【正文】 ，固 化時(shí)間對土的膨脹率的影響可忽略不計(jì)。 Thompson（ 1966）認(rèn)為石灰穩(wěn)定的一般過程為：陽離子的交換、凝聚與結(jié)塊、碳化作用與凝聚反應(yīng)作用。若允許膨脹土的線膨脹量達(dá) %，其膨脹力可比無膨脹時(shí)最大的膨脹力降低 25%左右。對于強(qiáng)膨脹土邊坡可采用錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土護(hù)坡等進(jìn)行防治。挖方邊坡變形量大且危害也較大的是邊坡底部和頂部的變形，頂部因路塹開挖，土體松馳，變形加劇，多形成張拉裂隙，進(jìn)水后自重增加，土體膨脹導(dǎo)致滑坍。土質(zhì)松軟、承載力不夠的地 基，應(yīng)先予以處理地基，基礎(chǔ)埋深通常要大于 1m，墻后填土性質(zhì)而定。墻后應(yīng)填砂礫料，砂礫厚度大于 50cm，目的在于調(diào)整、緩沖墻后膨脹力及其引起的應(yīng)變量。 擋土墻防護(hù) 擋土墻的設(shè)計(jì)是否符合膨脹土路基邊坡客觀條件，關(guān)系到邊坡治理費(fèi)用和安全問題。骨架的作用在于支撐和分割坡面，消除坡面較大范圍內(nèi)的相互漸變牽引的影響，骨架的寬度及其間距，可視坡面土性調(diào)整，常用的骨架寬度為 ，間距 2～ 3m。生物防護(hù)是膨脹土路基邊坡綜合防治中的最重要一環(huán)。一般將滲溝按主溝和支溝布置成地下水排水網(wǎng)系，將滑體內(nèi)的地下水由支溝引入主溝后，排出滑坡體外。 膨脹土邊坡常見的防護(hù)與治 理措施 排水包括地表排水與地下排水，地表排水以防滲和攔截滑體以外地表水，及時(shí)旁引為原則；地下排水以盡快匯集，及時(shí)疏導(dǎo)引出為原則。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。 依托襄 — 荊高速公路膨脹土工程，綜合 以上判別與分類方法，并考慮公路工程施工周期長、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方法，詳見表 1。 用直接指標(biāo)法進(jìn)行分類雖然比較直觀，但是試驗(yàn)方 法比 較復(fù)雜，并且要求試驗(yàn)人員具有較深的專業(yè)知 識和較高的實(shí)驗(yàn)技能。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。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。詳判時(shí)，采用自由膨脹率、蒙脫石含量與陽離子交換量 3 項(xiàng) 指標(biāo)來判定。 (8)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范（ JTGD302022）》分 類 [13]。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)式來進(jìn)行判別與分類，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。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 等作為分類指 標(biāo)，并提出了相應(yīng)的分類標(biāo)準(zhǔn)。 3 膨脹土分類 膨脹土分類方法 目前膨脹土分類方法有以下幾種： (1) 規(guī)范判別分類法。 研 究了電解質(zhì)濃度 和 pH 值對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 。 Spipper 通過中子衍射試驗(yàn)對蛙石晶層間陽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有 Na+隨后 ,他用同樣的試驗(yàn)方法對銼基蛙石進(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) 果說明 ,離子水合能對自身的存在形式有很大影響 。而對于另外一些粘土里和另外幾種陽離子，表面水合更重要。 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。 Norrish 較早對蒙脫石的膨脹進(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。 (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 。 （ 1） 物理性質(zhì)指標(biāo)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(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 。 以上四種方法所測得的膨脹力的大小順序?yàn)?:(l)(2)(3)(4)。 當(dāng)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(yàn)方法 ,可以說這是一種固結(jié)試驗(yàn) 固結(jié)和膨脹恰恰是相反的兩個(gè)過程 這種方法測得的膨脹壓力克服了試件擾動(dòng)的效應(yīng) ,故測量結(jié)果偏大 ,是不完善的 。 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) 。 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(huì)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 ” 。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 ,可以說是無所不包。對它的認(rèn)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(diǎn)。 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(shí)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(shí)成績，必須在上面評分表中標(biāo)出，并計(jì)算入總成績。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。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，劃分膨脹土的類別和等級， 然后確定建筑物的設(shè)計(jì)原則及其相應(yīng)的工程措施。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 。 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 。 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(shí)際 ,因?yàn)榻ㄖ锊蝗菰S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 。 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(jià)值的成果。 Komine 采用恒體積法對壓實(shí)膨潤土的一維膨脹試驗(yàn)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 。 因?yàn)橥馏w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的方向產(chǎn)生 ,如果顆粒取向分布不均勻那么將會(huì)使土體在不同方向產(chǎn)生不同的膨脹力 ,正如 Barden 指出 :由于顆粒取向 的優(yōu)先性造成了土體膨脹的各向異性 。如果晶層間離子為 Na+,當(dāng)電解質(zhì)濃度為 ,底面間距從19A。 而 Israelachvili認(rèn)為水合階段大約有 10個(gè)水分子層，晶層間距大約為 。 Sposito 通過研究認(rèn)為晶層表面的 陽 離 子 有 三 種 存 在 形 式 ， 分 別 是 innersphere surface plex, outersphere surface plax 以及擴(kuò)散離子。 Salles 對多種堿金屬離子的水 合能以及蒙脫石表面的水合能進(jìn)行了量測 ,結(jié)果表明 Li+和 Na+具有很強(qiáng)的水合能 ,在此類蒙脫石晶層中 ,陽離子水合是晶層膨脹的主要原因 :而 K+,Rb+和 Cs 十 的水合能較弱 ,在這些蒙脫石中 ,晶層表面的水合起重要作用 。 但是以上研究中測得的 層間相互作用力只有幾千帕 ,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于宏觀試驗(yàn)中的幾百千帕甚至幾兆帕 ,具體原因還不得而知 ,而且以上試驗(yàn)結(jié)果一般都是在 5nm 甚至更大間距時(shí)符合雙電層理論 ,從試驗(yàn)中不容易出現(xiàn) ,所以以上試驗(yàn)研究結(jié)果不能作為本文探討長程膨脹機(jī)理的對象 。m 粒級， 10 mL 體積土質(zhì)量約為 5 g；高嶺樣則約 4 g，這說 明用標(biāo)準(zhǔn)量筒量取的土樣的密度相差很大；即便對同一種土而言，不同操作人員對同一種土的碾細(xì)不同也會(huì)導(dǎo)致 10 mL 土樣的質(zhì)量存在較大差別。根據(jù)塑性圖聯(lián)合使用塑性指數(shù)與液限來判別膨脹 土，不僅能反映直接影響脹縮性能的物質(zhì)組成成分，而且能在一定程度上反映控制形成脹縮性能的濃差滲透吸附結(jié)合水的發(fā)育程度。南 非威廉姆斯（ Williams）提出聯(lián)合使用塑性指數(shù)及小于 2 181。標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水量與比面積、陽離子交換量、蒙脫石含量之間存在近 似線性的關(guān)系 [9,10]。 膨脹土脹縮機(jī)理的指標(biāo)分析 為了選擇合理的判別指標(biāo)，首先必須研究反映 膨脹土基本性質(zhì)的各指標(biāo)間的相互關(guān)系，以及這些 指標(biāo)的組合規(guī)律，應(yīng)著重考慮脹縮機(jī)理，選擇表征 膨脹土特性的獨(dú)立指標(biāo)和采用數(shù)學(xué)手段對各指標(biāo)作 相關(guān)分析，選出 相關(guān)性最大的特征指標(biāo)，并建立函 數(shù)，這樣就能比較理想地實(shí)現(xiàn)膨脹土的判別目的。 (3) 粒度組成 粒度成分是反映膨脹土物質(zhì)組 成的基本特性指標(biāo)，土中小于 mm 的粘粒與小于 mm 膠粒成分的含量愈高，一般表明蒙脫石成分較多，分散性較好，比表面積大，親水性 強(qiáng)，膨脹性愈大。蒙脫石由二層硅氧四面體中間夾著一層氧八面體組成的二八面體 構(gòu)造，晶格之間的氧層相連 接，具有極弱的鍵和良好的解理，使極性水分子 容易進(jìn)入單位晶層之間 形成水膜，產(chǎn)生晶格擴(kuò)張膨脹，當(dāng)膨脹土蒙脫石含 量達(dá)到 5 %時(shí)，即可對土的脹縮性和抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的影響，若膨脹土蒙脫石含量超過 20 %時(shí)，則土的脹縮性和抗剪強(qiáng)度基本上全由蒙脫石控制。 以往的實(shí)踐表明，采用單一的指標(biāo)很難準(zhǔn)確判 別膨脹土與非膨脹土。 表 膨脹土膨脹潛勢等級判定標(biāo)準(zhǔn) Table The suggested classification scheme of swelling potential of soils 指標(biāo) 膨脹潛勢等級 弱膨脹土 中膨脹土 強(qiáng)膨脹土 液限 /% 4050 5070 70 塑性指數(shù) 1825 2535 35 自由膨脹率 4065 6590 90 mm 顆粒含量 /% 35 3550 50 脹縮總率 /% 4 膨脹土的治理措施 膨脹土邊坡常見的防護(hù)與治理措施 膨脹土的脹縮性、多裂隙性及風(fēng)化特性是引起膨脹土邊坡失穩(wěn)的內(nèi)在因素，而氣候作用、雨水滲透與蒸發(fā)則是促使膨脹土邊坡失穩(wěn)的外在因素。 （ 3）膨脹土的裂隙性是影響膨脹土邊坡穩(wěn)定的主要和直接原因，且受含水量影響顯著。 （ 2）排水溝：排水溝應(yīng)設(shè)在坡腳外側(cè)，在排水溝與坡腳之間必須設(shè)置一定寬度的水溝平臺(tái)，以防止坡腳沖蝕和浸水膨脹變形。 坡面防護(hù) 膨脹土邊坡因開挖而產(chǎn)生的施工擾動(dòng)效應(yīng)特別明顯，挖方使原來處于穩(wěn)定的膨脹土裸露在邊坡表面。因此水泥土護(hù)坡防護(hù)在膨脹土路基邊坡綜合