)脹縮性和強(qiáng)度衰減性的高塑性粘性土 。 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(yàn)研究表明各個(gè)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(duì)一般土體的本構(gòu)模型做了簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)膨脹土的本構(gòu)模型做了總結(jié)。在膨脹土地區(qū)進(jìn)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(lèi)別和等級(jí)， 然后確定建筑物的設(shè)計(jì)原則及其相應(yīng)的工程措施。 膨脹土主要是由強(qiáng)親水性礦物成分一蒙脫石組成的 ,具有多裂隙性，強(qiáng)脹縮性和強(qiáng)度衰 減性的高塑性豁性土。因其較大的往復(fù)脹縮性 ,也稱(chēng)脹縮土；有的裂 隙很發(fā)育 ,被稱(chēng)為裂土。 0 前言 膨脹土廣泛地分布在世界六大洲的 40 多個(gè)國(guó)家 ,在各類(lèi)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(shí)有遇到。 研究生學(xué)號(hào) 3 研究生專(zhuān)業(yè) 地質(zhì)工程 所在院 系 工程學(xué)院 類(lèi) 別 : 學(xué)術(shù)碩士 日 期 : 2022 年 7 月 評(píng) 語(yǔ) 對(duì)課程論文的評(píng)語(yǔ) : 平時(shí)成績(jī)： 課程論文成績(jī)： 總 成 績(jī)： 評(píng)閱人簽名： 注： 無(wú)評(píng)閱人簽名成績(jī)無(wú)效； 必須用鋼筆或圓珠筆批閱，用鉛筆閱卷無(wú)效； 如有平時(shí)成績(jī)，必須在上面評(píng)分表中標(biāo)出，并計(jì)算入總成績(jī)。 膨脹土地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的分析與防治 （中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074） 摘 要： :膨脹土對(duì)工程建設(shè)有較大的影響 , 同時(shí)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(wèn)題突出 , 因此對(duì)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 。對(duì)它的認(rèn)識(shí)和處理涉及到一系列的理論與工程技術(shù)問(wèn)題 ,多年來(lái)一直是困惑著人們的難點(diǎn)。其化學(xué)成分主要為 SiO2,Al2O3,Fe2O3三種氧化物，總含量為 81%86%。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(huì)進(jìn)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(dāng)這種膨脹被外界限制就會(huì)產(chǎn)生膨脹壓力 ,如果膨脹壓力大于外界限制就會(huì)產(chǎn)生膨脹變形 因此 ,膨脹土給土木工程帶來(lái)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(hù)坡 !擋土墻和樁等 ,可以說(shuō)是無(wú)所不包。 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(lèi)區(qū)別開(kāi)來(lái)。 1 膨脹土 的定義 和識(shí)別 膨脹土 的定義 關(guān)于膨脹土的含義在 1969 年第二次國(guó)際膨脹土 研究會(huì)議期間有過(guò)討論 ,結(jié)論是膨脹土是一種由于它的礦物成分對(duì)于它的環(huán)境變化 ,特別是對(duì)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 ” 。 膨脹土的識(shí)別 判別膨脹土膨脹特性強(qiáng)弱的方法主要有三種 ,簡(jiǎn)要介紹如下 : (1)礦物鑒別法 此類(lèi)方法是通過(guò)測(cè)定粘土中所含礦物成分、陽(yáng)離子交換量等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)。 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(biāo) 。 在水中增加的體積與原體積之比就是自由膨脹 率 ， 我國(guó) 《 膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范 》 中按照自由膨脹率法對(duì)膨脹潛勢(shì)的分類(lèi)如表 所示 。 當(dāng)膨脹土自由膨脹完成后 ,施以使體積恢復(fù)到原來(lái)體積所需的壓力即為膨脹力 從其過(guò)程上看 ,并對(duì)照土的固結(jié)試驗(yàn)方法 ,可以說(shuō)這是一種固結(jié)試驗(yàn) 固結(jié)和膨脹恰恰是相反的兩個(gè)過(guò)程 這種方法測(cè)得的膨脹壓力克服了試件擾動(dòng)的效應(yīng) ,故測(cè)量結(jié)果偏大 ,是不完善的 。 (3)分級(jí)加荷膨脹法 。 以上四種方法所測(cè)得的膨脹力的大小順序?yàn)?:(l)(2)(3)(4)。 Franklin、 Avsar 等人也做了類(lèi)似的試驗(yàn)。 （ 1） 物理性質(zhì)指標(biāo)的影響 陳孚華對(duì)美國(guó)洛基山區(qū)各種類(lèi)型的膨脹土做過(guò)幾千次膨脹試 驗(yàn) ,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 。 由此看來(lái)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(yàn)都是測(cè)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 。 (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 。 Avs結(jié)合掃描電鏡研究發(fā)現(xiàn) ,如果更多的顆粒傾向于水平 ,那么在豎直向?qū)?huì)產(chǎn)生較大的膨脹力 ,橫向與豎向膨脹力的比位于 一 之間 chen 也報(bào)道了類(lèi)似的試驗(yàn)結(jié)果 。 Norrish 較早對(duì)蒙脫石的膨脹進(jìn)行了研究 ,發(fā)現(xiàn)當(dāng)干燥的蒙脫石顆粒浸于電解質(zhì)溶液中時(shí) ,隨著電解質(zhì)溶液濃度的降低 ,顆粒晶層間距變大 ,但間距的變化并不是連續(xù)的 ,而是呈階段性 ,如圖 (a)所示說(shuō)明此時(shí)的膨脹并不是連續(xù)的 ,由于晶層間產(chǎn)生離散的水分子層而呈現(xiàn)出階段性。 變到 40 A。 圖 （ a）鈉基蒙脫石晶層間距隨溶液濃度的變化，NaCl 溶液和 Na2SO4鈉基蒙脫石晶層間距隨水氣壓的變化 晶層膨脹 蒙脫石 遇水后由于層間陽(yáng)離子和晶層表面的水合首先會(huì)經(jīng)歷水合膨脹階段 ,或者晶層膨脹。但 Notrish的試驗(yàn)結(jié)果顯示從晶層膨脹過(guò)渡到滲透膨脹時(shí)層間距并不連續(xù) ,而是有一個(gè)躍遷 ,底面間距躍遷到 40 入時(shí)膨脹開(kāi)始連續(xù) ,此時(shí)的晶層間大致為 3nm,即此后進(jìn)入通常認(rèn)為的雙電層膨脹階段 ,或者本文所稱(chēng)的長(zhǎng)程膨脹。而對(duì)于另外一些粘土里和另外幾種陽(yáng)離子，表面水合更重要。 Innersphere plex 和表面緊密相連，中間沒(méi)有水分子； Outersphere plex 和表面之間至少有一層水分子介入其中， 即己經(jīng)部分水合但 仍然吸附于表面的 陽(yáng)離子 ；擴(kuò)散 離子則是指己經(jīng)充分水合的一陽(yáng)離子 ,以上三種陽(yáng)離子的存在形式和晶層中電荷的分布有一定關(guān)系 Ihner 一 Sphere plex則是 對(duì) 應(yīng) 于 四 面 體 片 中 的 電荷 ,outerSphere plex 則是對(duì)應(yīng)于八面體中的電荷 。 Spipper 通過(guò)中子衍射試驗(yàn)對(duì)蛙石晶層間陽(yáng)離子和水分子的分布進(jìn)行了研究 ,當(dāng)?shù)酌骈g距為 (晶層間距為 ,大致相當(dāng)于兩個(gè)水分子層 )時(shí) ,層間中平面上基本沒(méi)有 Na+隨后 ,他用同樣的試驗(yàn)方法對(duì)銼基蛙石進(jìn)行了觀察 [49],發(fā)現(xiàn) Li+基本位于晶層之間的中平面處兩種試驗(yàn)結(jié) 果說(shuō)明 ,離子水合能對(duì)自身的存在形式有很大影響 。 長(zhǎng)程膨脹 隨著層間距的增大 ,越來(lái)越多的水分子進(jìn)入晶層間 ,層間的溶液趨于連續(xù) ,離子的水合作用逐漸降低 ,晶層膨脹逐漸結(jié)束 通常認(rèn)為此后的晶層進(jìn)入滲透膨脹或雙電層膨脹階段 ,本文根據(jù) Low 的觀點(diǎn) ,不考慮膨脹機(jī)理的因素 ,將此后階段成為長(zhǎng)程膨脹階段 ,并綜合Israelahvih和 Norrish的觀點(diǎn) ,認(rèn) 為長(zhǎng)程階段膨脹從大約 處并始。 研 究了電解質(zhì)濃度 和 pH 值對(duì)云母層間相互作用力的影響 ,結(jié)果顯示隨著電解質(zhì)濃度的增大以及 pH 值的減小相互作用力降低 此后 ,Ducker 用更為精密的原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscope,AFM)測(cè)得了層間力和間距之間的關(guān)系曲線 ,并用 DLvo 理論模型擬合了晶層間距大于 5nm 之后的試驗(yàn)結(jié)果 。 Lubetkin 測(cè)得的蒙脫石晶層間膨脹力和層間距的關(guān)系曲線能較好地由 DLvO 理論擬合 ,而且所得數(shù)據(jù)較符合實(shí)際通過(guò)氮?dú)饧訅悍▽?duì)鈉基蒙脫石層間膨脹力進(jìn)行量測(cè) ,同時(shí)用 X 光衍射法確定晶層間距 ,晶層間距大于 ,說(shuō)明處于長(zhǎng)程膨脹階段 ,測(cè)得的膨脹力為上百千帕 ,雖然試驗(yàn)中將外加壓力等效于膨脹力 ,但由于長(zhǎng)程階段的膨脹已經(jīng)連續(xù) ,所以可以將壓縮試驗(yàn)等效于膨脹試驗(yàn) ,因此 Zhang 試驗(yàn)數(shù)據(jù)將是本文用來(lái)研究長(zhǎng)程膨脹機(jī)理的基礎(chǔ) Zhang 所用的方法雖然來(lái)源于Viani,但 Viani 認(rèn)為由雙電層理論和范德華力構(gòu)成的 DLVO 理論并不能解釋所得試驗(yàn)結(jié)果 ,因?yàn)樗狭υ谄渲信蛎浲僚蛎洐C(jī)理及細(xì)觀膨脹模型研究起主要作用 可見(jiàn)對(duì)于長(zhǎng)程膨脹階段是否符合 DLVO 理論 ,是否可以稱(chēng)為雙電層膨脹存有爭(zhēng)議 。 3 膨脹土分類(lèi) 膨脹土分類(lèi)方法 目前膨脹土分類(lèi)方法有以下幾種： (1) 規(guī)范判別分類(lèi)法。故對(duì)該指標(biāo)的可靠性及能在多大程度上反映膨脹土的本質(zhì)等方面，一直存在著爭(zhēng)議 [13]。因此，推薦用直接指標(biāo)，即最大線縮率 、 最大體縮率 、 最大膨脹率 等作為分類(lèi)指 標(biāo)，并提出了相應(yīng)的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。 (4) 多指標(biāo)綜合判別分類(lèi)法 [1]。采用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行主因子分析與逐步回歸分析，提出了綜合 指標(biāo)數(shù)學(xué)式來(lái)進(jìn)行判別與分類(lèi)，有多元線性函數(shù)判別法、 4 因子判別函數(shù)式、多變量數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法。m 顆粒的成分含量作圖對(duì)膨脹土進(jìn)行判別分類(lèi)，分為極高、高、中等、低等 4 級(jí)。 (8)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范（ JTGD302022）》分 類(lèi) [13]。標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水量是近年剛提出的一項(xiàng)指標(biāo)，它與比表面積、陽(yáng)離子交換量、蒙脫石含量之間的相關(guān)的關(guān)系僅進(jìn)行了室內(nèi) 人工配制土 樣試驗(yàn)和小范圍的適用性驗(yàn)證，缺乏大范圍的適用性驗(yàn)證，其作為膨脹土判別與分類(lèi)的指標(biāo)的適用性亟待探討，其分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)更需進(jìn)行廣泛的試驗(yàn)驗(yàn)證工作。詳判時(shí)，采用自由膨脹率、蒙脫石含量與陽(yáng)離子交換量 3 項(xiàng) 指標(biāo)來(lái)判定。 (1) 界限含水量 土的界限含水量是反映土粒與水相互作用的靈敏指標(biāo)之一，在一定程度上反映 了土的親水性能。因此，采用界限含水量特 征值，作為膨脹土的判別指 標(biāo)是可行的。所以以土中粘粒含量作為判別指標(biāo)，也可以區(qū)分膨脹土與非膨脹土。因此采用自由膨脹率作為膨脹土的判別指標(biāo)，一般能獲得比較好的結(jié)果。 (7) 標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水量 標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水量是 在 標(biāo)準(zhǔn)溫度（通常為 25 ℃）和標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度下（通常為 60 %），膨脹土試樣恒重后的含水量。 用直接指標(biāo)法進(jìn)行分類(lèi)雖然比較直觀，但是試驗(yàn)方 法比 較復(fù)雜，并且要求試驗(yàn)人員具有較深的專(zhuān)業(yè)知 識(shí)和較高的實(shí)驗(yàn)技能。如單一采用界限含水量特征 值作為膨脹土的判別指標(biāo)有其局限性，因?yàn)榻缦藓? 水量是所有粘土的共性指標(biāo)，另外，它只是反映土 的膨脹性的間接指標(biāo)；而自由膨脹率只是土 粒膨脹 特性的量度指標(biāo)，卻不能反映土體的結(jié)構(gòu)性。 依托襄 — 荊高速公路膨脹土工程，綜合 以上判別與分類(lèi)方法，并考慮公路工程施工周期長(zhǎng)、受氣候影響很大的特點(diǎn)，特別是考慮了膨脹土的壓實(shí)性 狀和強(qiáng)度（ CBR）特征，提出了一種新的含 5 項(xiàng)指標(biāo)的膨脹土判別與分類(lèi)方法，詳見(jiàn)表 1。邊坡開(kāi)挖或路堤填筑后，土體在風(fēng)化營(yíng)力作用下，很快就會(huì)產(chǎn)生破裂、剝落和泥化等，使土體結(jié)構(gòu)破壞、強(qiáng)度降低，從而引起路基邊坡失穩(wěn)。膨脹土邊坡風(fēng)化層厚度計(jì)算應(yīng)根據(jù)大氣 影響深度等而定。 （ 4）膨脹土邊坡設(shè)置擋土