膨胀土特性分析

工程勘测膨胀土是一种特殊土，有较强的胀缩性、较小的渗透性、较发育的裂隙等。

土的胀缩性是导致膨胀土地区工程地质问题和危害的根本原因，认识膨胀土的工程特性有科学、经济和安全的现实意义。

1.膨胀土主要类别、矿物成分及结构特征工程实际中对膨胀土需注意区分、鉴别、判定膨胀等级。

《规程》规定膨胀土的膨胀等级按自由膨胀率δef分为4级：强膨胀土δef≥90，中等膨胀土65≤δef＜90，弱膨胀土40≤δef＜65，无膨胀土δef＜40。

采用相应的试验方法测试膨胀土的物理、力学性质指标，科学合理的选择工程技术处理措施，保证工程的安全、稳定、经济有效地运行。

自由膨胀率是胀缩潜能指标，不能完全反映膨胀土现有状态的胀缩能力，其胀缩能力还与含水率、密度、内应力积聚状况等有关。

膨胀土的矿物包括碎屑矿物和黏土矿物。

碎屑矿物主要为石英、水长石、其次为方解石硬石膏等，碎屑在膨胀土中以粗颗粒形式存在，对土的膨胀性起稀释作用。

黏土矿物包括蒙脱石、伊利石、高岭石，部分膨胀土中还含有蛭石、石英、绿泥石等。

在电子显微镜下蒙脱石呈不规则鳞片状叠聚体，高岭石呈规则六边形，具清晰而平直的边缘轮廓，伊利石介于二者之间，呈册束状或栅束状。

黏土矿物是具有层状或键状晶体构造的含水铝硅酸盐，结晶度低，晶粒细微，同晶置换现象普遍，胶体特性典型。

然而，各类黏土矿物由于化学成分、晶格构造、交换阳离子能力等不同造成了不同黏土矿物之间的特性差异。

膨胀土的微结构是一类具有复杂型式的特殊结构体系。

以片状或扁平状黏土颗粒相互集聚形成的微集聚体（或叠聚体），是组成膨胀土结构的主要结构基本单元体，决定着膨胀土的膨胀与收缩性，以及强度特性。

各种微孔隙与微裂隙的存在，决定了膨胀土的孔隙—裂隙介质体属性，有利于水的渗入与溢出，为聚集体的膨胀与收缩创造了水分迁移变化的必要条件；但同时决定了土体的各向异性，产生了复杂的微观结构效应，其中突出的是对超固结黏土的软化。

膨胀土微观上对水吸附、排泄作用在宏观上的综合体现是，土体在某一方向上的长度胀缩。

抑制长度膨胀则显示出膨胀力，或二者均部分体现；阻碍长度收缩土体便拉裂；膨胀降低土体抗剪强度，收缩增加膨胀潜势破坏土体结构。

2.膨胀土的工程地质特性2.1膨胀土的表观特征皂脂特征。

膨胀土具有类似新鲜肥皂、石蜡、石膏的滑腻质感、蜡质光泽及脂肪的油腻感，与一般黄土有明显区别，具特殊质感和光泽。

裂隙性。

将膨胀土掰开，断面有较多裂隙，裂隙越多膨胀性越大。

膨胀土无论是在电子显微镜下观察到的微观结构，还是在宏观状态下的土体，都存在不同形态的裂隙，其产生的原因是内部结构、沉积固结、内应力集聚和外部环境共同作用的结果。

裂隙的发展具有一定的继承性，历史的隐蔽裂隙在外部条件的触发下具有唤醒特征。

在干湿循环的外部环境作用下，裂隙不断的张合。

在水的浸溶下，溶蚀的膨胀土失水后黏附在裂隙两壁形成更黏、膨胀性更大的膨胀土薄层，这薄层膨胀土加重了膨胀土体的不稳定性。

颜色。

膨胀土一般具有灰绿、灰白、棕黄、紫红色，一般灰绿色膨胀性最大，灰白、棕黄次之，紫红色一般较小。

颜色是膨胀土的特殊标志，是判别是否膨胀土及膨胀等级的明显要素。

含有物。

由于成因不同，膨胀土含有数量不等的粗颗粒。

残坡积膨胀土体杂风化程度不等的包石或碎屑，河流搬运夹有砂粒，湖相沉积较细腻纯净，冰水积含有碎卵石。

膨胀土沉积后在水的作用下也发育出一些粗颗粒，如铁锰结核、钙镁结核，钙镁结核富集可形成钙盘，钙镁的析出会加重上层土的膨胀性，结核有助增大土体强度。

2.2膨胀土的透水性膨胀土一般属极微透水性，渗透系数在10-6~10-10cm/s之间，是很好地隔水层，但膨胀土体因存在大量裂隙，从微观到宏观上都存在渗透孔隙，宏观上会产生集中渗流、边坡产生出水点。

工程中采取合理的截渗或排水措施排走渗水，封闭、潴留、四溢往往造成周围土体的膨胀且降低土体强度。

2.3膨胀土的收缩性膨胀土的膨胀和收缩互为前提，均受环境改变影响，在工程上均具有危害。

土体因失水而收缩，失水改变土体原来的潮湿环境。

在环境发生变化后，尤其是大气营力作用范围内，膨胀土体内失水产生负的张力产生收缩，收缩与膨胀等级、失水速度、土体密度、失水程度等有关。

表层土因暴露于外界环境直接受大气营力作用，一般呈散体结构，下部受大气营力影响存在收缩缝隙。

土体收缩后竖直方向高度降低，水平方向土体拉裂，或呈碎裂状或形成长大裂缝，裂缝上宽下窄，直至尖灭，土体强度大幅降低，基础产生不均匀沉降，易造成工程的结构性破坏或上覆建筑物拉裂。

土的自由膨胀率越大、起始含水率越高、摘要膨胀土是一种富含亲水矿物，湿度变化引起体积和内应力变化的多裂隙胀缩性特殊土，膨胀土滑坡是主要的工程地质问题。

结合南水北调中线邯邢段20多年的勘察、试验及施工经验，简要总结工程实际中，根据不同的膨胀等级采取相应的地基处理措施，保证工程安全、稳定、经济、有效运行。

关键词膨胀土；特性；分析膨胀土特性分析□郄国增收稿日期：2018-06-12作者简介：郄国增，男，汉族，河北省水利水电第二勘测设计研究院，高级工程师。

38工程勘测失水量越大，收缩量越大；失水趋势延续时间越长，影响越深、作用范围越广；环境变化越大、越剧烈，影响越大。

膨胀土地区施工期尽量避开雨季，施工面做好排水措施；工程中深开挖大断面暴露应快挖快填或边挖边填，不能回填要快速覆盖；库岸、渠道排空需加强巡视观测，尽量避免长时间排空，以免收缩引起工程结构的破坏；膨胀土地区建筑物周围不宜栽植灌木。

2.4膨胀土的超固结性及各向异性除新近沉积地层外，地表以下大气营力作用范围内膨胀土体历经多次胀缩，每次胀缩对自身及周围土体产生作用力，其大小在一定深度范围内大于上覆压力，这是塑造膨胀土超固结性重要因素之一，所以大部分膨胀土为超固结土，一般呈低压缩性。

并且在宏观上土体自由率愈大超固结性愈大，反之愈小。

收缩后裂缝在竖直方向上张开，地表杂物充填裂隙，吸水潮湿后土体膨胀、裂隙闭合，充填杂物起到楔的作用，水平方向的应力快速增加。

胀缩是循环的，膨胀土在大气营力范围内在水平方向反复作用，造成水平方向大于垂直方向应力，这是膨胀土各向异性的来源之一。

2.5膨胀土的崩解性膨胀土均具崩解性，可通过崩解试验测定，崩解速度与膨胀性、干湿程度、裂隙成正相关。

一般含砂土在土体收缩后砂粒的支架作用土体疏松，水极易浸入，土体迅速崩解；潮湿黏土崩解较慢，但崩解作用一直持续。

因土体崩解后强度为零，故土的崩解在工程中的临水面不得不防，尤其是处于流水的河堤暴露出膨胀土层，其侵蚀破坏会一直持续，直至坡面沉积覆盖上一层湿软的土层，这层湿软土层在重力作用下由上至下逐渐密实，阻止流水继续渗入，保障侧后方边坡的直立强度。

2.6膨胀土的强度特性“膨胀土岩多分布在山区与平原区的过渡地带，自然边坡一般无明显陡坎，冲沟发育，在岗地东坡、南坡易形成鸡爪地形，坡度一般5°~10°，局部达20°左右，西坡、北坡多形成平缓开阔的地貌，坡度一般小于5°。

”地表下天然状态膨胀土密度较高，一般属低压缩性黏性土，因多裂隙抗滑能力较差，内部裂隙纵横交错，在外力作用下裂隙极易贯通，隐裂隙、历史裂隙易唤醒，滑裂面呈蜡光泽。

膨胀土的土块强度>土体强度>结构面强度。

膨胀土体可以理解为是由许多结构面切割的土块堆积，其强度不仅决定于土块强度，更受结构面强度控制，并且土块强度随含水率的增加而降低，结构面强度是变化的，受含水率、内外应力、大气营力强度及作用时间控制。

所以单纯研究土块强度意义不大，发现、追索、观察、研究结构面的强度及其发展趋势有益于工程稳定性的研判。

工程中一般采用抗滑桩、格栅、挡土墙等措施，通过外力方式提高边坡的整体强度。

2.7膨胀土的滑坡膨胀土滑坡在水利工程中是主要的工程地质问题，分布范围广、持续时间长、处理难度大。

膨胀土滑坡与节理裂隙发育程度、岩层倾角、边坡高度、岩层接触面、地下水地表水等因素作用下发生的，应综合分析。

滑坡的发生大部分是水的因素触发，或因一场降雨入渗大大降低结构面强度造成的。

滑坡主要是外界环境改变，降低了膨胀土体、裂隙面、接触面强度，超越其承受应力极限而发生的。

对于水利工程尤其是引水渠道，在一定深度范围内需大面积开挖，膨胀土体形成临空面，破坏了土体原有的应力状态及干湿环境，在开挖深度范围内揭露出不同岩层，需要关注岩层接触面形成的滑坡。

如膨胀土层与上下的非膨胀土层，或强膨胀土层与上下的弱膨胀土层的接触面，膨胀土处于活跃或不稳定接触面之间，其胀缩变形极易降低自身强度及接触面应力状态；并且接触面也是水的来源地和富集处，使得层间处于未“锁定”状态膨胀土体极易滑坡。

此类起止于接触面的滑坡概率与接触面倾角呈正相关。

3.结论因组成膨胀土矿物成分的特殊结构性，造成了膨胀土体的工程特性，把握膨胀土的胀缩性便掌握了主要矛盾，控制胀缩条件是保证膨胀土体的稳定前提。

工程中各种工况千差万别，需综合分析、仔细研判，在设计、施工、运行管理各环节中采取科学、合理的措施保障工程稳定。

□外侧撒播爬山虎草籽，从而对洞脸形成有效防护。

3.5弃渣场工程措施：弃渣场在弃渣作业前先进行表土剥离，集中堆存，清表土采取撒播草籽的方式进行防护，以保证工程建设后期绿化用土。

根据项目区周边地势，弃渣场均为公路两侧的天然沟道，呈U字形断面，沟道纵坡40‰-150‰，一般为60‰，弃渣沿沟道平均填高小于10m，在弃渣场下游边坡坡脚处或弃渣场内较大的支沟沟口布置浆砌挡渣墙。

弃渣自低于挡渣墙顶0.5m 处开始向里堆放，分平台和斜坡逐渐增高，形似梯田。

植物措施：施工结束后对渣体平整，并采取灌、草相结合的方式进行绿化，主要在弃渣场的坡面和平面撒播种草，挡水土埂和弃渣顶面种植柠条和枸杞，从而形成对弃渣场的改良和再利用。

3.6取土场本工程取土方量较大，所设取土场均为荒坡，取土前首先进行表土剥离，并对其进行必要的拦挡和苫盖，同时在取土场上游布设截水沟、在取土场的两侧布设排水沟，防止上游来水对取土场造成冲刷，施工结束后回覆表土，并采取灌、草相结合的方式进行绿化。

3.7施工便道由于运输方量较大，因此该区也应重点防护。

对于局部高边坡施工便道采用草袋装土拦挡的方式护坡，施工结束后，采取灌草相结合的方式时行植被恢复，同时施工道路使用过程中必须经常洒水，减少扬尘。

3.8施工生产生活区施工队伍进场前，在施工生产生活区拦挡外侧开挖排水沟，将雨水及其生产、生活用水全部顺畅地引入旁边的沟渠，临时排水沟设计底宽0.3m，高0.4m，边坡比1：1。

施工场地混凝土养护水、砂石料冲洗水、机械冲洗水等应尽量集中排放，通过沉沙池循环利用，每个施工区设置1个沉沙池，沉沙池设计平面为长方形，纵剖为梯形，另设梯形入水口和出水口。

沉沙池底长6m，宽4m，深2m，边坡1:1.0。