脹性土工程地質(zhì)特征

（一）膨脹土現(xiàn)場工程地質(zhì)特征

1.地形、地貌特征

膨脹土多分布于Ⅱ級以上的河谷階地或山前丘陵地區(qū)，個別處于Ⅰ級階地。在微地貌方面有如下共同特征：呈壟崗式低丘。淺而寬的溝谷，地形坡度平緩，無明顯的自然陡坎；人工地貌，如溝渠、墳墓、土坑等很快被夷平，或出現(xiàn)剝落、“雞爪沖溝”；在池塘、庫岸、河溪邊坡地段常有大量坍塌或小滑坡發(fā)生；旱季地表出現(xiàn)地裂，長數(shù)米至數(shù)百米、寬數(shù)厘米至數(shù)十厘米，深數(shù)米，特點是多沿地形等高線延伸，雨季閉合。

2.土質(zhì)特征

顏色呈黃、黃褐、灰白、花斑（雜色）和棕紅等色。

多為高分散的黏土顆粒組成，常有鐵錳質(zhì)及鈣質(zhì)結(jié)核等零星包含物，結(jié)構(gòu)致密細膩。一般呈堅硬或硬塑狀態(tài)，但雨天浸水劇烈變軟。

近地表部位常有不規(guī)則的網(wǎng)狀裂隙。裂隙面光滑，呈蠟狀或油脂光澤，有擦痕或水跡，并有灰白色黏土(主要為蒙脫石或伊利石礦物)充填，在地表部位常因失水而張開，雨季又會因浸水而重新閉合。

（二）膨脹土的物理、力學及脹縮性指標

(1)黏粒含量多達35%～85%。其中粒徑<0.002mm的膠粒含量一般也在30%～40%范圍。液限一般為40%～50%。塑性指數(shù)多在22～35之間。

(2)天然含水量接近或略小于塑限，常年不同季節(jié)變化幅度為3%～6%，故一般呈堅硬或硬塑狀態(tài)。

(3)天然孔隙比小，變化范圍常為0.50～O.80，云南的較大，為0.7～1.20。同時，其天然孔隙比隨土體濕度的增減而變化，即土體增濕膨脹，孔隙比變大；土體失水收縮，孔隙比變小。

(4)自由膨脹量一般超過40%，也有超過100%的。

各地膨脹土的膨脹率、膨脹力和收縮率等指標的試驗結(jié)果的差異很大。例如就膨脹力而言，同一地點同一層土的膨脹力在河南平頂山為6～550kPa，一般值也在30～250kPa；云南蒙自為10～220kPa，一般值在10～80kPa。同樣，收縮率值：平頂山2.7%～8%；蒙自4%～15%。這是因為這些試驗是在天然含水量的條件下進行的，而同一地區(qū)土的天然含水量隨季節(jié)及其環(huán)境條件而變化。實驗證明，當膨脹土的天然含水量小于其最佳含水量（或塑限）之后．每減少3%～5%，其膨脹力可增大數(shù)倍，收縮率則大為減小。

(5)關于膨脹土的強度和壓縮性。

膨脹土在天然條件下一般處于硬塑或堅硬狀態(tài)，強度較高，壓縮性較低，但這種土往往由于干縮，裂隙發(fā)育呈現(xiàn)不規(guī)則網(wǎng)狀與條帶狀結(jié)構(gòu)，破壞了土體的整體性，降低承載力，并可使土體喪失穩(wěn)定性。這一點，特別對淺基礎、重荷載的情況，不能單純從“平衡膨脹力”的角度，或小塊試樣的強度考慮膨脹土地基的整體強度問題。

同時，當膨脹土的含水量劇烈增大（例如，由于地表浸水或地下水位上升）或土的原狀結(jié)構(gòu)被擾動時，土體強度會驟然降低，壓縮性增高。這顯然是由于土的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力都相應減小及結(jié)構(gòu)強度破壞的緣故。已有的國內(nèi)外技術資料表明，膨脹土被浸濕后，其抗剪強度將降低1/3～2/3。而由于結(jié)構(gòu)破壞，將使其抗剪強度減小2/3～3/4，壓縮系數(shù)增高1/4～2/3。 2100433B

膨脹土的特殊工程性質(zhì)是受其特殊的礦物成分控制。礦物成分不僅對了解控制膨脹土工程性質(zhì)的內(nèi)在因素，探討其膨脹機理所必需，而且對研究膨脹土性質(zhì)的改良和加固方法也是必不可少的。

膨脹土的礦物成分包括黏土礦物和碎屑礦物。碎屑礦物中大部分為石英、斜長石和云母（主要是水云母）。碎屑礦物在膨脹土中含量有限，故對其脹縮性質(zhì)影響不大。

影響膨脹土工程性質(zhì)主要是黏土礦物。黏土礦物主要為蒙脫石、伊利石和高嶺石。它們的共同特點是結(jié)晶度低、晶粒微細、膠體特性顯著。但因彼此化學成分的不同，這些黏土礦物晶格構(gòu)造有差異。蒙脫石是一種鱗片狀礦物，具有強烈的結(jié)構(gòu)膨脹性；伊利石的結(jié)晶格架活動能力比蒙脫石低，僅具有弱膨脹性；高嶺石具有牢固的結(jié)晶格架，基本不具膨脹性。因此，膨脹土中各種黏土礦物的含量，特別是蒙脫石礦物決定了土的脹縮性能。

關于膨脹土的判別，國內(nèi)外尚不統(tǒng)一。

原公路路基設計規(guī)范(JTJ 013—95)除根據(jù)野外地質(zhì)特征外，把主要黏土礦物成分、大于0.002 mm的黏粒含量、自由膨脹率和脹縮總率作為膨脹土判別及分類的依據(jù)。

鐵路上將自由膨脹率、蒙脫石含量和陽離子交換量作為膨脹土判別和分類的依據(jù)。

膨脹土中離子交換吸附作用是黏土礦物的一種重要物理化學性質(zhì)，測定膨脹土的陽離子交換性能可以定性地判別組成土的主要黏土礦物類型，從而也能評價土的親水性、膨脹性和強度等重要性質(zhì)的綜合指標。

《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》（TB 10038--2001），根據(jù)膨脹土的自由膨脹率、蒙脫石含量及陽離子交換量將膨脹土的膨脹潛勢分為三級。

脹性土過去在國內(nèi)外有許多不同的叫法，如裂隙黏土、膨脹黏土、脹縮土、干縮土及超固結(jié)黏土等；也有許多以地區(qū)命名叫法，如成都黏土、合肥黏土、倫敦黏土、渥太華黏土等，已逐漸趨向于統(tǒng)一稱謂膨脹土。

膨脹土是新生代第三紀至第四紀晚更新世期間生成的黏性土，在土中，黏土顆粒的含量很多，而黏粒中又有大量親水性礦物，干縮濕脹十分強烈；而且，由于其形成原因，具有超固結(jié)性和多裂隙。

膨脹土的成因環(huán)境一般溫和濕潤，在這種環(huán)境條件下，以硅酸鹽為主的礦物不斷分解，鈣被大量淋失，鉀離子被次生礦物吸收，形成以伊利石和伊利石-蒙脫石混合物為主的黏性土。膨脹土在我國分布廣泛，與其他土類不同的是。膨脹土主要呈島狀分布，根據(jù)現(xiàn)有資料，膨脹土在廣西、云南、貴州、湖北、河北、河南、四川、安徽、山東、陜西、江蘇和廣東等地均有不同范圍的分布。國外也一樣，如美國，51個州中有膨脹土的州占40個，此外在印度、澳大利亞、南美洲、非洲和中東廣大地區(qū)，也都有不同程度的分布。

土壤脹縮性只在塑性土壤中發(fā)現(xiàn)。這種土壤干時收縮，濕時膨脹，土壤膨脹是指黏質(zhì)土壤在吸水時總?cè)莘e增大的現(xiàn)象。土壤吸水膨脹時所產(chǎn)生的壓力稱為土壤膨脹壓(soil swelling pressure)。土壤收縮(soil shrinkage)是指黏質(zhì)土壤隨含水量減少而總?cè)莘e減小的現(xiàn)象。土壤收縮，分為結(jié)構(gòu)收縮(structure shrinkage)、常態(tài)收縮(normal shrinkage)和剩余收縮(residual shrinkage)。結(jié)構(gòu)收縮是指黏質(zhì)土壤在含水量減少過程中，首先出現(xiàn)的土壤總?cè)莘e減少低于失水容積減少的階段，常態(tài)收縮是指黏質(zhì)土壤在含水量減少的過程中，土壤總?cè)莘e減少與失水容積減少相等的階段；剩余收縮是指黏質(zhì)土壤在含水量減少的過程中，土壤總?cè)莘e減少大于失水容積減少的階段。

土壤力學性質(zhì)(又稱機械物理性質(zhì))包括黏結(jié)性、黏著性、可塑性和脹縮性，以及其他受外力作用而發(fā)生變形的性質(zhì)，這些性質(zhì)又稱為土壤結(jié)持性。土壤力學性質(zhì)與土壤耕作中的諸多問題，如耕作難易、耕作質(zhì)量、土壤壓板等密切相關。土力學就是研究土壤力學特性的土壤學分支學科。

脹縮性與片狀黏粒有關，膨脹是由于黏粒水化以及周圍的擴散層增厚之故，當土壤膠體被強烈解離的陽離子(如鈉)飽和時，膨脹性最強。如交換性Na 被Ca² 置換則膨脹性變?nèi)酢?

土壤質(zhì)地愈黏重，即黏粒含量愈高，尤其是擴展型黏粒礦物(蒙脫石、蛭石等)含量愈高，則脹縮性愈強。砂性土壤無脹縮性。

腐殖質(zhì)本身吸水性強，但它能促使土壤結(jié)構(gòu)的形成而保持疏松，因而土體脹縮不明顯。脹縮性強的土壤在吸水膨脹時使土壤密實而難以透水通氣，在干燥收縮時會拉斷植物的細胞和根毛，并造成透風散熱的裂隙(龜裂)。這種土壤上的建筑物地基也不牢固。

土壤脹縮特性不僅與耕作質(zhì)量有關，也影響土壤水氣狀況與根系伸展。土壤膨脹往往導致土壤體積增大，產(chǎn)生內(nèi)部脹壓，導致土壤孔隙變小，使土壤的通透性降低，影響土壤的排水和通氣；土壤收縮則往往導致土壤出現(xiàn)大的裂隙，導致土壤水分和養(yǎng)分的流失。 2100433B