【正文】 性指標(biāo)分類法 [1]。由于自由膨脹率測(cè)試過(guò)程中人為因素干擾較多，例如陽(yáng)高樣的 1～ 2 181。 總 結(jié)了及種產(chǎn)生水合力一的原因 ,某中包括 ：表面吸附的離子之間 的作用 ， 擴(kuò)散層水合離子之間的相互作用 ， 表面偶極或電荷對(duì)附近水分子的極化效應(yīng) ,水分子之何以及和表面的氫鍵作用的定向排列產(chǎn)生的 間距減小 ,破壞了水分子的有序性 ,從而增大了自由能 ,導(dǎo)致斥力的增大 。Nishimura 用 AFM 對(duì)皂石及鏗基蒙脫石層間作用力與間距的關(guān)系進(jìn)行了觀測(cè) ,表明 5nm之后的變化趨勢(shì)也基本符合 DLVO 理論 。對(duì)于單個(gè)晶層 ,當(dāng)吸附于晶層表面的陽(yáng)離子由于水合作用離開(kāi)表面之后就會(huì)在晶層表面附近擴(kuò)散 ,這些陽(yáng)離子 !方面受晶層表面負(fù)電荷的靜電作用一方面由子布朗運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生遠(yuǎn)禽表面的擴(kuò)散趨勢(shì)了從而使得水中的陽(yáng)一離手私晶層中的負(fù)電荷形成擴(kuò)散雙電層 ,一獷散到永中的陽(yáng)離子云稱為擴(kuò)散層 ,描述擴(kuò)散層禽子分布的模型中 GouyChaPman 雙電層模型是較簡(jiǎn)單且得到廣泛應(yīng)用的一種相互平行晶層之間的擴(kuò)散層相互重疊會(huì)產(chǎn)生雙電層斥力 ,而眾多學(xué)者已證明 ,雙電層斥力等于平行晶層之 間中平面處離子的滲透壓和晶層外平衡溶液中離子滲透壓之差 ,從而可以結(jié)合滲透壓理論和 Gouy一 Chapman相互作用雙電層模型建立晶層間雙電層斥力模型 ,以下簡(jiǎn)稱GouyChapman 雙電層模型 ,因此 ,此階段的膨脹也叫作滲透膨脹 Verwe 等人同時(shí)考慮了晶層間的范德華力 ,結(jié)合雙電層斥力模型建立了 DLVO 模型。而 Na+的水合能不足以克服晶層四面體片中電荷產(chǎn)生的引力 ,所以鈉基蛙石中 Na+很少位于晶層中間處 ,而是基本位于表面形成 innerSphere plex 正是 Na+和Li 十在晶層間存在位置或形式的不同對(duì)晶層的膨脹有決定性影響 ,因?yàn)樵趬A金屬離子中只有鏗離子能夠 使蛙石產(chǎn)生膨脹 ， 而鏗離子不同于其他離子的重要特征就是其水合以后位于晶層中間處 ,而其他離子由于不能水合只能吸附于表面 ,從而不能促使晶層膨脹 ,這也說(shuō)明離子水合是導(dǎo)致晶層膨脹的主要原因研究了晶層電荷位置對(duì)晶層膨脹的影響 ,表面電荷密度 脫石和 Drayton 蒙脫石 ,由于Drayton 蒙脫石中的電荷基本位于四面體片中 ,導(dǎo)致膨脹性明顯弱于 Otay 蒙脫石 ,這正是由于 otay 蒙脫石的晶層電荷大部分位于八面體片中 ,對(duì)陽(yáng)離子的吸附性較小 ,不足以阻止 Na+的水合 ,因此比 Drayton 蒙脫石更容易膨脹 。 下面再來(lái)看陽(yáng)離子的三種存在形式對(duì)晶層膨脹有何影響 。Sposito 運(yùn)用紅外光譜 、不相干中子散、 磁共振波譜 、 介電馳豫以及中子和 x 光衍 射等多種試驗(yàn)手段對(duì)蒙脫族礦物晶層間離子和水分子的分布進(jìn)行了研究 ,其中中子衍射試驗(yàn)是人們研究層間離子和水分子采用較多一的方法 。 對(duì)于水合膨脹的機(jī)理有不同的觀點(diǎn) ,有人認(rèn)為是由于晶層表面的水合引起的。奧爾芬認(rèn)為水合膨脹階段一般形成四層水，干燥狀態(tài)下陽(yáng)離子吸附于晶層表面 ,晶層間距幾乎為零，晶層的底面間距大致為 ,那么吸附 1,2,3,4 層水分子對(duì)應(yīng)的底面間距分別為 ，15,.6,A,四層水的后的水是連續(xù)的 , 此 時(shí) 的 晶 層 間 距 大 致 為 Imm。 Norrish 將 40 A，以后的連續(xù)膨脹稱為滲透膨脹 ,可見(jiàn)兩個(gè)階段的膨脹機(jī)理是不同的。 Norrish 將此階段的膨脹稱為晶層膨賬。蒙脫石的膨脹機(jī)理涉及眾多學(xué)科 ,比如 :膠體與表面化學(xué) ,礦物學(xué) ,土壤化學(xué) , 電化學(xué)等。 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 。 其他學(xué)者也得到了類似的結(jié)果 。 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(jí)加荷法 ,平衡加壓法 。楊慶巧妙地設(shè)計(jì)了一種側(cè)限膨脹試驗(yàn)儀 器 ,可以量測(cè)徑向膨脹力 ,而且由于側(cè)壓量測(cè)部分的剛度較大 ,因此可以忽略徑向應(yīng)變 ,可以說(shuō)是真正意義上的恒體積膨脹力試驗(yàn)儀。但是 用恒體積法測(cè)膨脹力一般得到的是豎向膨脹力 ,徑向膨脹力不易測(cè)得。 圖 分級(jí)加荷膨脹法 . 1Schematic diagrams of multistage loading swelling method (4)平 衡加壓法。 采用容器對(duì)試件進(jìn)行約束 ,使試件不發(fā)生膨脹和壓縮 ,此時(shí)容器所受的力即為膨脹力 。 (3)直接法 即采用常規(guī)的固結(jié)儀或膨脹儀 ,直接測(cè)定膨脹土的膨脹壓力和膨脹應(yīng)變 ， 這其實(shí)可以看作測(cè)定膨脹土的膨脹特性 ,我們將在下一節(jié)詳細(xì)介紹 。 與此類似 ,李生林提出了塑性圖這一判別方法 ,即在 橫坐標(biāo)為液限WL， 縱坐標(biāo)為塑性指數(shù) Ip的坐標(biāo)系中 ,如果土的物理性質(zhì)指標(biāo)滿足 WL≥ 40%及 Ip≥ (WL一 20%)時(shí) ,便可將其判別為膨脹土 。上述各種方法一般聯(lián)合使用 但評(píng)價(jià)結(jié)果需要專家來(lái)解釋 ,且所用儀器較昂貴。所以李生林 [8]等人認(rèn)為當(dāng)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(shí) ,便可將其作為一種特殊土從土中獨(dú)立出來(lái) ,稱膨脹土。關(guān)于膨脹土的識(shí)別與分類，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始了大量的研究工作，提出了許 多判別與分類方法，本文對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。前者將造成重大工程事故， 后者將造成工程的極大浪費(fèi)，同樣都會(huì)造成巨大的 損失。隨著膨脹土工程問(wèn)題的增多，對(duì)膨脹土的研究已成為當(dāng)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。 膨脹土是一種主要由強(qiáng)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(qiáng)脹縮性和強(qiáng)度衰減性的高塑性粘性土 ,也是典型的非飽和土。對(duì)目前關(guān)于膨脹土機(jī)理的研究做了簡(jiǎn)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。 中 國(guó) 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 本文 闡明 了 膨脹土 研究的理論和工程意義 。下面分別從膨脹土的 膨脹機(jī)理和 分類方法 來(lái)闡述 膨脹土的研究現(xiàn)狀。其分布范圍較廣，具有較強(qiáng)的脹縮特性和裂隙性，對(duì)工程建設(shè)的危害較大，防治較為困難。 大量工程建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)告訴我們，把膨脹土 誤認(rèn)為普通的非膨脹土，實(shí)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(yán)重病害的隱患； 反之，如果把普通的非膨脹土錯(cuò)劃為膨脹土，則必 將增加大量工程措施。對(duì)膨脹土進(jìn)行分類，則是在已經(jīng)判別為膨脹土的基礎(chǔ) 上，對(duì)膨脹土進(jìn)行再判別，從而將工程性質(zhì)基本相同的膨脹土進(jìn)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)。影響膨脹性的主要成分是蒙脫石粘土礦物，在我國(guó)文獻(xiàn)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(guó)際上的含義相比少了產(chǎn)生膨脹壓力的內(nèi)容。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。Seed 也論證過(guò) ,僅塑性指數(shù)一項(xiàng)就能作為多數(shù)粘土膨脹特性的初步標(biāo)志 :陳孚華進(jìn)而將粘土的膨脹潛勢(shì)和塑性指數(shù)之間建立了如表 所示的關(guān)系 。 其他間接方法還有潛體變法及活性法等 。 (2)恒體積法 。 采用多個(gè)制備條件相同的試樣 ,分別施加不同的恒定荷載 ,測(cè)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 。由于恒體積法較符合工程實(shí)際 ,且簡(jiǎn)便 ,試驗(yàn)時(shí)間短 ,因此此方法是普遍被采用的方法。但是此類試驗(yàn)由于得到的徑向應(yīng)變較大 ,因此并不是嚴(yán)格意義上的恒體積膨脹力試驗(yàn)。 Basma 分別采用膨脹加壓法、 分級(jí)加荷膨脹法 、 平衡加壓法對(duì)影響膨脹特性的因素進(jìn)行了試驗(yàn)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 。 Alawaji 研究了電解質(zhì)濃度對(duì)塑性指數(shù) 、 膨脹潛勢(shì) 、 膨脹壓力和壓縮度的影響 ,發(fā)現(xiàn)這些指標(biāo)隨濃度的增大而 降低 。 李生林認(rèn)為集聚體之間的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征對(duì)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。 蒙脫石膨脹機(jī)理 因 為蒙脫石是膨脹土膨脹的決定性因素 ,所以蒙脫石的膨脹機(jī)理將是本文研究的主要內(nèi)容。 Glaes,Devineau 等人用增大相對(duì)水氣壓的方法也得到了相似結(jié)果 ,如圖 (b)所示。 ,此后蒙脫石隨電解質(zhì)濃度的減小而連續(xù)膨脹 ,如圖 (a)所示。水合作用是由于靜電力使水分子以偶極子的形式圍繞離子或晶層表面形成定向排列的水分子層?？梢?jiàn)對(duì)于晶層膨脹階段的范圍并沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí) ,本文傾向于 Israelachvili 和 Notrish 的觀點(diǎn)，即晶層膨脹階段的大致范圍為 一3nm。 圖 晶層表面附近陽(yáng)離子的三種存在形式 對(duì)蒙脫石晶層間陽(yáng)離子和水分子存在狀態(tài)的試驗(yàn)研究將有助于對(duì)膨脹機(jī)理的認(rèn)識(shí)。 雖 然 innerSphere plex和表面聯(lián)結(jié)較緊密 ,但是在陽(yáng)離子的外側(cè)仍然有 3 個(gè)水分子水合 。 因?yàn)橥苁械碾姾纱蟛糠治挥谒拿骟w片中 ,這樣就會(huì)對(duì)層間陽(yáng)離子產(chǎn)生較大的靜電引力 ,使其不易水合而脫離晶層表面 然而 Li+的水合能較 Na+大 ,所以就相對(duì)容易水合并從 晶層表面脫離 ,從而擴(kuò)散至晶層中間處成為擴(kuò)散離子 。 首先簡(jiǎn)要介紹雙電層的概念。 以上學(xué)者之所以采用云母做為試驗(yàn)材料 ,是因?yàn)樵颇副砻孑^平且尺寸較大 ,便于觀測(cè) 。 Low 認(rèn)為 即使在晶格膨脹完成后 ,雙電層膨脹仍然不是主要因素 ,而是水合力在起主要作用 ,冰合力的產(chǎn)生是一由于表面原有水分子結(jié)構(gòu)被破壞 。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“膨脹土地 區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范”（ GBJ11287）提出了按膨脹土的 工程地質(zhì)特征進(jìn)行初判，再按自 由膨脹率大小劃分膨脹土的膨脹潛勢(shì)方法。有專家認(rèn)為，測(cè)試 方法使顆粒間結(jié)合力喪失，而使膨脹得到了較充分的發(fā)揮，其結(jié)果 并不能代表土體的真正膨脹潛勢(shì)。 (3) 塑性圖判別與分類法 [1]。根據(jù)粘粒含量、 液限與線脹縮率，以及比表面積與離子交換進(jìn)行分類。有些學(xué)者提出采用多個(gè)指標(biāo)，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)和灰色理論以及專家系統(tǒng)進(jìn)行膨脹土脹縮等級(jí)判別。 (7) 風(fēng)干含水量法 [9]。初步提出了按標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水量和塑性指數(shù)進(jìn)行判別和分類的方法。 (9) 《 鐵 路 工 程 特 殊 巖 土 勘 察 規(guī) 程(TB100352022)》分類法 [14]。 由于影響膨脹潛勢(shì)的因素較多且復(fù)雜 因素 之間也存在一定的相關(guān)關(guān)系，對(duì)此缺乏透徹的研究，使膨脹土分類較為復(fù)雜，目前尚難統(tǒng)一。它與土的顆粒組成、粘土礦物成 分、陽(yáng)離子交換性能、土的分散度和比表面積、以及水溶液的性質(zhì)等有著十分密切的關(guān)系。 (2) 脹縮總率 脹縮總率能反映膨脹土粘土礦物成分和結(jié)構(gòu)特征，在一定條件下，它是膨脹土比 較穩(wěn)定的屬性指標(biāo)，同時(shí)也是具有工程實(shí)用價(jià)值的重要指標(biāo)。 (4) 自由膨脹率 自由膨 脹率是反映土的膨脹 特性的最直接量度指標(biāo)之一。 (5) 比表面積和陽(yáng)離子交換量 比表面積和陽(yáng) 離子交換量與膨脹土中蒙脫石粘土礦物成分的含量有密切關(guān)系，從某種意義來(lái)講，通過(guò)對(duì)土中粘土顆 粒的比表面積和陽(yáng)離子交換量的測(cè)定，可以大致了解膨脹土中蒙脫石粘土礦物成分的近似含 量。標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水量與比表面積、陽(yáng)離子交換量、蒙脫石含量 之間存在線性相關(guān)關(guān)系。用間接指標(biāo)法進(jìn)行分類不那 么直觀，但試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單易行，同時(shí)具有一定的科 學(xué)性，它不象直接指標(biāo) (如膨脹量、收縮量 )除與土 的性質(zhì)有關(guān)外還與土的初始含水量等因素有關(guān)。因此 膨脹土的判別應(yīng)綜合各類指標(biāo)而進(jìn)行。表中各判別指標(biāo)界限值主要參考塑性圖判別與分類法、《膨 脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范 (GBJ11287)》、《 公路 路基 設(shè)計(jì) 規(guī)范（ JTJ01395）》 [15]綜合確定。 （ 1）路基排水對(duì)路基邊坡穩(wěn)定性有顯著的影響。 中膨脹土邊坡失穩(wěn)主要以淺 平面滑動(dòng)模式為主。 （ 5）即使是穩(wěn)定的坡率，還必須配合適當(dāng)?shù)钠旅娣雷o(hù)，方能達(dá)到預(yù)期的效果。 （ 1）截水溝：是坡面排水網(wǎng)系的第一道防線，必須有效可靠。