膨胀土知识

膨胀土知识简介

1膨胀土的研究意义

膨胀土是粘粒成分主要由亲水矿物(主要是蒙脱石、伊利石、高岭石等)组成，液限大于40%，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特征的粘性土。在自然条件下，一般多呈硬塑或坚硬状态，具黄、红、灰白等色，裂隙较发育，常见光滑面和擦痕。膨胀土分布广泛，在世界六大洲的40多个国家都有分布。自1938年美国开垦局在俄勒冈州的一例基础工程中首次认识了膨胀土问题，膨胀土开始引起人们的关注。由于它具有显著的胀缩性，存在较多裂隙软弱面，常常给膨胀土地区的工程建设造成严重的破坏，给人民的财产造成巨大的损失。膨胀土给工程建筑带来的危害，既表现在地表建筑物上，也反映在地下工程中。它不仅包括铁路、公路、渠道的所有边坡、路面和基床也包括房屋地基；甚至还包括这些工程中所采取的稳定性措施如护坡、挡土墙和桩等。以至从某种意义上讲，膨胀土对工程建筑的危害是无所不包的[1]。这种危害往往是长期的、渐进的、潜在的，有时是难以处理的，美国工程界称之为“隐藏的灾害”。据统计，美国由于膨胀土造成的损失平均每年高达20亿美元以上，已超过洪水、飓风、地震和龙卷风所造成的损失的总和，全世界每年造成的损失达50亿美元以上。

我国是膨胀土分布广、面积大的国家之一，先后己有20多个省市发现有膨胀土，其中主要分布在河南、湖北、广西、云南等省（见图1－1），在内蒙、东北等地也有发现。早在五六十年代，就因其工程问题引起人们对它的重视。我国由于膨胀土地基致害的建筑面积达1000万m2左右，铁路、公路及建筑物受到的危害也很严重。南水北调中线工程将穿过三百余公里的膨胀土地区，膨胀土渠坡的稳定问题对工程的正常运行至关重要。研究解决膨胀土边坡稳定问题具有实际意义。

我国膨胀土主要分布中西部地区，见表1－1。长江流域的长江、干支流水系等地区是我国膨胀土分布比较广泛和集中的地域之一（见图1－1）。从第三纪(N2)至第四纪下更新统(Q1 )、中

更新统(Q2)和上更新统(Q3)都沉积了厚度不等的各种成因类型的膨胀土。其主要分布特征如下：

①膨胀土分布地域与区域地质背景相关，特别是地层的空间分布上表现明显。例如，岷江、嘉陵江、汉水流域的粘土岩与泥灰岩分布的地区广泛发育膨胀土，而且垂直厚度大，最大可达600m；而乌江流域石灰岩地区，膨胀土多数呈零星分布，厚度也较薄。

②膨胀土分布与地貌密切相关，绝大多数膨胀土集中分布在Ⅱ级阶地以上、盆地及平原内部，例如成都平原、南(阳)襄(樊)盆地、汉中盆地等地区，仅少数残坡积膨胀土分布在低山丘陵剥蚀的地貌单元上。

③从成因看，主要为湖积和冲洪积，其次为残坡积。膨胀土分布与气候有关，膨胀土主要集中在长江以北半干旱温热带气候地区，该地域广泛发育棕黄、灰白、灰绿色膨胀土。

④膨胀土结构特征随成因类型与母岩性质而变化，例如冲积形成的棕黄或灰白色膨胀土，裂隙较发育，粒团定向度相对较高，粘土矿物以伊利石和蒙脱石为主。

图1－1 我国膨胀土的分布图

膨胀土的胀缩性、多裂隙性、超固结性是土体内部吸力和内应力变化的三种外在表现形式。膨胀土的胀缩性主要取决于蒙脱石(尤其是钠蒙脱石)的含量，因为蒙脱石具有最强的胀缩性，可以说蒙脱石是膨胀土具有特殊性质的主要物质基础。膨胀性可以表现为膨胀量，但在有一定荷重(约束)作用时部分膨胀量转化为膨胀力，二者都会导致房屋开裂和边坡事故等。裂隙多数为灰白色粘土充填，宽度一般为1～3 mm，裂面具腊状光泽，常见擦痕。多裂隙性使土体渗透性增大、抗剪强度降低，并且使抗剪强度参数的离散性增大。裂隙破坏了膨胀土的完整性，导致其工程性质恶化。如成昆线、焦枝线、成渝线、南昆线和阳安线等10多条铁路通过较长的膨胀土地区，经常发生路基病害和大滑坡，虽花费数亿元之巨，仍屡治不止。超固结性使土体具有较大卸荷回弹膨胀以及渐进破坏特性。膨胀土的胀缩性、多裂隙性、超固结性三者相互作用，共同决定着土体的变形和抗剪强度。影响膨胀土

强度的因素有矿物成分、微结构、湿度、钙质结核、裂隙发育程度等，其中裂隙的分布范围、间距、倾斜度、充填物性质、形状与起伏度等方面是重要的，是边坡稳定研究的关键。按破坏主控因素的不同，将膨胀土路堑边坡划分为潜伏断面滑坡型、弧面渐进破坏型、浅表层崩塌型三种类型，膨胀土路堑边坡多发生浅层的滑坡。

表1-1我国主要膨胀土省份的分布情况

注：湖南、安徽、江西、江苏、山东、山西、广东和湖北等也有膨胀土分布，北京、甘肃、宁夏、内蒙和东北地区也发现膨胀土，参见图1－1。

膨胀土天然情况下常处于非饱和状态，是一种特殊的非饱和

土。习惯上把孔隙水压力为正的土称为饱和土，孔隙水压力为负

的土称为非饱和土。非饱和土是由固相、液相和气相组成的三相

复合介质，气相的存在导致非饱和土的物理性态、有效应力原理、

渗透性、应力应变关系、变形与固结、抗剪强度、孔隙压力及其

它有关方面都较饱和土要复杂得多。土骨架的变形和孔隙流体的运动及其饱和度的变化的相互影响，又使土在变形、强度和多种行为方面表现出与其组成物质完全不同的特点。人类对土的认识、研究和利用也遇到了许多困难。土力学仍处在半经验半理论状态，缺乏坚实的理论基础，基本未形成严谨的理论体系。这种状况不能满足日益提高的工程建设技术水平需要。将非饱和土理论引入到膨胀土的研究中，这样不仅丰富了膨胀土研究的内容，而且鉴于非饱和土力学的理论框架已有一定进展，也使今后膨胀土研究有了比较坚实的理论基础，从而使研究向着更加理性化的方向发展。因此，对非饱和膨胀土的本构模型等理论研究不仅具有理论价值，且具有重要的工程意义。

目前岩土工程界在具体的岩土工程的设计与施工中仍然采用基于饱和土力学理论建立起来的边坡稳定性评价分析方法、规范。主要是非饱和土力学的理论不够完善，其工程应用有待于深入。对非饱和膨胀土边坡稳定性的研究应同样具有重大的理论意义和实践意义。

2 国内外研究现状

膨胀土在自然界广泛地存在，作为典型的非饱和土，与饱和土不同，非饱和土中气相的存在使土的性质大为复杂化，它的基本特性与饱和土有所不同，这些特性给非饱和土工程性状的研究带来了许多困难，以致目前对非饱和土基本性质的研究仍不很成熟，而非饱和土的理论原理和计算方法以及它们介入工程的程度则还处于初步阶段。非饱和土因气相的存在导致其性质复杂化的问题，不仅在于气体本身会使土中流体具有可压缩性，或者气与水之间会在一定条件下发生溶入或逸出等现象，更主要的是固、液、气三相之间界面上形成的界面现象(如表面张力现象)。