脹性土礦物成分

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(duì)了解控制膨脹土工程性質(zhì)的內(nèi)在因素，探討其膨脹機(jī)理所必需，而且對(duì)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(zhǎng)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(duì)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(diǎn)是結(jié)晶度低、晶粒微細(xì)、膠體特性顯著。但因彼此化學(xué)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(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)膨脹性；伊利石的結(jié)晶格架活動(dòng)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(guān)于膨脹土的判別，國(guó)內(nèi)外尚不統(tǒng)一。

原公路路基設(shè)計(jì)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(lèi)的依據(jù)。

鐵路上將自由膨脹率、蒙脫石含量和陽(yáng)離子交換量作為膨脹土判別和分類(lèi)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(xué)性質(zhì)，測(cè)定膨脹土的陽(yáng)離子交換性能可以定性地判別組成土的主要黏土礦物類(lèi)型，從而也能評(píng)價(jià)土的親水性、膨脹性和強(qiáng)度等重要性質(zhì)的綜合指標(biāo)。

《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(yáng)離子交換量將膨脹土的膨脹潛勢(shì)分為三級(jí)。

脹性土過(guò)去在國(guó)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(jì)至第四紀(jì)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(qiáng)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(rùn)，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(guó)分布廣泛，與其他土類(lèi)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(guó)外也一樣，如美國(guó)，51個(gè)州中有膨脹土的州占40個(gè)，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。

（一）膨脹土現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)特征

1.地形、地貌特征

膨脹土多分布于Ⅱ級(jí)以上的河谷階地或山前丘陵地區(qū)，個(gè)別處于Ⅰ級(jí)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(wú)明顯的自然陡坎；人工地貌，如溝渠、墳?zāi)?、土坑等很快被夷平，或出現(xiàn)剝落、“雞爪沖溝”；在池塘、庫(kù)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(zhǎng)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(diǎn)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(xì)膩。一般呈堅(jiān)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(kāi)，雨季又會(huì)因浸水而重新閉合。

（二）膨脹土的物理、力學(xué)及脹縮性指標(biāo)

(1)黏粒含量多達(dá)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(jiān)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(shí)，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(guò)40%，也有超過(guò)100%的。

各地膨脹土的膨脹率、膨脹力和收縮率等指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果的差異很大。例如就膨脹力而言，同一地點(diǎn)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?yàn)檫@些試驗(yàn)是在天然含水量的條件下進(jìn)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(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)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(guān)于膨脹土的強(qiáng)度和壓縮性。

膨脹土在天然條件下一般處于硬塑或堅(jiān)硬狀態(tài)，強(qiáng)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(diǎn)，特別對(duì)淺基礎(chǔ)、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(qiáng)度考慮膨脹土地基的整體強(qiáng)度問(wèn)題。

同時(shí)，當(dāng)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(dòng)時(shí)，土體強(qiáng)度會(huì)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(yīng)減小及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞的緣故。已有的國(guó)內(nèi)外技術(shù)資料表明，膨脹土被浸濕后，其抗剪強(qiáng)度將降低1/3～2/3。而由于結(jié)構(gòu)破壞，將使其抗剪強(qiáng)度減小2/3～3/4，壓縮系數(shù)增高1/4～2/3。 2100433B

土壤脹縮性只在塑性土壤中發(fā)現(xiàn)。這種土壤干時(shí)收縮，濕時(shí)膨脹，土壤膨脹是指黏質(zhì)土壤在吸水時(shí)總?cè)莘e增大的現(xiàn)象。土壤吸水膨脹時(shí)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(guò)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(guò)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(guò)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(xué)性質(zhì)(又稱機(jī)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(xué)性質(zhì)與土壤耕作中的諸多問(wèn)題，如耕作難易、耕作質(zhì)量、土壤壓板等密切相關(guān)。土力學(xué)就是研究土壤力學(xué)特性的土壤學(xué)分支學(xué)科。

脹縮性與片狀黏粒有關(guān)，膨脹是由于黏粒水化以及周?chē)臄U(kuò)散層增厚之故，當(dāng)土壤膠體被強(qiáng)烈解離的陽(yáng)離子(如鈉)飽和時(shí)，膨脹性最強(qiáng)。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(kuò)展型黏粒礦物(蒙脫石、蛭石等)含量愈高，則脹縮性愈強(qiáng)。砂性土壤無(wú)脹縮性。

腐殖質(zhì)本身吸水性強(qiáng)，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(qiáng)的土壤在吸水膨脹時(shí)使土壤密實(shí)而難以透水通氣，在干燥收縮時(shí)會(huì)拉斷植物的細(xì)胞和根毛，并造成透風(fēng)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(guān)，也影響土壤水氣狀況與根系伸展。土壤膨脹往往導(dǎo)致土壤體積增大，產(chǎn)生內(nèi)部脹壓，導(dǎo)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(dǎo)致土壤出現(xiàn)大的裂隙，導(dǎo)致土壤水分和養(yǎng)分的流失。 2100433B