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膨胀土的工程性质和改良措施

《高等土力学》

姓名：

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环境与土木工程学院

题目：

膨胀土的工程性质和改良措施

2016年1月

1.膨胀土概念期判别

1.1膨胀土概念

膨胀土是一种富含亲水性粘土的矿物（主要为蒙脱石和伊利石等），并且随含水量增减，体积发生显著胀缩变形的高塑性粘土。

膨胀土不同于一般黏性土，它是一类具有超固结性、裂隙性和胀缩性的非饱和土，由于对气象变化特别敏感，常常引发路面开裂、隆起或沉陷，路堤和路堑滑塌、边坡失稳等工程病害。

1.2膨胀土的分类方法

目前膨胀土分类方法有以下几种：

（1）规范判别分类法。

国家标准“膨胀土地区建筑技术规范”（GBJ112-87）提出了按膨胀土的工程地质特征进行初判，再按自由膨胀率大小划分膨胀土的膨胀潜势方法。

（2）最大胀缩性指标分类法。

柯尊敬教授主张按最大胀缩性指标进行分类，他认为：

一个适合的胀缩性评价指标必须全面反映土的粒度组成和矿物成分，以及宏观与微观结构特征的影响，同时能消除土的温度和密度状态的影响，即不随土湿度和密度状态的变化而变化，而且还要适应胀缩土各向异性的特点。

因此，推荐用直接指标，即最大线缩率δsv′，最大体缩率δv′，最大膨胀率δep′等作为分类指标，并提出了相应的分类标准。

（3）塑性图判别与分类法。

塑性图系由A.卡萨格兰首先提出，后来李生林教授作了深入的研究，它是以塑性指数为纵轴，以液限为横轴的直角坐标。

根据塑性图联合使用塑性指数与液限来判别膨胀土，不仅能反映直接影响胀缩性能的物质组成成分，而且能在一定程度上反映控制形成胀缩性能的浓差渗透吸附结合水的发育程度。

（4）多指标综合判别分类法。

根据粘粒含量、液限与线胀缩率，以及比表面积与离子交换进行分类。

这些指标对土的膨胀性和强度特性都有重要影响，特别是比表面积能反映土体的主要粘土矿物，比表面积增大，颗粒表面自由能亦增加，颗粒与介质溶液之间作用更强，使颗粒间水化膜厚度增大，从而降低了土体强度。

（5）多指标数学式判别与分类法。

采用数学方法进行主因子分析与逐步回归分析，提出了综合指标数学式来进行判别与分类，有多元线性函数判别法、4因子判别函数式、多变量数学统计法。

有些学者提出采用多个指标，应用模糊数学和灰色理

论以及专家系统进行膨胀土胀缩等级判别。

（6）南非威廉姆斯（Williams）分类标准。

南非威廉姆斯（Williams）提出联合使用塑性指数及小于2µm颗粒的成分含量作图对膨胀土进行判别分类，分为极高、高、中等、低等4级。

（7）风干含水量法。

谭罗荣教授提出了风干含水量判别法，建立一种新的wf～wL膨胀土判别分类图。

该方法离散性较大，实际应用中不易控制。

（8）《公路路基设计规范（JTGD30-2004）》分类。

初步提出了按标准吸湿含水量和塑性指数进行判别和分类的方法。

标准吸湿含水量是在标准温度（通常为25℃）和标准相对湿度（通常为60%）下，膨胀土试样恒重后的含水量。

标准吸湿含水量与比面积、阳离子交换量、蒙脱石含量之间存在近似线性的关系。

标准吸湿含水量是近年刚提出的一项指标，它与比表面积、阳离子交换量、蒙脱石含量之间的相关的关系仅进行了室内人工配制土样试验和小范围的适用性验证，缺乏大范围的适用性验证，其作为膨胀土判别与分类的指标的适用性亟待探讨，其分级标准更需进行广泛的试验验证工作。

（9）《铁路工程特殊岩土勘察规程（TB10035-2002）》分类法。

铁道部2002年制定的行业标准规定膨胀土的判别分为初判和详判。

初判时，现场地貌、土的颜色、结构、土质以及自然地质现象符合膨胀土的现场宏观特征，且自由膨胀率Fs≥40%，液限≥40%时，应判定为膨胀土。

详判时，采用自由膨胀率、蒙脱石含量与阳离子交换量3项指标来判定。

2.膨胀土的强度特征及影响因素

2.1膨胀土的强度特征

大量学者对膨胀土的强度规律进行了研究，发现膨胀土强度变化大致可以归为以下3类：

（1）含水率引起的非饱和膨胀土强度变化

缪林昌学者对非饱和膨胀土进行了试验研究，结果表明，含水率是影响非饱和膨胀土强度的关键因素，含水率越大，强度越低。

许多实例表明，膨胀土坡往往在雨季发生破坏，这说明采用膨胀土的饱和强度尚不能保证膨胀土坡的稳定，而非饱和膨胀土的强度要远高于其饱和强度，用非饱和膨胀土强度进行设计与计算将是偏于危险的。

（2）膨胀土剪切破坏后的强度变化

土体在破坏之后仍具有保持残余变形和抵抗外部载荷的能力，称此时的强度为残余强度。

考虑到采用膨胀土的饱和强度仍不能保证膨胀土坡的稳定，有学者指出，应采用膨胀土的残余强度。

但超固结黏性土都存在残余强度，为何仅针对膨胀土坡采用残余强度，而其他黏性土坡不用呢？

在理论上无法解释。

用残余强度，只能看作一种近似的处理方法。

（3）膨胀土经干湿循环后的强度变化

李妥德、刘特洪、吕海波分别对膨胀土进行了干湿循环直剪试验研究，发现膨胀土强度随干湿循环次数增加而显著降低。

这是一个影响强度的重要因素。

吕海波认为干湿循环对土的粒间联结造成不可逆的损伤，有助于土体形成松散的排列，形成更大的孔隙空间，在高含水率时主要表现为集聚体间孔体积增加，在低含水率时集聚体内孔体积增加，土体干湿循环后抗剪强度降低是微结构劣化的结果。

刘华强在此基础上作了干湿循环直剪试验的进一步研究，拍摄了不同干湿循环次数下试样裂隙开展情况的照片。

结果表明，随着干湿循环次数的增加裂隙显著发展，从而揭示了膨胀土强度随着干湿循环次数增加而降低的根本原因是裂隙的开展。

2.2膨胀土的强度的影响因素

徐彬等学者通过大量实验发现影响膨胀土强度的因素主要有3个，即含水率、密度和裂隙。

膨胀土强度指标的降低是由于含水率、密度不断地变化以及裂隙的发展共同作用的结果。

膨胀土强度指标的降低是由于含水率、密度不断的变化以及裂隙的发展引起的。

其中含水率和裂隙对强度的影响较大，而密度对强度的影响较小，可忽略不计。

对于饱和的膨胀土，裂隙的发展是影响其强度的关键因素。

膨胀土强度的确定应考虑裂隙的发展。

3.膨胀土的变形特征

膨胀土含有的大量细小黏土颗粒与较强的蒙脱石晶体矿物及显著的微结构特征，是其产生强烈胀缩变形的内因与本质，而土中发育的微孔隙-裂隙结构及其初始状态，是发生胀缩变形的外因。

由于膨胀土胀缩变形的内因与其矿物成分、化学特征及成因类型密切相关，可以通过量测膨胀土初始状态，即初始含水率、初始干密度、上覆压力与胀缩变形的关系，研究膨胀土的变形规律。

3.1无荷载作用下变形特征

通过大量无荷载膨胀实验发现，随着时间的增长，土样膨胀率越来越大，24h左右膨胀率达到稳定值。

无荷膨胀率试验，开始阶段膨胀土吸水较多，导致结合水膜增厚，“楔开”土颗粒，使固体颗粒之间的距离增大，产生体积膨胀，膨胀率增大，且增长显著，之后膨胀率增长幅度变小。

水分渐渐充满孔隙，膨胀土吸水率变小，膨胀率增长幅度变小。

最后膨胀土吸水达到稳定状态，膨胀率保持不变。

将无荷载膨胀率与时间变化曲线划分为3阶段：

①加速膨胀阶段，0～6h；②等速膨胀阶段，6～24h；③稳定阶段，24h以后。

3.2有荷载作用下变形特征

有荷条件时，随着压力的增大，膨胀率减小。

当所加压力较小时，膨胀率的变化幅度较大。

当所加压力较大时，膨胀率的变化幅度较小。

假定在一定的初始条件下，同一种膨胀土的膨胀力为一定值，将土体的膨胀看作一个平衡体系，压力与膨胀力相等时处于平衡点。

当压力小于膨胀力时，土体膨胀势增大，膨胀率变化大。

当压力大于膨胀力时，土体膨胀势被抑制，仅产生压缩。

土体在较小荷载下压缩稳定后，再浸水膨胀，膨胀力大于上覆荷载，膨胀率大于0，且比无荷条件时达到稳定状态所需时间要短6h左右。

这是因为荷载对土体产生压缩作用，荷载较小时，压缩作用不足以抵消土体的膨胀趋势，且荷载对土体膨胀的抑制作用使得土体达到膨胀稳定状态所需时间减少。

当荷载增大到大于膨胀力的某一特定值时，荷载对土体膨胀的抑制作用使得土体浸水后不但没有膨胀，反而被压缩。

袁俊平等认为此时土体浸水后团粒结构塌陷，土体体积不但不会膨胀，反而会收缩，从而造成土体湿陷。

3.3干湿循环作用下变形特征

唐朝生等学者通过试样发现，试样在常规干湿循环过程中的胀缩变形随循环次数的增加逐渐趋于稳定；胀缩特征受干缩路径的影响非常明显，全干缩路径中测得的膨胀率高于部分干缩路径，膨胀速率随干湿循环次数的增加而增加；试样在干湿循环过程中的膨胀率大小在一定程度上取决于吸湿能力。

3.4有荷载干湿循环作用下变形特征

膨胀土的胀缩变形过程并不完全可逆。

在一定荷载变化范围内，经历相同的干湿循环次数，荷载越大膨胀土的绝对和相对胀缩率越小；土的抗剪强度随上覆压力的增大而增大，且在同一级荷载下随着干湿循环次数的增多而衰减，但随着荷载增大其衰减率变小。

荷载对干湿循环过程中膨胀土的胀缩幅度及强度衰减具有明显抑制作用。

杨和平等学者通过大量实验发现，有荷载干湿循环作用下的变形特征主要表现为：

①有荷条件下，膨胀土的干缩湿胀变形并不完全可逆。

随干湿循环次数的增多，试样的相对胀缩率和绝对胀缩率都在逐渐减小；在第1、2次循环过程中其变形的变化幅度最大，之后基本趋于稳定；强度随干湿循环次数的增大而衰减，同样第1、2次中衰减最大，其后也渐趋稳定。

②外荷载的作用将导致非饱和膨胀土的结构变化，从而极大影响其在干湿循环作用下的强度及变形特性。

同一干湿循环条件且处于膨胀土正常工作荷载的变化范围内，土样受到的竖向作用力越大，其相对和绝对胀缩率越小，荷载对膨胀土的干缩湿胀变形有明显的抑制作用。

③膨胀土在同一干湿循环条件且处于正常工作荷载的变化范围内，所受竖向荷载越大，其强度衰减越小，荷载对膨胀土的干湿循环强度衰减也有明显的抑制作用。

4.膨胀土工程的影响及防治措施

4.1膨胀土边坡稳定性

膨胀土是多裂隙土，其边坡的稳定性在很大程度上受裂隙影响。

裂隙开展后抗剪强度显著降低，裂隙开展深度将本来均一的土层划分为强度差异显著的不同土层，雨水进入裂隙中形成渗流增加了滑动力矩，裂隙还随时间而发展。

陈生水等学者发现干湿循环使得膨胀土边坡产生裂缝，随着干湿循环次数的增加，裂缝逐渐变宽变深。

裂缝的存在不仅削弱了膨胀土边坡土体的结构，而且为水的入渗提供了通道，从而使土体软化，强度降低。

每次干湿循环，膨胀土边坡均累积了向坡下的沉降和水平位移，随着干湿循环的次数的增加，不论边坡土体密度高低，最终都将导致膨胀土边坡的渐进破坏。

卫军等学者根据膨胀土边坡失稳破坏现象,发现膨胀土边坡失稳破坏与一般岩土边坡的失稳破坏有所不同,具有浅层性、多发性和重复性。

具体破坏类型可归结为3种:

表层溜塌、浅层破坏和深层破坏。

滑体的滑动面呈弧形,后壁出现陡坎。

同时，卫军还发现膨胀土边坡深层破坏的深度较深,影响范围也较大,一般由坡率选取不当所致,与岩土边坡的失稳破坏相同。

而表层溜塌、浅层破坏则表现出了膨胀土边坡失稳破坏的特殊性。

在没有防护的膨胀土边坡表面,常能见到表层溜塌,俗称“鸡爪沟”。

浅层破坏的破坏深度要比表层溜塌大一些,一般在几米以内,影响范围和严重程度比深层破坏小很多,但发生几率极高,且会重复发生,导致原有坡率改变,引起深层破坏。

膨胀土边坡失稳破坏的主要形式是表层溜塌和浅层破坏,均由膨胀土胀缩特性、崩解性、多裂隙性和超固结性等所决定。

除此之外,由于大气环境的影响,膨胀土边坡的表面存在一个常被称为大气影响深度或风化层深度的范围。

在这个范围内,膨胀土的含水量随大气环境的变化而变化,并自表及里形成强度分区;在此深度外,膨胀土仍保持天然状态时的抗剪强度值。

这造成膨胀土边坡失稳破坏的特殊性,也决定了膨胀土边坡稳定性分析的复杂性,不能直接采用常规的极限平衡分析方法,必须对其进行改进,将抗剪强度考虑为分布变化场,随土体含水量的不同而变化。

4.2膨胀土路基稳定性

膨胀土是颗粒高分散、成分以黏土矿物为主、对环境的湿热变化敏感的高塑性黏土。

它是一种吸水膨胀软化、失水收缩干裂的特殊土。

正是由于这种土的显著胀缩特性，使膨胀土地区的铁路、公路等路基或建筑物地基经常遭受巨大的破坏。

膨胀土地区公路建设中，因膨胀土天然含水率高，难以压实且水稳性差，用膨胀土填筑的路基易发生运营期增湿膨胀、干密度降低、承载力下降，导致路面早期破坏。

刘义虎等学者认为不同干湿循环的循环顺序对膨胀土路基的破坏作用不同。

日照将引起水分蒸发及产生裂缝;降雨将产生坡面流的侵蚀及水的径流冲刷破坏。

最不利的干湿循环顺序为长期暴晒之后的暴雨,膨胀土路基在暴晒之后出现较大的裂缝,暴雨将沿裂缝产生水的大量入渗和坡面流的侵蚀及水径流的冲刷破坏作用。

4.3膨胀土路基处理方法

（1）换土

换土是膨胀土路基处理方法中最简单而且有效的方法。

即挖除膨胀土,换填非膨胀土或砂砾土,换土深度根据膨胀土的强弱和当地的气候特点确定。

在一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影响而使土体含水量急剧变化的深度,基本上在1～2m,即强膨胀土为2m,中、弱膨胀土为1～1.5m,具体换土深度要根据调查后的临界深度来确定。

（2）湿度控制

湿度控制法包括预湿和保持含水量稳定。

为控制由于膨胀土含水量变化而引起的胀缩变形,尽量减少路基含水量受外界大气的影响,需在施工中采取一定的措施。

如利用土工布或粘土将膨胀土路基进行包封,避免膨胀土与外界大气直接接触,尽量减少膨胀土内部的湿度迁移。

水利工程建设中经常采用膨胀土预湿法,用水浸泡地基土或覆盖非膨胀土以达到膨胀土的湿度平衡。

（3）改性处理

化学固化就是利用石灰、水泥或其它固化材料通过与膨胀土的物理化学作用进行膨胀土的改性处理,以达到降低膨胀土膨胀潜势、增加强度和提高水稳性的目的。

具体来说:

石灰的固化作用是由于盐基交换、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、铝酸钙等新矿物而显现出来;水泥的固化作用是由于钙酸盐与铝的水化物和颗粒间的胶结作用,胶结物逐渐脱水和新生矿物的结晶作用,从而降低膨胀土的液限,增大了膨胀土的塑限和抗剪强度;NCS固化材料除具有石灰、水泥的优点消除土的胀缩性外,还有吸水增强作用,改善土的压实性并生成微型加筋结构,提高土的强度。

5.膨胀土改良技术

目前，膨胀土改良方法的研究主要有物理方法、化学方法、生物技术改良及利用固体废弃物改良等。

5.1物理改良方法改良膨胀土

（1）掺纤维改良膨胀土：

由于基体吸水膨胀时，纤维和基体的界面产生切应力，从而限制基体的进一步膨胀，对土体的变形到约束作用。

利用土中纤维加筋能有效抑制膨胀土的膨胀，减少膨胀土的膨胀力和膨胀率，显著提高土体无侧限抗压强度、凝聚力和内摩擦角。

纤维对膨胀土收缩性质有明显改良，可显著降低纤维土的收缩性。

（2）风化砂改良膨胀土：

风化砂改良膨胀土就是将风化砂按照一定的配合比例掺入膨胀土中，经过拌合之后形成改良土样，掺砂改良膨胀土的机理主要有：

①增大了膨胀土中粗颗粒含量，达到减小膨胀量的效果；②改变了膨胀土的密实特性，增大空隙率，减小膨胀土的膨胀量；③增大了膨胀土颗粒与颗粒之间的摩擦力，利用颗粒与颗粒之间的摩擦力抵消一部分的膨胀力，达到降低膨胀量的效果；④增大初始含水率，使膨胀土在施工时处于一个高含水率状态，从而达到降低膨胀量的效果。

5.2化学改良方法改良膨胀土

（1）石灰改良膨胀土：

石灰是一种无机的胶结材料，其作用机理如下：

①离子交换作用：

在土中水作用下，生石灰迅速消解，产生Ｃａ（ＯＨ）２及少量Ｍｇ（ＯＨ）２。

Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋置换膨胀土颗粒所吸附的Ｋ＋、Ｎａ＋等离子，使膨胀土的分散性、坍塌性、亲水性和膨胀性降低，塑性指数下降并易稳定成型，形成早期强度。

②碳酸化作用．Ｃａ（ＯＨ）２和Ｍｇ（ＯＨ）２在土中不断和空气中ＣＯ２反应生成ＣａＣＯ３和ＭｇＣＯ３坚硬的固体颗粒，具有较高的强度和水稳定性，由于ＣａＣＯ３对土体的胶结作用使得土体形成石灰稳定土。

③凝胶反应：

离子交换反应后期，随龄期增长，膨胀土中的硅胶、铝胶与石灰进一步反应形成含水硅酸钙、铝酸钙。

这两种凝胶能够在水环境下发生硬化，在膨胀土的粘粒外围形成稳定的保护膜，具有很强的粘结力，形成网状结构，使灰土强度增长，并保持长期的稳定。

同时保护膜还能起到隔离水分的作用，使膨胀土获得水稳定性。

④结晶作用：

石灰掺入膨胀土中后，溶解度很小，除了离子交换和碳酸化作用外，绝大部分以氢氧化钙结晶水的形式析出，进一步提高了膨胀土的强度和水稳定性。

（2）水泥土改良膨胀土：

水泥的掺入改变了膨胀土的结构和化学成分，从而改良了膨胀土的物理力学性质。

通过水泥与膨胀土的离子交换及团粒化作用、硬凝反应及碳酸反应，使土体粒间连接力增强，抗压强度增大，可以有效地改良土的膨胀性。

（3）二灰土改良膨胀土：

二灰土是由石灰、粉煤灰与土混合而成。

石灰和粉煤灰混合治理膨胀土，石灰和粉煤灰可各自发挥成分的特长。

石灰和膨胀土的胶凝反应进行较慢，早期强度不高，而粉煤灰含有大量活性ＳｉＯ２和Ａｌ２Ｏ３，在石灰存在的情况下，水化生成胶凝性物质胶结膨胀土颗粒，形成网状连接，使膨胀土的早期强度提高，后期强度稳步增长。

5.3生物方法改良膨胀土

微生物是存在于自然界的一群体形微小、结构简单、肉眼看不见的微小生物。

微生物分泌的带有粘性的有机物粘液和聚合物的粘结，促使粘质粉土颗粒簇的随机生成。

其新陈代谢活动，可改变原始地质环境，使矿物直接在介质中沉淀。

沉积物和死亡的细菌将土颗粒胶结或填塞粒间孔隙，对膨胀土起到改良作用。

利用微生物改良膨胀土，目前尚处于理论分析和试验研究阶段。

5.4固体废弃物改良膨胀土

（1）粉煤灰改良膨胀土

粉煤灰是一种工业废料，属于富含粘土矿物的硅质材料，由多种氧化物组成，一般粉煤灰的化学成分主要为ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３．粉煤灰加入膨胀土中发生离子交换和团粒化作用、碳酸化作用、胶凝作用等。

掺入粉煤灰可改善土体的水稳定性，其活性指数、胀缩性指标也会随掺灰率的增加而降低。

粉煤灰作为工业废渣广泛分布于我国各个城市的火力发电厂之中，储量非常巨大。

科学、合理地利用粉煤灰，不仅可减少工业废料的占地面积和公路建设时的取土毁地面积，而且能够提高能源的利用率，实现可持续发展。

（2）矿渣复合料改良膨胀土

矿渣复合料主要由矿渣及部分固化剂和少量激活剂三种材料组成。

当矿渣复合料掺入土中后，除了加固剂起部分加固作用外，主要是激活剂使潜在水硬性的矿渣激活，使之成为水硬性的加固材料。

矿渣和加固剂水化后产生Ｃａ（ＯＨ）２使膨胀土颗粒表面产生阳离子交换，吸附Ｃａ２＋离子，其他水化物与膨胀土发生凝硬反应，从而使膨胀土的团聚体强度增加；矿渣和加固剂的浆液水化后，在团聚体间产生多种水化物凝胶，因而起到包裹和胶结膨胀土团聚体，起到改良膨胀土的作用。

矿渣是一种工业废料，利用矿渣改良膨胀土，可变废为宝，降低工程造价，减少对环境的影响。

（3）废弃秸秆灰渣改良膨胀土

利用秸秆灰渣改良膨胀土可有效的改善膨胀土的工程性质，降低膨胀土的三维自由体膨胀应变、三维自由体收缩应变，同时降低了膨胀土的膨胀力，提高膨胀土的工程特性。

利用秸秆灰渣改良膨胀土既降低了工程造价又使得农业固废得到妥善处理。

（4）工程弃碴改良膨胀土

在实际工程中，会产生大量的工程弃碴，采用弃碴等粗粒土来改良膨胀土，既可降低造价，又可减少施工弃碴对环境的破坏，是一种经济有益的方法。

冯怀平等通过室内试验、现场检测，对工程弃碴改良膨胀土路堤的工程特性进行研究，给出改良土的最佳配合比，合理摊铺厚度以及压实工艺。

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