膨胀土的工程性质

一、膨胀土及其工程性质

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，工程界常称之为灾害性土。

它的主要特征是：

⑴粒度组成中粘粒(＜2μm)含量大于30%；

⑵黏土矿物成分中，伊利石-蒙脱石等强亲水性矿物占主导地位；

⑶土体湿度增高时，体积膨胀并形成膨胀压力；土体干燥失水时，

体积收缩并形成收缩裂缝；

⑷膨胀、收缩变形可随环境变化往复发生，导致土的强度衰减；

⑸属液限大于40%的高塑性土；

⑹属超固结性黏土。

膨胀土在世界范围内分布极广，遍及六大洲。我国是膨胀土分布最广的国家之一，先后有20多个省区发现有膨胀土。

近地表的浅层膨胀土不仅裂隙特别发育，而且对气候变化特别敏感，是一种典型的非均匀三相介质。土质干湿效应明显，吸水时，土体膨胀、软化，强度下降；失水后土体收缩，随之产生裂隙。膨胀土的这种胀缩特性，当含水量变化时就会充分显示出来。反复的胀缩导致了膨胀土土体的松散，并在其中形成许多不规则的裂隙，从而为膨胀土表面的进一步风化创造了条件。裂隙的存在破坏了土体的整体性，降低了土体的强度，同时为雨水的侵入和土中水分的蒸发开启了方便之门，于是，天气的变化进一步导致了土中含水量的波动和胀缩现象的反复发生，这进一步导致了裂隙的扩展和向土层深部发展，使该部分土体的强度大为降低，形成风化层。这种风化层的最大深度大致在气候的影响深度范围内，一般在1.5－2.0 m，最大深度可达4.0 m。

膨胀土的应力历史和广义应力历史决定了膨胀土具有超固结性，沉积的膨胀土在历史上往往经受过上部土层侵蚀的作用形成超固结土。膨胀土由于卸荷作用也能引起土体裂隙的发展，边坡的开挖，对土体产生了卸荷作用，这种卸荷对土中存在隐蔽微裂隙的膨胀土来说，必然会促进裂隙的张开和扩展，尤其是在边坡底部的剪应力集中区域裂隙面的扩展更为严重，这些区域往往是滑动开始发生的部位。

卸荷裂隙的扩展与膨胀土的超固结特性密切相关。

膨胀土的这种胀缩特牲、裂隙性、超固结性是膨胀土的基本特性，一般称之为“三性”，正是由于“三性”复杂的共同作用，使得膨胀土的工程性质极差，而常常对各类工程建设造成巨大的危害。在工程建设中，膨胀土作为建筑物的地基常会引起建筑物的开裂、倾斜而破坏；作为堤坝的建筑材料，可能在堤坝表面产生滑动；作为开挖介质时则可能在开挖体边坡产生滑坡失稳现象。我国铁路部门在总结膨胀土地区修建铁路时，有“逢堑必滑，无堤不塌”的说法。据估算，在八十年代以前，全世界每年因膨胀土造成的损失至少在50亿美元以上，中国每年因膨胀土造成的各类工程建筑物破坏的损失也在数亿元以上。膨胀土对工程建设的危害往往具多发性、反复性和长期潜在性。膨胀土对公路工程的危害主要体现在如下两个方面：

1、路基问题

由于膨胀土具有很高的粘聚性，当含水量较大时，一经施工机械搅动，将粘结成塑性很高的巨大团块，很难晾干。随着水分的逐渐散失，土块的可塑性降低，由于粘聚性的继续作用，土块的力学强度逐步增大，从而使土块坚硬，难于击碎、压实。因此，如果含水量高的膨胀土直接用作路基填料，将会增加施工难度，延长工期，并且质量难以保证。

膨胀土路基遇雨水浸泡后，土体膨胀，轻者表面出现厚10cm左右的蓬松层，重则在50-80cm深度范围内形成“橡皮泥”；若在干燥季节，随着水分的散失，土体将严重干缩龟裂，其裂缝宽度约1-2cm，裂缝深度可达30-50cm，雨水可通过裂缝直接灌入土体深处，使土体膨胀湿软，从而丧失承载能力，且由于膨胀土具有极强的亲水性，土体愈干燥密实，其亲水性愈强，膨胀量愈大，当膨胀受到约束时，土体中会产生膨胀力，当这种膨胀力超过上部荷载或临界荷载时，路基出现严重的崩解，从而造成路基局部坍塌、隆起或裂缝。

归结起来，就是低强度和反复的胀缩变形危害路基的稳定和变形。

2、边坡问题

在膨胀土地区，无论是路堑或路堤，极其普遍而严重的边坡变形，

都是其它土质路基中所罕见的。膨胀土地区的公路线上，由于大气物理风化作用和湿胀干缩效应，边坡土块崩解，土体抗剪强度衰减，而造成边坡的溜塌、滑坡等变形病害现象十分突出，而常常使路基的坚实性和稳定性遭受破坏，造成路基失稳，影响行车安全。膨胀土边坡变形和破坏常常具有反复性和长期潜在性的特点。

膨胀土地区路基工程的稳定性，已成为当前公路工程地质中一个不可忽视的重

要研究课题，结合实际工程，研究膨胀土的工程特性，进而提出相应的工程措施与施工控制标准具有重要的理论意义和工程应用价值。

膨胀土的工程性质的主要特性如下。

膨胀土的裂隙性

多裂隙性是膨胀土的典型特征，多裂隙构成的裂隙结构体及软弱结构面产生了复杂的物理力学效应，大大降低了膨胀土的强度，导致膨胀土的工程地质性质恶化。长期以来，膨胀土裂隙一直是人们的重点研究内容，但由于膨胀土裂隙演化的不确定性和随机性，其研究进展缓慢，定量化程度低。

膨胀土中普遍发育的各种形态裂隙，按其成因可分为两类，即原生裂隙和次生裂隙，而次生裂隙可分为：风化裂隙、减荷裂隙、斜坡裂隙和滑坡裂隙等。原生裂隙具有隐蔽特征，多为闭合状的显微裂隙，需要借助光学显微镜或电子显微镜观察。次生裂隙则具有张开状特征，多为宏观裂隙，肉眼下即可辨认。次生裂隙一般又多由原生裂隙发育发展而成，所以，次生裂隙常具有继承性质。

膨胀土中的垂直裂隙，通常是由于构造应力与土的胀缩效应产生的张力应变形成，水平裂隙大多由沉积间断与胀缩效应所形成的水平应力差而产生。裂隙面上黏土矿物颗粒具有高度定向性，常见有镜面擦痕，显蜡状光泽。裂隙面大多有灰白色黏土，薄膜成条带，富水软化，使土的裂隙结构具有比较复杂的物理化学和力学特性，严重影响和制约着膨胀土的工程特性。

膨胀土中普遍存在2～3组以上的裂隙，形成各种各样的裂隙结构体。一般而言，从裂隙组合的形状看，膨胀土中的裂隙在平面上都表现为不规则的网状多边形裂隙特征及裂隙分岔现象。网格状多边形裂