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1、浅谈膨胀土的性质,目录,膨胀土的成因和分布膨胀土的性质及膨胀原理膨胀土的判别和膨胀土地基的胀缩等级膨胀土地区桥涵基础工程问题及设计与施工要点,一、膨胀土的成因和分布 膨胀土是指粘粒成分主要由强亲水性矿物组成，液限大于40%，且涨缩性能较大的粘性土。膨胀土在自然条件多呈硬塑或坚硬状态，颜色为黄、红、灰白色，裂隙发育，常见光滑面和擦痕。,膨胀土在我国分布范围很广，广西、云南、湖北、安徽、四川、河南、山东等20多个省、自治区、市均有膨胀土。国外也一样，如美国，50个州中有膨胀土的占40个州，此外在印度、澳大利亚、南美洲、非洲和中东广大地区，也都有不同程度的分布。,房屋开裂、倾斜,膨胀土边坡滑塌,二、
2、膨胀土的性质及膨胀原理,膨胀土属于粘性土，具有一般粘性土所共有的物理力学性质外，最重要的特性是强亲水性、多裂隙性、强膨胀性、强收缩性等。当含水量增加，表现出体积增大的能力，即具有强烈的膨胀性；若收到约束，产生的内力为膨胀力。相反则产生收缩力。具有胀缩特性，而且胀缩变形可随环境温度和湿度的变化往复发生。,膨胀土的主要物理力学特征：粒度组成中，通常黏粒含量大于30%；粘土矿物成分中，伊利石和蒙脱石等强亲水性矿物占主导地位；具有多裂隙性；膨胀，收缩变形可随环境变化往复发生，导致土的强度衰减；多数属于液限大于50%的高液限土；表现出较强的超固结特性。,（一）土的膨胀性指标（1）膨胀含水率,式中,试样的
3、干土质量；,膨胀稳定后土中水分的质量；,（2）自由膨胀量（3）膨胀压力,式中,试样的初始体积；,膨胀稳定后土的体积；,（4-3）,（4-4）,式中,施加的总平衡力；,试样面积；,二、膨胀土地基的处理（一）工程建设中的膨胀土问题1）在天然状态下，膨胀土通常强度高，压缩性较低，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。2）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。3）当建筑物基础直接与膨胀土层接触时，即使基础建基面位于地下水位以下，由于建筑物荷载变化，土体
4、体积和强度仍然会不断发生变化，给工程带来负面影响。,（二）高速公路建设中的膨胀土问题 由于膨胀土分布的广泛性，在膨胀土地区修筑高速公路这样巨型带状工程时，不可避免地会穿越膨胀土地区，尤其在南方降雨充沛的地区，存在明显的干湿循环，因此在路面结构层中通常会出现裂缝，这些裂缝又随之反映到路面上。反复的干湿循环效应还使得土体发生崩解，加之路基内部的含水率分布不均，使得路基内部产生不均匀的胀缩变形，在路面表现出来的就是波浪式的变形特征，影响公路的安全使用。,确定膨胀土的胀缩等级，确定合理的灰剂量，对合理灰剂量的改良土的一系列性质进行室内试验验证。,1.改良膨胀土,三、膨胀土的地基处理（1）防水措施（2）
5、换土与改土（3）支挡措施,改良的几种思路：1）通过物理、化学过程降低土粒分散程度，让土粒互相聚集形成结构较为牢固的团粒结构，增加土团间的连接力，提高土体水稳定性。2）通过反离子层的阳离子置换，用高价阳离子替代原来的低价阳离子，从而使反离子层厚度即结合水膜厚度降低，减少其吸湿能力和膨胀能力。3）通过化学反应，用键能较大的离子替代键能较小的离子，在土体中形成连接力较大的网状空间结构化学生成物，使土体的结构强度和水稳定性得到显著的提高。,膨胀土的化学改良法机理其主要矿物成分为蒙脱石和伊利石，土壤矿物表面带有大量负电荷，当土壤改良剂和它相遇后，改良剂带正电荷的亲水基和膨胀土就会紧密结合，疏水基一致向外
6、，置换出膨胀土颗粒表面的亲水金属阳离子，降低了膨胀土颗粒表面的吸附水膜厚度，使土壤颗粒进一步靠近，封闭各土团之间的孔隙，减少了吸水性和胀缩性，使膨胀土的水稳定性得到提高。,膨胀土化学改良剂有：（一）无机类改良剂 1）石灰类改良剂 2）水泥类改良剂 3）工业废渣类改良剂 4）水玻璃类改良剂（二）有机类改良剂 1）丙烯酸盐系列 2）聚液态丁二烯和铵类,2、膨胀土改良的试验研究,扰动土改良掺石灰、水泥等进行化学改良膨胀土改良 原状土改良掺中性无毒液性有机化学改良剂,石灰改良膨胀土机理分析：1）离子交换2）凝硬反应3）碳化作用4）胶结作用,2.1 石灰改良膨胀土,合理掺灰量研究改良土的强度性状改良土的
7、变形性状改良土的水理特性改良土的渗透性,2.1 石灰改良膨胀土,2.1.1 合理掺灰量研究,图2-1-1 不同灰剂量改良土的击实曲线,1）击实曲线,图2-1-2 掺生石灰与消石灰的改良土界限含水率与灰剂量的关系曲线,2）界限含水率,图2-1-3 掺生石灰与消石灰的改良土自由膨胀率与灰剂量的关系曲线,3）自由膨胀率,图2-1-4 素土的线膨胀率与时间的关系（初始含水率为22.6%）,图2-1-5 改良土的膨胀率与时间的关系（初始含水率为23%）,表3-1 素土与不同灰剂量改良土的膨胀性,2.1.2 石灰改良膨胀土施工工艺在实际施工中必须保证掺灰均匀和有效压实，需根据膨胀土特点结合现场施工条件选择
8、合适的石灰掺入方法掺入时机和碾压机械组合工艺。一般膨胀土天然含水率高，透水性差，原状土一般以较大的团块存在，黏性较大，不宜粉碎。能否将石灰和土料拌和均匀是影响改良效果的主要因素之一，因此石灰改良膨胀土施工工艺中最重要的一环就是掺灰工艺。,石灰与膨胀土的拌和方法：（1）路拌法（2）场拌法影响石灰改良土压实效果和强度的因素：（1）土的种类（2）土颗粒的大小（3）石灰的掺入量（4）掺入石灰的类型（5）掺入石灰与压实成型之间的等待时间（6）石灰与土拌和的均匀程度（7）碾压前填土含水率（8）碾压工艺（9）养护条件（10）龄期,图5-10 渗透改良膨胀土试验装置,2.2 CTMAB改良天然膨胀土,让CTM
9、AB溶于水，使溶液从土体表面自由入渗。试验装置见右图 所示，入渗完成后，取不同深度的土进行一系列试验，对试验结果进行分析总结，判断改良效果,2.3 水泥石灰复合改良膨胀土技术,水泥石灰复合改良的机理：水泥土的强度主要来源于水泥本身的水化产物的胶结作用和水泥水化时产生的Ca(OH)2与土中活性物质之间的硬凝反应所产生的水化物的胶结作用。用水泥加固软土时，水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的水发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等化合物,三、膨胀土的判别和膨胀土地基的胀缩等级,（一）影响膨胀土胀缩特性的主要因素,影响膨胀土胀缩性质的内在机制：主要是指矿物成分及微观结构两
10、方面。矿物成分：膨胀土含大量的活性粘土矿物，如蒙脱石和伊利石，尤其是蒙脱石，比表面积大，在低含水量时对水有巨大的吸力，土中蒙脱石含量的多寡直接决定着土的胀缩性质的大小。微观结构：这些矿物成分在空间上的联结状态也影响其胀缩性质。经对大量不同地点的膨胀土扫描电镜分析得知，面面连接的叠聚体是膨胀土的一种普遍的结构形式，这种结构比团粒结构具有更大的吸水膨胀和失水吸缩的能力。,影响膨胀土胀缩性质的外界因素 水分的迁移是控制土胀、缩特性的关键外在因素。因为只有土中存在着可能产生水分迁移的梯度和进行水分迁移的途径，才有可能引起土的膨胀或收缩。尽管某一种粘土具有潜在的较高的膨胀势，但如果它的含水量保持不变，则
11、不会有体积变化发生；相反，含水量的轻微变化，哪怕只是1%2%的量值，实践证明就足以引起有害的膨胀。因此，判断膨胀土的胀缩性指标都是反映含水量变化时膨胀土的胀缩量及膨胀力大小的。,（二）膨胀土的胀缩性指标,1自由膨胀率ef,将人工制备的磨细烘干土样，经无颈漏斗注入量杯，量其体积，然后倒入盛水的量筒中，经充分吸水膨胀稳定后，再测其体积。增加的体积与原体积的比值ef称为自由膨胀率。,2膨胀率ep与膨胀力Pe,膨胀率表示原状土在侧限压缩仪中，在一定压力下，浸水膨胀稳定后，土样增加的高度与原高度之比。,以各级压力下的膨胀率ep为纵坐标，压力p为横坐标，将试验结果绘制成p-ep关系曲线，该曲线与横坐标的交
12、点Pe称为试样的膨胀力，膨胀力表示原状土样，在体积不变时，由于浸水膨胀产生的最大内应力。膨胀力在选择基础型式及基底压力时，是个很有用的指标。在设计上如果希望减少膨胀变形，应使基底压力接近于膨胀力。,3线缩率sr与收缩系数s,膨胀土失水收缩，其收缩性可用线缩率与收缩系数表示。线缩率sr是指土的竖向收缩变形与原状土样高度之比。表示为：,（7-7）,根据不同时刻的线缩率及相应含水量，可绘成收缩曲线，利用直线收缩段(AB段)可求得收缩系数s，其定义为：原状土样在直线收缩阶段内，含水量每减少1%时所对应的线缩率的改变值，即：,（7-8）,（三）膨胀土的判别,膨胀土规范中规定，凡具有下列工程地质特征的场地
13、，且自由膨胀率ef40%的土应判定为膨胀土。1裂隙发育，常有光滑面和擦痕，有的裂隙中充填着灰白、灰绿色粘土。在自然条件下呈坚硬或硬塑状态；2多出露于二级或二级以上阶地、山前和盆地边缘丘陵地带，地形平缓，无明显自然陡坎；3常见浅层塑性滑坡、地裂，新开挖坑（槽）壁易发生坍塌等；4建筑物裂缝随气候变化而张开和闭合。,（四）膨胀土地基评价,我国膨胀土规范规定以50kPa压力下测定的土的膨胀率，计算地基分级变形量，作为划分胀缩等级的标准，表7-3给出了膨胀土地基的胀缩等级。,膨胀土地基的胀缩等级 表7-3,(五）膨胀土地基变形量计算,可按下列3种情况分别计算：当离地表1m处地基土的天然含水率等于或接近最
14、小值时，或地面有覆盖且无蒸发可能时，以及建筑物在使用期间经常受水浸湿的地基，可按膨胀变形量计算；当离地表1m处地基土的天然含水率大于1.2倍塑限含水率时，或直接受高温作用的地基，可按收缩变形量计算；其它情况下可按胀缩变形量计算。,1地基土的膨胀变形量se,（7-9）,2地基土的收缩变形量ss,（7-10）,3地基土的胀缩变形量s,（7-13）,二、膨胀土地基承载力,在确定膨胀土地基承载力时，应综合考虑以上诸多规律及其影响因素，通过现场膨胀土的原位测试资料，结合桥涵地基的工作环境综合确定，在一般条件不具备的情况下，也可参考现有研究成果，初步选择合适的承载力基本容许值，再进行必要的修正。,四、膨胀土地区桥涵基础工程问题及设计与施工要点,（一）膨胀土地基上的桥涵工程问题,在膨胀土地基上的桥梁附属工程，如桥台、护坡、桥的两端与填土路堤之间的结合部位等，各种工程问题存在比较普遍，变形病害也较严重。,涵洞因基础埋置深度较浅，自重荷载又较小，一方面直接受地基土胀缩变形影响，另一方面还受洞顶回填膨胀土不均匀沉降与膨胀压力的影响，故变形破坏比较普遍。无论桥基或涵基，在施工开挖基坑中由于膨胀土产生的施工效应，也常造成基坑开裂、坍塌，或受水浸湿软化等。,0,（二）膨胀土地基上桥涵基础工程设计与施工应采取的措施,1换土垫层2合理选择基础埋置深度3石灰灌浆加固4合理选用基础类型5合理选择施工方法,
