膨胀土的工程特性胀缩性超固结裂隙汇总.docx
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膨胀土的工程特性胀缩性超固结裂隙汇总
1、膨胀土的定义
膨胀土是在自然地质过程中形成的一种具有多裂隙和显著胀缩特性的特殊性粘土。
膨胀土是一种对于环境变化，特别是对于湿热变化非常敏感的土，其反映是发生膨胀和收缩，产生膨胀压力。
2、膨胀土的主要物理力学特征
⑴粒度组成中，通常黏粒（d＜2μm）含量不大于30%.
⑵粘土矿物成分中，伊利石和蒙脱石等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，反复的干缩湿胀，使土中的裂隙发育，不仅破坏土体的连续性和完整性，而且也形成了地表水浸入的通道，同时水的浸入又加速了土体的软化及裂隙生成。
（裂隙性）
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。
（强度衰减性）
⑸多数属于液限大于50%的高液限土。
⑹超固结性：
膨胀土在沉积过程中，在重力作用下逐渐堆积，土体将随着堆积物的加厚而产生固结压密。
由于自然环境的变化和地质作用的复杂性，土在自然界的沉积作用并不一定都处于持续的堆积加载过程，而是常常因地质作用而发生卸载作用。
膨胀土在反复胀缩变形过程中，由于上部荷载（土层自重）和侧向约束作用，土体在膨胀压力作用下反复压密，土体表现出较强的超固结特性。
这种超固结与通常的剥蚀作用产生的超固结机理完全不同，是膨胀土由于含水率变化引起的膨胀压力变化产生的，是膨胀土特有的性质。
3、工程建设中的膨胀土问题
⑴在天然状态下，膨胀土通常强度高，压缩性低，在地面以下一定深度取样时难以发现宏观裂纹。
但一旦在大气中暴露，含水率发生变化时，很快出现大大小小的裂纹，土体结构迅速崩解，透水性不断增加，强度迅速减小直至为零。
膨胀土边坡在极缓的情况下发生滑动。
“逢堑必滑，无堤不塌”。
“晴天一把刀，雨天一团糟”、“天晴张大嘴，雨后吐黄水”是膨胀土强度特性和胀缩性规律的高度写照。
⑵膨胀土素土作为堤坝回填土时，因其干密度与含水率关系非常密切，很难压实，压实质量难以控制。
若碾压质量不好，在运行过程中，填土含水率增加时土体极易产生膨胀变形，含水率降低也会在土体中产生干缩裂隙，使土体渗透性变化，外界水分极易进入。
4、河南省膨胀土分布及工程特性
平顶山市——焦枝铁路
南阳盆地——南水北调中线引汉总干渠工程
南阳盆地膨胀土特征：
在南阳盆地的垄岗地带，膨胀土大面积出露地表，因其成分不同，岩性特征差异很大。
5、膨胀土的胀缩机理
膨胀土吸水后体积增大、失水后体积缩小的现象称为膨胀土的胀缩变形，这是膨胀土的最本质特性之一。
吸水膨胀和失水收缩时黏性土的共性，只有当黏性土的胀缩性增大到一定程度，产生较大的膨胀压力或出现收缩裂缝，并足以危害建筑物的稳定与安全时，才独立出来称之为“膨胀土”。
对土体胀缩机理的研究可以为膨胀土改良提供理论依据，用石灰及水泥等改良膨胀土就是以膨胀土的胀缩机理为理论依据的。
有三种理论解析膨胀土产生胀缩变形的机理：
1膨胀土的矿物学理论：
该理论从矿物晶格构造出发，认为膨胀土的膨胀取决于组成膨胀土的矿物成分及其结构，以及颗粒表面交换性阳离子成分。
不同的矿物成分具有不同的晶格构造形式，这些型式决定着与极性水分子相结合的难易程度。
交换性阳离子成分则取决于阳离子离子水化作用的强弱以及可交换容量的大小，直接影响着膨胀土的胀缩性。
2膨胀土膨胀的物理化学理论：
该理论认为膨胀土膨胀的主要原因是在膨胀土-水体系中，在水的作用下，膨胀土颗粒表面产生了复杂的物理化学作用，膨胀土的膨胀性质取决于膨胀土矿物表面结合水水层（或称双电层）的厚度，同时与溶液浓度、温度等因素密切相关。
其中代表性理论有双电层理论和渗透理论。
3膨胀土膨胀的物理力学理论：
该理论认为膨胀土的膨胀是在一定的外力作用下由膨胀土与水作用产生的物理力学效应引起的。
当非饱和的膨胀土吸水后，土，土中孔隙水压力与有效应力发生了变化，毛细管势能和表面张力也发生了变化，并引起膨胀土颗粒的弹性效应，从而导致膨胀土体积增大。
代表性的理论有：
有效应力理论、毛细管理论、弹性理论、表面张力理论、热渗理论等。
目前有关解释膨胀土的膨胀和收缩的理论较多，但还都不成熟。
较早的理论有从从晶格构造提出的晶格扩张理论和以毛细管现象为依据的弹性理论。
应用较普遍的有渗透理论、双电层理论和吸热理论等，其次还有热渗理论、表面张力和弹性弯曲理论。
在这些理论中，比较符合实际的应该是晶格扩张理论和双电层理论。
晶格扩张理论：
土体的膨胀是由于膨胀土中存在着膨胀的晶格构造，晶格之间以范德华力相互连接，水分子容易进入晶胞间形成水膜夹层，从而引起晶胞距离增大，导致土体体积膨胀。
但晶格扩张理论仅仅局限于晶层间吸附结合水膜的楔入作用（蒙脱石类具有膨胀晶格结构），而没有考虑黏土颗粒和颗粒聚集体间吸附结合水的作用。
事实上，黏土膨胀不仅发生在晶格内部的晶层之间，而且也发生在颗粒和颗粒之间以及聚集体和聚集体之间。
双电层理论：
黏粒表面带有一定量的负电荷，由于静电引力的作用，孔隙水溶液会吸引水中的阳离子到土粒表面上来。
带有负电荷的粘土矿物颗粒表面与吸附的水化阳离子层合起来称为双电层。
双电层内的离子对水分子具有吸附能力，被吸附的水分子在电场力作用下定向排列，在粘土矿物颗粒的周围形成表面结合水（水化膜）。
由于结合水膜增厚“楔开”土颗粒，从而使固体颗粒之间的距离增大，导致土体膨胀。
双电层理论是基于黏土颗粒表面双电层中的结合水膜厚度变化来解释黏土胀缩现象的。
双电层理论弥补了晶格扩张理论在解释黏土胀缩原因方面的不足，发展了结合水膜在膨胀理论中的应用，是的膨胀机理的理论更加全面和充实。
影响胀缩变形的因素：
⑴亲水性黏土矿物是土体膨胀的物质基础；⑵土的湿度与密度对测试膨胀性指标的影响；⑶填筑膨胀土的胀缩变形；⑷气候对胀缩变形的影响。
6、膨胀土的结构特性
宏观结构和微观结构。
宏观结构——膨胀土的多裂隙性。
原生裂隙和次生裂隙，次生裂隙又可分为：
风化裂隙、减荷裂隙、斜坡裂隙和滑坡裂隙。
原生裂隙具有隐蔽特征，多为闭合状的显微裂隙，需要借助放大镜或光学显微镜观察。
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。
卢再华、王国强等人分析了膨胀土的多裂隙性对其强度和工程性质的影响，认为裂隙的存在破坏了土体的完整性，从而使土体的强度试验和评价产生了困难。
同时，由于裂隙具有不均一性和变动性，使膨胀土表现出不同的强度特性，而多裂隙性所构成的裂隙面及软弱面是宏观结构对膨胀土工程性质影响的最直接原因。
袁俊平研究了膨胀土的裂隙在大气应力和外荷载等的外在因素作用下的发展规律。
随着分形几何理论的应用，易顺民从分形几何和膨胀土裂隙结构研究相结合的角度，探讨了膨胀土裂隙研究的定量化模式。
膨胀土的微结构：
指膨胀土在一定的地质环境和条件下，有土粒、孔隙和凝胶结构等所组成的整体结构。
膨胀土的黏土颗粒组合排列方式或构成凝聚状结构，或构成叠状结构，或呈花瓣状等。
测试技术：
X-射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、D/MAXⅢA型全自动织构测角仪
研究结果表明：
⑴组成膨胀土微结构主要是细小的蒙脱石、伊利石和高岭石黏土矿物颗粒；⑵膨胀土黏土颗粒的性状，大多为片状或扁平状，并形成以微集聚体；⑶膨胀土中颗粒相互之间排列的形式，有的呈微集聚体中片状颗粒成平行排列，微集聚体与微集聚体彼此呈平行排列，具有高度的定向性，呈平行层状排列结构；⑷微集聚体与微集聚体之间，呈现出有面面接触、面边接触和面边角接触多种形式组合，形成各种结构类型；⑸普遍发育有微孔隙和微裂隙的多孔隙裂隙黏性土，孔隙裂隙的大小、形状各异，膨胀土的微裂隙是构成膨胀土特有的微结构特征的重要组成部分，不仅决定了膨胀土裂隙介质不连续的特点，而且直接影响着膨胀土的重要工程特性。
谭罗荣提出了一个评价试样定向度的公式。
袁俊平提出了可以采用显示裂隙图像的灰度熵作为裂隙发育程度的度量指标。
施斌在1996年使用DIPIX图像处理系统对郧县击实膨胀土的定向排列结构以及310国道路基土掺石灰前后的微结构形貌进行了定量处理。
微结构的研究已经从定性描述到定量研究阶段，现在的问题是定量研究如何向简化测试手段开展，以便工程应用。
关于膨胀土的结构特性，应从微观结构着手，深入分析微结构特性与宏观力学特性的内在联系，找到其客观规律，这样才能有利于问题的深入研究，达到防治工程灾害的目的。
7、膨胀土的变形特性
膨胀力和胀缩变形的变化规律一直是膨胀土的重点研究内容。
膨胀土的变形可分为两大类：
⑴外加荷载作用下的压缩变形；⑵外加荷载和外水入渗或浸水共同作用下的湿胀、湿化变形，或外加荷载与蒸发、风干和水位下降等综合作用下发生循环湿胀和干缩变形。
关于膨胀土变形特性的研究成果主要集中在两方面：
膨胀变形实验研究和膨胀变形计算研究。
试验研究：
1王保田通过现场和室内试验对膨胀土浸水变形特性进行了研究，并利用室内试验的湿化应力应变关系对现场现场载荷试验的湿化变形进行了计算。
2刘松玉对击实膨胀土循环膨胀特性进行了试验研究。
3卢再华对膨胀土干湿循环膨胀裂隙胀缩裂隙演化进行了CT试验研究。
膨胀土的胀缩变形特性与膨胀土的物质成分、上覆压力、土体干密度和初始含水率有关。
国内外很多学者的研究成果反映了膨胀土的膨胀变形量与土体孔隙中水分含量的差异有关，他们提出了考虑吸力、初始含水率的差异对土体变形量的影响。
膨胀土的胀缩计算变形方法研究
1徐永福对膨胀土的膨胀变形与初始含水率、吸力、干密度和上覆压力关系进行了研究，建立了膨胀土膨胀变形模型，并探讨了膨胀土地基随含水率变化路基的膨胀变形计算模型。
（如何）
2许瑛研究了陕西安康弱膨胀土的膨胀变形与初始含水率和上覆压力的关系。
3长沙理工大学的韦秉旭——进一步提出一个适合南友路击实灰白色膨胀土在某一范围内任一初始含水率和上覆压力条件下，某一过程含水率下的有荷膨胀率大小的计算公式。
4张福海、王保田——根据对室内试验成果的归纳总结，提出了能够考虑膨胀土土料初始含水率、上覆压力和压实度的压实素土路堤膨胀量计算的理论公式。
8、膨胀土的强度特性
膨胀土的抗剪强度具有典型的变动强度特性，峰值强度极高，残余强度极低，土体吸水软化。
具有超固结性的膨胀土在成土过程中行结构强度，天然土体的初期强度极高，一般现场开挖或推土机铲土都很困难。
然而，由于膨胀土中蒙脱石黏土矿物的亲水性及多裂隙结构等，土体暴露于大气遭受风化与湿胀干缩效应，抗剪强度将随着时间的延续而衰减，其衰减幅度和速度，除与土的矿物组成、土的结构和状态有关，还与风化作用、胀缩效应以及施工条件等有关。
针对通常情况下膨胀土的峰值抗剪强度相当高，但失稳的膨胀土边坡反算出的抗剪强度却远远低于其峰值强度的现象，不同学者在各自的研究基础上提出了不同的强度理论。
非饱和强度理论：
Bishop理论、Fredlund双变形理论、卢肇钧吸附强度理论和缪林昌吸力强度双曲线模型等。
（具体见笔记）
以上几种非饱和土强度理论多把土体的强度与土体的吸力变化联系起来，通过吸力变化反映强度差异。
由于基质吸力的测量方到很大的困难，这种膨胀土的强度表示方法很难在工程实际中广泛应用。
而卢肇钧吸附强度理论的实用性还待试验考证。
研究人员对膨胀土强度做了大量的试验研究工作，根据试验研究成果分析发现膨胀土的强度与膨胀土的物质成分、周围环境水分的变化（干湿循环）、土体的密实程度和初始含水率、上覆压力、裂隙的发育以及膨胀土的吸力等因素有关。
具体如下：
1膨胀土的物质成分对强度的影响：
膨胀土中矿物成分以蒙脱石、伊利石等多种矿物成分组成。
自然界的膨胀土并非是单一矿物组成，而是由多种矿物组成的复合体。
因此，膨胀土体的强度往往是多种矿物成分及含量不同组合的综合表现。
根据蒙脱土、伊利土以及用蒙脱土和高岭土以不同比例混合成的土进行试验研究表明（林鲁生、蒋刚、韩华强），蒙脱土含量明显的影响膨胀土的抗剪强度。
2膨胀土的强度随干湿循环的变化：
（杨和平、韩华强）膨胀土的强度特性变动较大，在自然状态下具有较高的强度，暴露在大气中遭受风化和干湿循环效应的影响，其抗剪强度表现为衰减的特性，其残余强度与峰值强度相比有明显的降低。
杨和平研究发现膨胀土经过多次干湿循环后土的C至衰减较大，而φ值变化的幅度较小。
韩华强用饱和度替代吸力来研究非饱和土的强度和变形特性，发现膨胀土经过若干次干湿循环后其长期强度和变形模量明显降低。
3膨胀土的密实程度和初始含水率对土体强度的影响：
陈可君根据对不同干密度非饱和膨胀土的三轴试验研究得出吸力和净围压的增加使得试样的抗剪强度提高，初始干密度大的试样同样有较高的强度。
高春华、龚壁卫等对膨胀土强度和含水率之间的关系进行了研究，结果表明随着含水率的增加，土体强度明显下降。
缪林昌认为膨胀土的强度与含水率密切相关，随着含水率增加，强度明显降低，黏聚力下降比摩擦角下降更明显。
4上覆压力对膨胀土强度影响：
在不同外荷载作用下，膨胀土吸水膨胀后抗剪强度各不相同。
（舒福华、柯尊敬）
5膨胀土的裂隙发育程度对膨胀土强度的影响：
易顺民通过研究裂隙分维，对裂隙与强度的关系进行了综合评价。
雷胜友在三轴压缩剪切过程进行了CT扫描发现其浸水过程实际上是水浸入膨胀土的裂隙和空隙，土体膨胀产生了新的裂隙并最终贯通的过程。
6膨胀土的吸力对膨胀土强度的影响：
缪林昌对南阳膨胀土的强度进行了研究，依据常见三轴试验结果提出了非饱和膨胀土的吸力强度与饱和强度之间的非线性关系。
徐永福研究分析了膨胀土的强度与起始含水率、上覆压力和膨胀力之间的定量关系，通过非饱和膨胀土的三轴试验结果，研究了吸力对强度的影响。
导出了非饱和膨胀土的吸力强度公式，并讨论得出非饱和膨胀土强度公式是非线性的。
9、膨胀土的工程危害
在没有经历风化的天然状态下，膨胀土的强度高，压缩性低，一旦在大气中暴露，含水率发生变化时，暴露在大气中近地表的浅层膨胀土很快出现大大小小的裂纹。
浅层膨胀土不仅裂隙特别发育，而且对气候变化特别敏感，是一种典型的非均质三相介质。
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，并在其中形成了许多不规则的裂隙，从而使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，同时为雨水的浸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张所现象的反复发生，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，形成了风化层。
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1.5-2.0m，最大深度可达4.0m。
膨胀土的干湿循环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，对土体产生了卸载作用，这种卸载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张，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。
卸载裂隙的扩展与膨胀土超固结特性的密切相关。
膨胀土的这种胀缩特性、裂隙性、超固结性是膨胀土的基本特性，正是由于这三种基本特性复杂的共同作用，使得膨胀土的工程性质极差，而且常常对各类工程建设造成巨大危害。
在工程建设中，由于膨胀土吸水膨胀、失水收缩并且反复变性的性质，以及土体中杂乱分布裂隙，对建筑物尤其是对轻型建筑、路基、机场、渠道边坡以及堤坝等都有严重的破坏作用，特别是对建筑物所产生的变形破坏作用往往具有长期潜在危险的特点。
1、膨胀土的定义与名称
膨胀土是指土中黏土矿物成分主要由亲水性矿物组成，同时具有吸水显著膨胀软化和失水收缩硬裂两种特性，且具有湿胀干缩往复变化变形的高塑性粘性土。
2、膨胀土的判别标准
目前我国普遍采用试验测试指标判别法，可划分为：
单指标法、双指标法、多指标法和作图法四类
1单指标法：
土的自由膨胀率≥40%
2双指标法：
机械、水电等部门，土的自由膨胀率≥40%，液限≥40%；铁道部门，土的自由膨胀率≥30%，液限≥40%
3
多指标法：
自由膨胀率、黏粒含量、体缩率、线总膨胀率；液限含水量、塑性指数、黏粒含量、粉粒含量，或液限、自由膨胀率、黏粒含量和粉粒含量
4作图法
判别方法
判别依据
评价
美国垦务局法（USBR法）
塑性指数、缩限、膨胀体变、小于0.001mm胶粒含量
指标随客观环境变化，出现同膨胀土不同环境不同等级的情况
杨世基法
液限、塑性指数、胀缩总率、吸力、CBR膨胀量
国家标准《膨胀土地区建筑技术规范》（GBJ112-87）判别法
自由膨胀率Fs≥40％
单一指标、人为干扰、易误判
按最大胀缩性指标进行分类
最大线缩率δ′sv，最大体缩率δ’v，最大膨胀率δ′ep
指标随客观环境变化，出现同膨胀土不同环境不同等级的情况
按自由膨胀率与胀缩总率进行分类
无荷载下体胀缩总率、无荷载下线胀缩总率、线膨胀率、缩限含水量状态下的体缩率、自由膨胀率（计算公式）
指标随客观环境变化，出现同膨胀土不同环境不同等级的情况
按塑性图判别与分类
塑性图联合使用塑性指数与液限来判别
未考虑微结构影响
按多指标综合判别分类
粘粒含量、液限、线胀缩率、比表面积、阳离子交换量、零荷载线胀缩总率
指标随客观环境变化，出现同膨胀土不同环境不同等级的情况
利用多指标数学式判别与分类
使用函数式进行判别
数据局限性，区域性，不易推广
南非威廉姆斯（Williams）分类标准
联合使用塑性指数及小于2μm颗粒的成分含量作图
理论依据不足，结果明显偏高
风干含水量法
建立一种新的
膨胀土判别分类图
离散性较大，实际应用不易控制
《公路路基设计规范》（JTGD30-2004）分类法
标准吸湿含水量、标准吸湿含水量和塑性指数
缺乏大范围的适用性验证
《铁路工程地质膨胀土勘测规则》（TB10042-1995）分类法
自由膨胀率、蒙脱石含量与阳离子交换量
只关注了矿物成分，而忽视了微结构的影响
五指标判别分类法
液限、塑性指数、自由膨胀率、＜0.005mm颗粒含量、胀缩总率
缺乏大范围的适用性验证
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