膨胀土的基本特性

第2章膨胀土的基本特性
2.1 主要工程特性
2.1.1 胀缩性
膨胀土吸水体积膨胀，使其上建筑物隆起，如膨胀受阻即产生膨胀力；失水体积收缩，造成土体开裂，并使其建筑物下沉。

膨胀土在缩陷与液限含水率的收缩量与膨胀土，称为极限胀缩潜势。

土中有效蒙脱石含量越多，胀缩潜势越大，膨胀力越大。

土的初始含水率越低，膨胀量与膨胀力越大。

影响膨胀土涨缩性的因素有矿物成分、颗粒组成、初始含水量、压实度及附加荷重等。

其中除了矿物成分和颗粒组成的内因因素影响外，初始含水量、压实度及附加荷重的外因因素影响也很大。

击实土的膨胀性远比原状土大，密实度越高，膨胀量与膨胀力越大，这是在膨胀土路基设计中特别值得注意的问题⑴。

2.1.2 崩解性
膨胀土浸水后体积膨胀，在无侧限条件下发生吸水湿化。

不同类型的膨胀土其崩解性是不一样的，强膨胀土浸入水中后，几分钟内很快就完全崩解；弱膨胀土浸入水中后，则需经过较长时间才能逐步崩解，且有的崩解不完全。

此外，膨胀土的崩解特性还与试样的起始湿度有关，一般干燥土试样崩解迅速且较完全，潮湿土试样崩解缓慢且不完全。

2.1.3 多裂隙性
膨胀土中的裂隙，可分垂直裂隙、水平裂隙与斜交裂隙三种类型。

这些裂隙将土体分割成具有一定几何形态的块体，如棱块状、短柱状等，破坏了土体的完整性。

裂隙面光滑有擦痕，且大多充填有灰白或灰绿色黏土薄膜、条状或斑块，其矿物成分主要为蒙脱石，有很强的亲水性，具有软化土体强度的显著特性。

膨胀土路基边坡的破坏，大多与土中裂隙有关，且滑动面的形成主要受裂隙软弱结构面所控制。

2.1.4 超固结性
膨胀土大多具有超固结性，天然孔隙比较小，干密度较大，初始结构强度较高。

超固结膨胀土路基开挖后，将产生土体超固结应力释放，边坡与路基面出现卸载膨胀，并常在坡脚形成应力集中区和较大的塑性区，使边坡容易破坏。

2.1.5 强度衰减性
膨胀土的抗剪强度为经典的变动强度，具有峰值强度极高、残余强度极低的特性。

由于膨胀土的超固结性，其初期强度极高，一般现场开挖都很困难。

然而，由于土中蒙脱石矿物的强亲水性以及多裂隙结构，随着土受胀缩效应和风化作用的时
间增加，抗剪强度将大幅度衰减。

强度衰减的幅度和速度，除与土的物质组成。

土的结构和状态有关外，还与风化作用特别是胀缩效应的强弱有关。

这一衰减过程有的是急剧的，但也有的比较缓慢。

因而，有的膨胀土边坡开挖后，很快就出现滑动变形破坏；有的边坡则要几年，乃至几十年后才发生滑动。

在大气风化作用带以内，由于土体湿胀干缩效应显著，抗剪强度变化比较大，经过多次湿胀干缩循环以后，粘聚力大幅度下降，而内摩擦角则变化不大。

一般干湿反复循环2-3次以后强度即趋于稳定。

2.1.6 风化特性
膨胀土受气候因素影响，极易产生风化破坏作用。

路基开挖后，土体在风化作用下，很快会产生碎裂、剥落和泥化等现象，使土体结构破坏，强度降低。

按其风化程度，一般将膨胀土划分为强、中、弱三层。

强风化层，位于地表或边坡表层，受大气作用与生物作用强烈，干湿效应显著，土体碎裂多呈砂砾与细小鳞片状，结构连结完全丧失，厚度约为1.0m〜1.5m;微风化层，位于弱风化层下，大气与生物作用已明显减弱，干湿效应亦不显著，土体基本保持有规则的原始结构形体，多呈棱块状、短柱状等块体厚度为 1.0m左右。

弱风化层，位于地表浅层，大气与生物作用已明显减弱，但仍较强烈，干湿效应也较明显，土体割裂多呈碎块状，结构连结大部分丧失，厚度约为 1.0 m〜1.5m。

2.2 膨胀土的路基病害
膨胀土是在自然地质过程中形成的一种多裂缝并具有显著膨胀特性的土体，由于前述的不良工程性质，在工程界被认为是隐藏的地质灾害，对工程结构具有严重的破坏作用。

特别是对高等级公路路基工程和大型结构物所产生的变形破坏作用，往往具有长期、潜在的危险，由于对膨胀土膨胀能力估计不足而造成公路病害的损失是相当惊人的。

膨胀土地区的公路发生的病害主要有以下几个方面：
1.沉陷变形。

膨胀土初期结构强度较高，施工时不易粉碎及压实，路堤建成后由于大气物理风化作用和湿胀干缩效应，土块崩解，在路面和路堤自重及汽车荷载作用下，路堤易产生不均匀下沉，路堤愈高，沉陷量愈大严重时可使路面变形破坏。

2.滑坡。

滑坡具有弧形外貌，有明显的滑床，滑床后壁陡直，前缘平缓，主要受裂隙控制。

滑坡多呈牵引式出现，具叠瓦状，成群发生。

一般滑体厚为1〜3m，多数小于6m。

滑坡与大气风化作用层深度、土的类型、土体结构较密切，而与边坡的高度无明显关系。

3溜塌。

边坡表层、强风化层内的土体吸水过饱，在重力与渗透压力的作用下，沿坡面向下产生流塑状溜塌。

溜塌多发生在雨季，与边坡坡度无关。

4.纵裂。

路肩部常因机械碾压不到，填土达不到要求的密实度，后期沉降量相对较大，加之路肩临空，对大气风化作用特别敏感，干湿交替频繁，肩部土体收缩远大于堤身，故在路肩上常发生顺路线方向的开裂，形成数十米至上百米的张开裂缝，缝宽约2〜4m,大多距路肩外缘0.5〜1.0m。

5.坍肩。

路堤肩部土体压实不够，又处于两面临空部位，易受风化作用影响而导致强度衰减。

当有雨水渗入时，特别是当有路肩纵向裂缝出现时，在汽车动荷载作用下，很容易发生路肩坍塌。

塌壁高多在 1.0m以内，严重者可大于1.0m，常发生在雨季。

2.3 膨胀土路基常用处理方式
2.3.1 换填
即将膨胀土换成工程性质较好的土质，换填深度应根据膨胀土胀缩性的强弱和当地的气候条件确定。

换土是膨胀土路基处理方法中最简单有效的方法。

在一定深度以下的膨胀土含水量基本不受外界气候的影响，该深度称之为临界深度，该含水量称之为该膨胀土在该地区的临界含水量。

由于各地的气候不同，各地膨胀土的临界深度和临界含水量也有所不同，换土深度要考虑受地面降水的影响而使土体含水量急剧变化的深度，基本上在1〜2m,即强膨胀土为2m,中弱膨胀土为1〜1.5m，具体换土深度要根据调查后的临界深度来确定。

换土一般适用于小面积换土，对于土源紧张的膨胀上地区而言，在道路工程中大面积、大体积换土是不切实际的［2］。

2.3.2 湿度控制
由于膨胀土路基具有显著吸水膨胀和失水收缩的特性，因此，首先应考虑尽可能对路基边坡和路肩土体采取保湿防渗措施，防止土体干缩湿胀而导致路基强度下降。

湿度控制包括预湿和保持含水量稳定。

为控制由于膨胀土含水量变化而引起的胀缩变形，尽量减少路基含水量受外界大气的影响，需在施工中采取一定的措施。

如利用土工布和粘土将膨胀土路基进行包封，避免膨胀土与外界大气有接触，尽量减少膨胀土内部的湿度变化。

2.3.3 改性处理
目前，国内外普遍采用石灰、粉煤灰、水泥等进行改良处治，亦可用其中的两种或三种进行综合处治。

其中最常用的方法是掺石灰改良。

石灰的固化作用是通过
离子交换，次生碳酸钙胶结性、粘土颗粒与石灰相互作用形成新的含水硅酸钙、硅酸等新矿物而显现出来的。

采用掺石灰改性膨胀土，石灰剂量为4%〜12%，掺石灰改性后应达到胀缩总率小于0.7，以接近零为最佳，根据不同路段膨胀土的具体情况，通过试验确定具体的掺灰率。

另外，国内外也采用了一些化学外掺剂，如氢氧化钠、碳酸钠等。

通常在加入外掺剂后，土的性能可得到较大改善，膨胀量与膨胀用力有不同程度的减小，并且在强度上有所提高。

234 边坡防护与加固
对于膨胀土边坡，必须采取有效措施进行防护和加固。

常用的防护和加固方式有：一种是土工格栅。

充分利用土工网格的抗拉强度、土与网格的相互咬合摩擦作用对边坡进行加固。

另一种是边坡支挡结构。

常用的边坡支挡结构有：
⑴网格式加筋土挡土结构稳定膨胀土边坡；
⑵用土钉墙处理膨胀土路堑边坡；
⑶十字形锚杆骨架护坡和梁形锚杆骨架护坡。

2.4 膨胀土对道路的危害
我国过去修建的路基一般等级较低，膨胀土灾害问题不太突出。

但是，随着近年来高等级路基的兴建，不少地区都遇到了膨胀土施工问题，许多新建路基在施工一过程中就开始出现各种变形病害，有的地段土基一边施工开挖，一边溜塌、坍滑，有的地段土基刚刚施工建成，则出现整段土基吸水膨胀软化，地基表层膨胀，导致无法铺筑路面等。

这种从施工开始就病害不断的膨胀土，如果处理不好，将会造成严重的经济损失，严重影响行车安全。

由于膨胀土的这种特殊工程性，易使这些地区的工程建筑，特别是公路和铁路遭受严重的破坏，造成巨大的经济损失。

因而日益引起政府有关部门和学术界、工程界的高度重视。