膨脹土及工程性質(zhì)

1、.一、 膨脹土及其工程性質(zhì)膨脹土是顆粒高分散、成分以黏土礦物為主、對(duì)環(huán)境的濕熱變化敏感的高塑性黏土。它是一種吸水膨脹軟化、失水收縮干裂的特殊土，工程界常稱之為災(zāi)害性土。它的主要特征是：粒度組成中粘粒(2m)含量大于30%；黏土礦物成分中，伊利石-蒙脫石等強(qiáng)親水性礦物占主導(dǎo)地位；土體濕度增高時(shí)，體積膨脹并形成膨脹壓力；土體干燥失水時(shí)，體積收縮并形成收縮裂縫；膨脹、收縮變形可隨環(huán)境變化往復(fù)發(fā)生，導(dǎo)致土的強(qiáng)度衰減；屬液限大于40%的高塑性土；屬超固結(jié)性黏土。膨脹土在世界范圍內(nèi)分布極廣，遍及六大洲。我國是膨脹土分布最廣的國家之一，先后有20多個(gè)省區(qū)發(fā)現(xiàn)有膨脹土。近地表的淺層膨脹土不僅裂隙特別發(fā)育，而且

2、對(duì)氣候變化特別敏感，是一種典型的非均勻三相介質(zhì)。土質(zhì)干濕效應(yīng)明顯，吸水時(shí)，土體膨脹、軟化，強(qiáng)度下降；失水后土體收縮，隨之產(chǎn)生裂隙。膨脹土的這種脹縮特性，當(dāng)含水量變化時(shí)就會(huì)充分顯示出來。反復(fù)的脹縮導(dǎo)致了膨脹土土體的松散，并在其中形成許多不規(guī)則的裂隙，從而為膨脹土表面的進(jìn)一步風(fēng)化創(chuàng)造了條件。裂隙的存在破壞了土體的整體性，降低了土體的強(qiáng)度，同時(shí)為雨水的侵入和土中水分的蒸發(fā)開啟了方便之門，于是，天氣的變化進(jìn)一步導(dǎo)致了土中含水量的波動(dòng)和脹縮現(xiàn)象的反復(fù)發(fā)生，這進(jìn)一步導(dǎo)致了裂隙的擴(kuò)展和向土層深部發(fā)展，使該部分土體的強(qiáng)度大為降低，形成風(fēng)化層。這種風(fēng)化層的最大深度大致在氣候的影響深度范圍內(nèi)，一般在1.52.0

3、m，最大深度可達(dá)4.0 m。膨脹土的應(yīng)力歷史和廣義應(yīng)力歷史決定了膨脹土具有超固結(jié)性，沉積的膨脹土在歷史上往往經(jīng)受過上部土層侵蝕的作用形成超固結(jié)土。膨脹土由于卸荷作用也能引起土體裂隙的發(fā)展，邊坡的開挖，對(duì)土體產(chǎn)生了卸荷作用，這種卸荷對(duì)土中存在隱蔽微裂隙的膨脹土來說，必然會(huì)促進(jìn)裂隙的張開和擴(kuò)展，尤其是在邊坡底部的剪應(yīng)力集中區(qū)域裂隙面的擴(kuò)展更為嚴(yán)重，這些區(qū)域往往是滑動(dòng)開始發(fā)生的部位。卸荷裂隙的擴(kuò)展與膨脹土的超固結(jié)特性密切相關(guān)。膨脹土的這種脹縮特牲、裂隙性、超固結(jié)性是膨脹土的基本特性，一般稱之為“三性”，正是由于“三性”復(fù)雜的共同作用，使得膨脹土的工程性質(zhì)極差，而常常對(duì)各類工程建設(shè)造成巨大的危害。在工

4、程建設(shè)中，膨脹土作為建筑物的地基常會(huì)引起建筑物的開裂、傾斜而破壞；作為堤壩的建筑材料，可能在堤壩表面產(chǎn)生滑動(dòng)；作為開挖介質(zhì)時(shí)則可能在開挖體邊坡產(chǎn)生滑坡失穩(wěn)現(xiàn)象。我國鐵路部門在總結(jié)膨脹土地區(qū)修建鐵路時(shí)，有“逢塹必滑，無堤不塌”的說法。據(jù)估算，在八十年代以前，全世界每年因膨脹土造成的損失至少在50億美元以上，中國每年因膨脹土造成的各類工程建筑物破壞的損失也在數(shù)億元以上。膨脹土對(duì)工程建設(shè)的危害往往具多發(fā)性、反復(fù)性和長期潛在性。膨脹土對(duì)公路工程的危害主要體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：1、路基問題由于膨脹土具有很高的粘聚性，當(dāng)含水量較大時(shí)，一經(jīng)施工機(jī)械攪動(dòng)，將粘結(jié)成塑性很高的巨大團(tuán)塊，很難晾干。隨著水分的逐漸散失

5、，土塊的可塑性降低，由于粘聚性的繼續(xù)作用，土塊的力學(xué)強(qiáng)度逐步增大，從而使土塊堅(jiān)硬，難于擊碎、壓實(shí)。因此，如果含水量高的膨脹土直接用作路基填料，將會(huì)增加施工難度，延長工期，并且質(zhì)量難以保證。膨脹土路基遇雨水浸泡后，土體膨脹，輕者表面出現(xiàn)厚10cm左右的蓬松層，重則在50-80cm深度范圍內(nèi)形成“橡皮泥”；若在干燥季節(jié)，隨著水分的散失，土體將嚴(yán)重干縮龜裂，其裂縫寬度約1-2cm，裂縫深度可達(dá)30-50cm，雨水可通過裂縫直接灌入土體深處，使土體膨脹濕軟，從而喪失承載能力，且由于膨脹土具有極強(qiáng)的親水性，土體愈干燥密實(shí)，其親水性愈強(qiáng)，膨脹量愈大，當(dāng)膨脹受到約束時(shí)，土體中會(huì)產(chǎn)生膨脹力，當(dāng)這種膨脹力超過上

6、部荷載或臨界荷載時(shí)，路基出現(xiàn)嚴(yán)重的崩解，從而造成路基局部坍塌、隆起或裂縫。歸結(jié)起來，就是低強(qiáng)度和反復(fù)的脹縮變形危害路基的穩(wěn)定和變形。2、邊坡問題在膨脹土地區(qū)，無論是路塹或路堤，極其普遍而嚴(yán)重的邊坡變形，都是其它土質(zhì)路基中所罕見的。膨脹土地區(qū)的公路線上，由于大氣物理風(fēng)化作用和濕脹干縮效應(yīng)，邊坡土塊崩解，土體抗剪強(qiáng)度衰減，而造成邊坡的溜塌、滑坡等變形病害現(xiàn)象十分突出，而常常使路基的堅(jiān)實(shí)性和穩(wěn)定性遭受破壞，造成路基失穩(wěn)，影響行車安全。膨脹土邊坡變形和破壞常常具有反復(fù)性和長期潛在性的特點(diǎn)。膨脹土地區(qū)路基工程的穩(wěn)定性，已成為當(dāng)前公路工程地質(zhì)中一個(gè)不可忽視的重要研究課題，結(jié)合實(shí)際工程，研究膨脹土的工程特性

7、，進(jìn)而提出相應(yīng)的工程措施與施工控制標(biāo)準(zhǔn)具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。膨脹土的工程性質(zhì)的主要特性如下。膨脹土的裂隙性多裂隙性是膨脹土的典型特征，多裂隙構(gòu)成的裂隙結(jié)構(gòu)體及軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生了復(fù)雜的物理力學(xué)效應(yīng)，大大降低了膨脹土的強(qiáng)度，導(dǎo)致膨脹土的工程地質(zhì)性質(zhì)惡化。長期以來，膨脹土裂隙一直是人們的重點(diǎn)研究內(nèi)容，但由于膨脹土裂隙演化的不確定性和隨機(jī)性，其研究進(jìn)展緩慢，定量化程度低。膨脹土中普遍發(fā)育的各種形態(tài)裂隙，按其成因可分為兩類，即原生裂隙和次生裂隙，而次生裂隙可分為：風(fēng)化裂隙、減荷裂隙、斜坡裂隙和滑坡裂隙等。原生裂隙具有隱蔽特征，多為閉合狀的顯微裂隙，需要借助光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡觀察。次生裂隙則

8、具有張開狀特征，多為宏觀裂隙，肉眼下即可辨認(rèn)。次生裂隙一般又多由原生裂隙發(fā)育發(fā)展而成，所以，次生裂隙常具有繼承性質(zhì)。膨脹土中的垂直裂隙，通常是由于構(gòu)造應(yīng)力與土的脹縮效應(yīng)產(chǎn)生的張力應(yīng)變形成，水平裂隙大多由沉積間斷與脹縮效應(yīng)所形成的水平應(yīng)力差而產(chǎn)生。裂隙面上黏土礦物顆粒具有高度定向性，常見有鏡面擦痕，顯蠟狀光澤。裂隙面大多有灰白色黏土，薄膜成條帶，富水軟化，使土的裂隙結(jié)構(gòu)具有比較復(fù)雜的物理化學(xué)和力學(xué)特性，嚴(yán)重影響和制約著膨脹土的工程特性。膨脹土中普遍存在23組以上的裂隙，形成各種各樣的裂隙結(jié)構(gòu)體。一般而言，從裂隙組合的形狀看，膨脹土中的裂隙在平面上都表現(xiàn)為不規(guī)則的網(wǎng)狀多邊形裂隙特征及裂隙分岔現(xiàn)象。

9、網(wǎng)格狀多邊形裂隙在膨脹土中分布最廣，裂隙將膨脹土體切割成一定幾何形態(tài)的塊體，例如棱柱體、短柱體、鱗片狀及塊狀等，可將土體層層分割，使膨脹土體具有不連續(xù)特征。這類裂隙存在各種規(guī)模和間距，并且同等級(jí)的裂隙一般近似表現(xiàn)出等間距的形式。實(shí)際上，自然地質(zhì)環(huán)境中的膨脹土裂隙具有隨機(jī)分形特征，大都由不同規(guī)模和間距的網(wǎng)狀裂隙組成，形成一系列大小不一致的多邊形塊體，雖然看起來雜亂無章，但具有統(tǒng)計(jì)意義上的自相似性。膨脹土的風(fēng)化作用強(qiáng)烈，脹縮作用頻繁，加劇了膨脹土裂隙的變形和發(fā)展，使土中原生裂隙逐漸顯露張開，并不斷加寬加深，由于地質(zhì)作用的不均勻性，膨脹土裂隙經(jīng)常產(chǎn)生分岔現(xiàn)象。膨脹土裂隙的存在，破壞了膨脹土的均一性和

10、連續(xù)性，導(dǎo)致膨脹土的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生各向異性特征，且易在淺層或局部形成應(yīng)力集中分布區(qū)，產(chǎn)生一定深度的強(qiáng)度軟弱帶。膨脹土的多裂隙結(jié)構(gòu)，首先切割土體產(chǎn)生機(jī)械破碎，同時(shí)，在原先裂隙的基礎(chǔ)上又發(fā)育了風(fēng)化裂隙，這就加劇了土體的破碎與破壞程度，使膨脹土具備了物理風(fēng)化與化學(xué)風(fēng)化的天然破碎條件。裂隙的發(fā)育為水的滲入與蒸發(fā)創(chuàng)造了良好通道，促進(jìn)了水在土中的循環(huán)，一方面加劇了土體的干縮濕脹效應(yīng)，引起土體的變形和破碎；另一方面，有限的淋溶進(jìn)一步促使化學(xué)風(fēng)化的進(jìn)行，有利于土體中伊利石和蒙脫石的形成。這種后期的化學(xué)風(fēng)化作用在裂隙結(jié)構(gòu)面上表現(xiàn)最為活潑，其主要標(biāo)志是在膨脹土中的裂隙面上，普遍發(fā)育有灰白色次生蒙脫石黏土條帶或薄膜，

11、有的富集呈塊。顯然，這使膨脹土的親水性大大增強(qiáng)，常表現(xiàn)在裂隙面上灰白黏土的吸水性要比兩側(cè)土體高得很多，膨脹性與崩解性也同樣增強(qiáng)，這對(duì)于土體的穩(wěn)定性是十分不利的。膨脹土中各種特定形態(tài)的裂隙，是在一定的成土過程和風(fēng)化作用下形成的，產(chǎn)生裂隙的原因主要是由于膨脹土的脹縮特性，即吸水膨脹失水干縮，往復(fù)周期變化，導(dǎo)致膨脹土土體結(jié)構(gòu)松散，形成許多不規(guī)則的裂隙。裂隙的發(fā)育又為膨脹土表層的進(jìn)一步風(fēng)化創(chuàng)造條件，同時(shí)，裂隙又成為雨水進(jìn)入土體的通道，含水量的波動(dòng)變化反復(fù)脹縮，從而又導(dǎo)致裂隙的擴(kuò)展。另外，膨脹土的裂隙發(fā)育程度，除受膨脹土的物質(zhì)組成和成土條件控制外，還與開挖土體的時(shí)間和氣候條件密切相關(guān)，卸荷(或開挖)土體

12、中的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化也產(chǎn)生裂隙，或促進(jìn)裂隙的張開和發(fā)展。膨脹土的脹縮性從土質(zhì)學(xué)觀點(diǎn)，膨脹土由于具有親水性，只要與水相互作用，都具有增大其體積的能力，土體濕度也同時(shí)隨之增加。膨脹土吸水體積增大而產(chǎn)生膨脹，可使建筑在土基上的道路或其它建筑物產(chǎn)生隆起等變形破壞。如果土體在吸水膨脹時(shí)受到外部約束的限制，阻止其膨脹，此時(shí)則在土中產(chǎn)生一種內(nèi)應(yīng)力，即為膨脹力或稱膨脹壓力。與土體吸水膨脹相反，倘若土體失水，其體積隨之減小而產(chǎn)生收縮，并伴隨土中出現(xiàn)裂隙。膨脹土體收縮同樣可造成其土基的下沉及道路的開裂等變形破壞。十分清楚，由于膨脹土水體系中水介質(zhì)的變化而引起土中內(nèi)應(yīng)力的改變，從而導(dǎo)致土體積的膨脹與收縮。假如只有膨

13、脹土的存在，而沒有水介質(zhì)參與相互作用，或土中含水量保持恒定，不發(fā)生水分的遷移變化時(shí)，所謂土的膨脹與收縮都將不可能顯示。有的即使在膨脹土水體系中出現(xiàn)含水量增加的現(xiàn)象，如若土中產(chǎn)生的膨脹力不能突破外部荷載的阻抗，同樣也不可能見到有土體積膨脹的現(xiàn)象發(fā)生。然而，此時(shí)在土體內(nèi)部確是積儲(chǔ)了相當(dāng)?shù)呐蛎洕搫?shì)，一旦膨脹力突破外部阻抗或外部荷載在某種條件下被解除，土體則即刻顯示其強(qiáng)烈的膨脹。同樣，在膨脹土水體系中，如果含水量已經(jīng)小到一定程度，即土體已處于比較干燥的狀態(tài)，此時(shí)含水量即使再繼續(xù)減小，其土體積的收縮也將是很微弱的，然而，一旦吸水則膨脹卻十分驚人。由此可見，膨脹土的膨脹與收縮變形的產(chǎn)生，實(shí)際上是土中水分的

14、得與失而引起土體積的變化。不過，膨脹土中水分的得失變化是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的物理化學(xué)力學(xué)效應(yīng)作用的過程。它除了取決于膨脹土本身的物質(zhì)組成與微結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)，還與膨脹土所處環(huán)境條件有密切關(guān)系。地表水與地下水的動(dòng)態(tài)變化可引起土中水分的變化，氣候(大氣降雨、蒸發(fā)、溫度)的變化可促使土中水分的遷移、變化，水的滲漏可導(dǎo)致土中水分增加，熱力傳導(dǎo)可促進(jìn)土中水分散失，這些都將直接引起膨脹土脹縮變形的產(chǎn)生。膨脹土的黏土礦物成分中含有較多的蒙脫石、伊利石和多水高嶺石，這類礦物具有較強(qiáng)的與水結(jié)合的能力，吸水膨脹、失水收縮，并具膨脹收縮再膨脹的往復(fù)脹縮特性，特別是蒙脫石含量直接決定其膨脹性能的大小，因此，黏土礦物的組成、含

15、量及排列結(jié)構(gòu)是膨脹土產(chǎn)生膨脹的首要物質(zhì)基礎(chǔ)，極性分子或電解質(zhì)液體的滲入是膨脹土產(chǎn)生膨脹的外部作用條件。膨脹土的脹縮機(jī)理問題亦是黏土礦物與極性水組成的兩相介質(zhì)體系內(nèi)部所發(fā)生的物理化學(xué)力學(xué)作用問題。膨脹巖土的膨脹性能與其礦物成分、結(jié)構(gòu)連結(jié)類型及強(qiáng)度、密實(shí)度等密切相關(guān)。膠結(jié)連結(jié)有抑制膨脹的作用，膠結(jié)強(qiáng)度越高，越不利于膨脹的發(fā)生和發(fā)展。結(jié)構(gòu)的疏密程度也影響膨脹量的大小。在力的作用下產(chǎn)生的擴(kuò)容膨脹效應(yīng)則在于擴(kuò)容改變了膨脹巖土的結(jié)構(gòu)連結(jié)和密實(shí)程度，從而使膨脹量發(fā)生變化。擴(kuò)容膨脹效應(yīng)隨力學(xué)作用程度不同而各異。當(dāng)力學(xué)作用未使膨脹巖土的膠結(jié)連結(jié)發(fā)生大的改變，則擴(kuò)容后的膨脹效應(yīng)不明顯，膨脹以物化作用為主。當(dāng)力學(xué)作

16、用破壞了部分原始膠結(jié)連結(jié)時(shí)，膨脹抑制力有所減弱，膨脹勢(shì)得以充分發(fā)揮，從而促進(jìn)物化作用膨脹進(jìn)一步發(fā)展。膨脹土的抗剪強(qiáng)度特性抗剪強(qiáng)度特性既是土體抗剪切破壞能力的表征,同時(shí)也是驗(yàn)算路基邊坡穩(wěn)定性能的重要參數(shù)。其取值受膨脹土脹縮等級(jí)、含水量、上覆壓力、填筑條件等的影響,其中含水量是主要影響因素。其變化規(guī)律是:土體脹縮等級(jí)越高, 值降低時(shí)C 值變化不大; 土體含水量變小, 抗剪強(qiáng)度增大; 上覆壓力增大, C、的值均增大;填筑土體干容重越大,抗剪強(qiáng)度越高,土體含水量越大,抗剪強(qiáng)度越低。但擊實(shí)土在膨脹后, C、 的最大值卻出現(xiàn)在最佳含水量擊實(shí)到最大干重量的時(shí)候。膨脹土的風(fēng)化特性膨脹土路基長期暴露在大氣環(huán)境中

17、,尤其受環(huán)境水分變化的影響,極易在表層部分碎裂泥化,形成表面松散層,強(qiáng)度降低。大氣環(huán)境對(duì)膨脹土的風(fēng)化作用隨土層深度的增加而減弱?？赏ㄟ^分析土體內(nèi)的含水量變化來取得風(fēng)化深度的近似值,國內(nèi)有關(guān)資料認(rèn)為,在降雨量和蒸發(fā)量差別不大的地區(qū),大氣風(fēng)化作用深度一般為1 m 左右,但對(duì)于長期干旱地區(qū)則可達(dá)3 m 以上,因而風(fēng)化深度對(duì)研究膨脹土路基邊坡的穩(wěn)定性具有重要意義。二、 膨脹土分類方法無數(shù)工程建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)告訴我們，把膨脹土誤認(rèn)為普通的非膨脹土，實(shí)際上等于給工程建筑物埋下禍根，事后成為建筑物產(chǎn)生嚴(yán)重病害的隱患；反之，如果把普通的非膨脹土錯(cuò)劃為膨脹土，則必將增加建筑物的大量工程措施。前者將造成重大工程事故

18、，后者將造成工程的極大浪費(fèi)，同樣都會(huì)造成巨大的損失。膨脹土并不可怕，可怕的是由于判別錯(cuò)誤，沒有對(duì)其采取措施，因而導(dǎo)致工程事故的發(fā)生。因此，在膨脹土地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)，首先必須正確區(qū)分膨脹土與非膨脹土，劃分膨脹土的類別和等級(jí)，然后確定建筑物的設(shè)計(jì)原則及其相應(yīng)的工程措施，這是一個(gè)很重要的問題。膨脹土判別的目的是為了正確區(qū)分膨脹土與非膨脹土的界限，以便將膨脹土與其它土類區(qū)別開來。對(duì)膨脹土進(jìn)行分類，則是在已經(jīng)判別為膨脹土的基礎(chǔ)上，對(duì)膨脹土進(jìn)行再判別，從而將工程性質(zhì)基本相同的膨脹土進(jìn)一步劃分為同一類型，工程性質(zhì)相差較大的劃分為不同類型，為工程建設(shè)提供合理的參數(shù)和科學(xué)依據(jù)。膨脹土分類的工程意義在于：(1)確

19、定工程處理措施；(2)預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的問題。關(guān)于膨脹土的判別與分類，近幾年，國內(nèi)外開展了大量的研究工作，提出了許多判別與分類方法。但，目前還沒有一個(gè)單一指標(biāo)能充分表述作為工程環(huán)境或工程結(jié)構(gòu)體一部分的膨脹土的復(fù)雜性態(tài)，因此，一些因素的某種組合來對(duì)膨脹土進(jìn)行判別與分類是十分必要的。常見的膨脹土分類方法目前，國內(nèi)外膨脹土分類的方法很多，不同的研究者提出了不同的標(biāo)準(zhǔn)，所選擇的指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)也不一，其中具有代表性的分類方法分述如下。2.1 美國墾務(wù)局法(USBR法)將膨脹土脹縮等級(jí)分為四級(jí),評(píng)價(jià)指標(biāo)為塑性指數(shù)、縮限、膨脹體變、小于0.001mm膠粒含量，分類標(biāo)準(zhǔn)見表 2.2 美國膨脹土分類標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo) 塑性指數(shù)

20、縮限/% 膨脹體變/% 膠粒含量(<0.001 mm)/%極強(qiáng) >35 <11 >30 >28強(qiáng) 2541 712 2030 2031中 528 1016 1020 1323弱 <18 >15 <10 <152.3 楊世基法楊世基將膨脹土脹縮等級(jí)分為三級(jí)，評(píng)判指標(biāo)為液限、塑性指數(shù)、脹縮總率、吸力、CBR膨脹量，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)見表膨脹土脹縮等級(jí)楊世基法級(jí)別 液限/% 塑性指數(shù) 脹縮總率/% 吸力/kPa CBR膨脹量/%強(qiáng) >60 >35 >4 >440 >3中 5060 2535 24 160440 23弱 4050

21、 1825 0.72 100160 122.4 國家標(biāo)準(zhǔn)膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范(GBJ112-87)判別法膨脹土的工程地質(zhì)特征表現(xiàn)為：（1）裂隙發(fā)育，常有光滑面和擦痕，有的裂隙中充填著灰白、灰綠色黏土，在自然條件下呈堅(jiān)硬或硬塑狀態(tài)；（2）多出露于二級(jí)或二級(jí)以上階地、山前和盆地邊緣丘陵地帶，地形平緩，無明顯自然陡坎；（3）常見淺層塑性滑坡、地裂，新開挖（槽）易發(fā)生坍塌等；（4）建筑物裂縫隨氣候變化而張開和閉合。判別指標(biāo)：自由膨脹率Fs40。膨脹土的膨脹潛勢(shì)等級(jí)：按自由膨脹率大小劃分膨脹土的膨脹潛勢(shì)，如表膨脹土的膨脹潛勢(shì)自由膨脹率Fs/% 膨脹潛勢(shì)40Fs65 弱65Fs90 中等Fs90 強(qiáng)2.

22、5 按最大脹縮性指標(biāo)進(jìn)行分類柯尊敬認(rèn)為，一個(gè)適合的脹縮性評(píng)價(jià)指標(biāo)必須全面反映土的粒度組成和礦物成分，以及宏觀與微觀結(jié)構(gòu)特征的影響，同時(shí)能消除土的溫度和密度狀態(tài)的影響，即不隨土濕度和密度狀態(tài)的變化而變化，而且還要適應(yīng)脹縮土各向異性的特點(diǎn)。因此，推薦用直接指標(biāo)，即用最大線縮率sv，最大體縮率v，最大膨脹率ep等作為分類指標(biāo)，判別標(biāo)準(zhǔn)見下表。這里，最大線縮率與最大體縮率是天然狀態(tài)的土樣膨脹后的收縮率與體縮率，最大膨脹率是天然狀態(tài)土樣在一定條件下風(fēng)干后的膨脹率。按最大膨脹性指標(biāo)分類指標(biāo) 弱膨脹土 中膨脹土 強(qiáng)膨脹土 極強(qiáng)膨脹土 最大線縮率sv/% 25 58 811 11最大體縮率v/% 816 16

23、23 2330 30最大膨脹率ep/% 24 47 710 102.6 按自由膨脹率與脹縮總率進(jìn)行分類根據(jù)脹縮性指標(biāo)，綜合國內(nèi)有關(guān)專家提出劃分類別的界限值歸納如下表。表中對(duì)于地基土按線脹縮總率es進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，其膨脹率是在50 kPa荷載下獲得的，因此，膨脹等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)也不一，即強(qiáng)膨脹土es>5%，中膨脹土es=2%5%，弱膨脹土es<2%，關(guān)于脹縮總率的計(jì)算公式如下：es = ep + s(-min)es線脹縮總率；ep土在50 kPa荷載的膨脹率()；土的天然含水量()；min建筑場(chǎng)地土的最小含水量()，即旱季含水量平均值；s土的收縮系數(shù)，s =s/；s收縮過程中與兩點(diǎn)含水量對(duì)應(yīng)

24、的豎向線縮率之差()；收縮過程中直線變化階段兩點(diǎn)含水量之差()。2.7 按自由膨脹率與脹縮總率分類類別 無荷載下體脹縮總率 無荷載下線脹縮總率 線膨脹率 縮限含水量狀態(tài)下的體縮率 自由膨脹率強(qiáng)膨脹土 >18 >8 >4 >23 >80中膨脹土 12-18 6-8 2-4 16-23 50-80弱膨脹土 8-12 4-6 0.7-2 8-16 30-502.8 按塑性圖判別與分類塑性圖系由A.卡薩格蘭首先提出，后來李生林教授作了深入的研究，它是以塑性指數(shù)為縱軸，以液限為橫軸的直角坐標(biāo)，如圖4.1。因此，運(yùn)用塑性圖聯(lián)合使用塑性指數(shù)與液限來判別膨脹土，不僅能反映直接影響

25、脹縮性能的物質(zhì)組成成分，而且也能在一定程度上反映控制形成脹縮性能的濃差滲透吸附結(jié)合水的發(fā)育程度。2.9 印度對(duì)黑棉土的判別分類標(biāo)準(zhǔn)他們將膨脹土分為4 個(gè)等級(jí), 采用的評(píng)判指標(biāo)為塑性指數(shù)、收縮指數(shù)、膠粒含量、液限、膨脹率、膨脹勢(shì)、差分自由膨脹率, 其分類方法如圖1 所示。 2.10 南非威廉姆斯對(duì)膨脹土的分類采用塑性指數(shù)及小于2 Lm 顆粒的成分含量作為評(píng)判指標(biāo), 對(duì)膨脹土分為極高、高、中等、低等4級(jí)。具體標(biāo)準(zhǔn)如圖2 所示。 三、 國內(nèi)外膨脹土路基加固技術(shù)基于對(duì)膨脹土工程性質(zhì)的研究和大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),國內(nèi)外膨脹土路基加固技術(shù)也在逐步發(fā)展,主要有以下方法。3.1 換土法用非膨脹土將膨脹土換掉

26、是一種簡易可靠的辦法,但對(duì)于大面積的膨脹土分布地區(qū)顯得不經(jīng)濟(jì),且生態(tài)環(huán)境效益差。3.2 預(yù)濕法在施工前給土體浸水,使土體充分膨脹,并維持其高含水量,使土體體積保持不變,就不會(huì)因土體膨脹造成建筑路基破壞,但這種方法無法保證路基所要求的足夠強(qiáng)度和剛度。3.3 壓實(shí)控制法該法控制膨脹土在低于容重和高含水量下壓實(shí)可以有效地減少膨脹,但高含水量的膨脹粘土壓實(shí)很困難,而土體在低于容重下壓實(shí)其強(qiáng)度較小,同樣不能滿足工程要求。3.4 全封閉法(外包式路堤)該法又稱包蓋法。在堤心部位填膨脹土,用非膨脹土來包蓋堤身。包蓋土層厚不小于1 m ,并要把包蓋土拍緊,將膨脹土封閉,其目的也是限制堤內(nèi)膨脹土溫度變化。但邊坡

27、處往往是施工碾壓的薄弱部位。如果封閉土層與路堤土一道分層填筑壓實(shí),并達(dá)到同樣的壓實(shí)度,則處理效果會(huì)更好一些。但在實(shí)際施工中很難做到。3.5 化學(xué)處理法(改性處理)在膨脹土中摻石灰、水泥、粉煤灰、氯化鈣和磷酸等。通過土與摻入劑之間的化學(xué)反應(yīng),改變土體的膨脹性,提高其強(qiáng)度,達(dá)到穩(wěn)定的目的。國內(nèi)外大量試驗(yàn)表明:摻石灰的效果最好,由于石灰是一種較廉價(jià)的建筑材料,用于改良膨脹土較摻其它材料經(jīng)濟(jì),故這種辦法較常用,也“公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范”所提倡的方法。但因膨脹土天然含水量常較大,土中粘粒含量多,易結(jié)塊,要將大土塊打碎后再與石灰攪勻,施工中大面積采用有一定難度。此外,摻拌石灰施工時(shí)易揚(yáng)塵(尤其摻生石灰) ,造

28、成一定環(huán)境污染。但總而言之不失為一種較好且較成熟的方法。3.6 土工格網(wǎng)加固法土工格網(wǎng)加固法是受加筋土技術(shù)用于解決土體穩(wěn)定加固路基邊坡成功的實(shí)踐所啟示,近年來才開始采用的一種新方法。通過在膨脹土路堤施工中分層水平鋪格網(wǎng),充分利用土工網(wǎng)與填土間的摩擦力和咬合力,增大土體抗剪強(qiáng)度,約束膨脹土的膨脹變形,達(dá)到穩(wěn)定路基的目的。由于膨脹土路堤的風(fēng)化作用深度一般在2 m 以內(nèi),所以土中加網(wǎng)長度只需在邊坡表面一定范圍內(nèi),施工方便。同時(shí),土中加網(wǎng)后可采用較陡的邊坡坡率,比正常路堤填筑節(jié)省用地,技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果均好,是一種值得采用和推廣的方法。37 石灰改良土的改良機(jī)理陽離子交換作用石灰中的Ca2+ 與土顆粒表面

29、的陽離子如：Na+、K+、H+ 發(fā)生交換作用，使土顆粒膠體的雙電層中擴(kuò)散層變薄，土顆粒間結(jié)合力增強(qiáng)，土體強(qiáng)度提高，改善土體性質(zhì)。由于石灰中的Ca2+ 與土顆粒表面的陽離子發(fā)生交換作用，改變了土顆粒表面的帶電性質(zhì)，從而使膠體顆粒加速絮凝，使小的團(tuán)粒相互凝聚變成大的團(tuán)粒。膠凝作用石灰中的CaO 與土中的SiO2、Al2O3 發(fā)生反應(yīng)，生成復(fù)雜的化合物，如硅酸鈣鹽、鋁酸鈣水化物，產(chǎn)生較強(qiáng)的粘結(jié)作用，使改良土的強(qiáng)度提高。碳酸化作用改良土中的石灰與空氣中的CO2 發(fā)生鈣化反應(yīng)，生成CaCO3使土硬化，起到了固化土體的作用。化學(xué)作用由于生石灰與水在熟化過程中，發(fā)生吸水、發(fā)熱、膨脹作用，可以降低土體含水量，

30、促進(jìn)土體的固結(jié)，這也有助于土體強(qiáng)度的提高。四、石灰改良膨脹土場(chǎng)拌法施工工藝流程 用場(chǎng)拌法改良膨脹土填料進(jìn)行路基填筑可采用“三階段、四區(qū)段、九流程”的施工工藝組織施工。4.1 施工準(zhǔn)備在施工準(zhǔn)備中，除了要做一些常規(guī)的準(zhǔn)備外，還要做好石灰加工的準(zhǔn)備工作，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，如果是用生灰改良膨脹土，那么在臨時(shí)工程規(guī)劃中，就需考慮安裝球磨機(jī)等相關(guān)石灰加工設(shè)備的場(chǎng)地，做好碎土設(shè)備、穩(wěn)定土拌和站的規(guī)劃建設(shè),并做好相應(yīng)環(huán)境保護(hù)工作。如果是用熟石灰改良膨脹土，應(yīng)選擇一避風(fēng)近水的場(chǎng)所進(jìn)行石灰的消解、過篩，并把消解殘余物集中堆放，及時(shí)清除，做好相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)工作。4.2 基底處理按照施工互不干擾的原則，劃分作業(yè)區(qū)段，區(qū)段長度宜在100m200