膨胀土的力学性质研究

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　　摘要:对某地中强膨胀土进行了力学性质试验试验研究，确定了该地区膨胀土的各项性能指标，以作日后对膨胀土的辨别和分类，并为工程施工提供原始的数据资料和参考依据。
　　关键词：膨胀土；力学性质；试验研究
　　中图分类号:Tu 文献标识码：A
　　
　　1．前言
　　 中国是膨胀岩土分布最广的国家之一,在黄河流域及其以南的20余个省区均有不同范围的分布[1-4]。膨胀土由于膨胀土分布广泛，种类繁多，而且不同地区膨胀土差异较大，作用机理复杂，对其成因的认识还不够充分,因此在工程应用中对膨胀土造成的危害的影响远未达到消除与解决，因而加强对膨胀土的研究工作，是一件现实而有意义的工作。
　　2. 膨胀土的组成与分布情况
　　 膨胀土是指黏粒成分主要由强亲水性矿物组成的,液限大于40%且胀缩性能较大的黏性土。主要由次生黏土矿物―蒙脱石和伊利石组成,同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性。由于组成成分及比例的不同,其外观一般呈现褐色、红色、黄色或灰白色等,一般土质细腻,黏性大,呈硬塑状态,斜交裂隙和光滑面发育,裂面颜色呈灰白、黄褐等杂色交混,无明显界限。膨胀土的微结构特征值随母岩与地质成因不同而各异，灰白色膨胀土主要是残积膨胀土，由岩石风化而成，富含CaΟ颗粒（疆石结核）。
　　 本文试验膨胀土取自南阳镇平，镇平段膨胀土主要是泥灰岩风化而成，黏土矿物成分主要以蒙脱石为主，大约占矿物成分的33％，属第四系中、上更新统膨胀土。
　　2．1膨胀土的矿物成分
　　 膨胀土之所以有膨胀性，是由于黏性土中含有亲水的黏土矿物，如蒙脱石、伊利石等。膨胀性实质上是这些黏土矿物晶格中的水，随雨季和旱季、丰水年枯水年的温度变化而增减所致。膨胀性能的大小取决于这些亲水黏土地矿物质在黏性土中的含量高低。含量越高，膨胀性越大，反之，则越小。膨胀土的膨缩性能，除与黏土矿物含量多寡有直接关系外，尚与膨胀土体的含水量、厚度及埋藏或出露条件密切相关。
　　2.2含水量的影响
　　 土体的含水量决定吸水量的大小，在膨胀范围内，膨胀率与含水量成正比，当含水量达到饱和时，吸水量最小，其膨胀变形渐趋稳定。在收缩范围内，收缩率随含水量减小而减小，当收缩至缩限以后，失水量最小，收缩变形也渐趋稳定。膨胀土体的含水量随季节变化而变化，也随丰水年和枯水年的变化而变化。土体含水量的这种周期性的变化，导致土体周期性的膨胀和收缩。
　　2.3膨胀土体的厚度影响
　　 膨胀土的胀缩幅度与其厚度成正比。但当强膨胀土体厚度不大时，其胀缩幅度也不会很大。低膨胀土体厚度大，则胀缩幅度也会很大，只时间过程较长而已。
　　2.4膨胀土体埋藏深度的影响
　　 膨胀土体埋藏深度对胀缩幅度也起控制作用。据对灰绿色黏土的研究表明，膨胀土的埋藏深度（非膨胀土覆盖厚度）如果大于3m，则对膨胀土体的胀缩起缓冲作用。建筑物不致遭其破坏；如果小于3M，则建筑物可直接遭受土体胀缩力的破坏。
　　对膨胀土的判定各行业采用的标准不尽相同，由此可能造成膨胀土分类上的差异。本文对膨胀土的判定主要采用《公路路基设计规范》（JTJ013-95）进行膨胀土潜势分类,见表1。
　　
　　
　　2.5膨胀土的物理力学参数
　　 膨胀土由于其组成含有较多的膨胀性黏土矿物(蒙脱石、伊利石)，他具有很强的吸水性、高塑性、快速崩解及剧烈的胀缩性。膨胀土的胀缩性除了受土体自身的黏土矿物成分及含量控制外，土体的基质吸力及含水量的变化也是重要因素。通过室内试验测得南阳膨胀土的部分物理力学参数[5]，见表2。南阳膨胀土的黏土矿物成分见表3。从这些物理力学参数可以看出该膨胀土属于中等强度膨胀性的黏土，黏土矿物主要有伊利石，其次是蒙脱石，还有少量的高岭石、水云母和绿泥石等。
　　
　　
　　3. 试验研究的主要内容
　　 主要研究了膨胀土的工程性质。包括膨胀土的物理性质试验、力学性质试验，并且确定其的各项性能指标，以作日后对膨胀土的辨别和分类，为工程施工提供原始的数据资料和参考依据。
　　3.1 土样的采集
　　 土样在天然地面采取。取原状土样时，必须保持土样的原状结构及天然含水量，并使土样不受扰动。在取得土样后，应对土样进行编号，用标签贴在相应的取土袋上。
　　3.2 原状土的制备
　　 按土样上下层次小心开启原状土包装皮，将土样取出放正，整平两端。在环刀壁涂一薄层凡士林，刀口向下，放在土样上，无特殊要求时，切土方向与天然层次层次垂直。切削过程中，应细心观察并记录试件的层次、气味、颜色，有无杂质，土质是否均匀，有无裂缝等。如连续切取数个试件，应注意使含水量不发生变化。视试件本身及工程要求，决定试件是否进行饱和，如不立即进行试验或饱和时，则将试验暂存于保温器内。切取试件后，剩余的原状土样用蜡纸包好置于保温器内，以备补作试验之用。切削的余土作物理性试验。平行试验或同一组试件密度差值不大于±0.1g/cm3，含水量差不大于2%。
　　3.3试验内容
　　 1) 含水率试验:含水率试验方法有多种，有烘干法、酒精燃烧法、比重法、碳化钙气压法，该试验采用烘干法进行。
　　 2) 密度试验:由于所取试样含有大量疆石易破裂，且形状不好控制，因此采用蜡封法测定试样密度。
　　 3) 界限含水量试验（液、塑限联合测定法）:液、塑限联合测定法是根据圆锥仪的圆锥入土深度与其相应的含水率在双对数坐标上具有线性关系的特性来进行的。利用圆锥质量为76g的液塑限联合测定仪测得土在不同含水率时的圆锥入土深度，并绘制其关系直线图，在图上查得圆锥下沉深度为10mm（或17mm）所对应的含水率即为液限，查得圆锥下沉深度为2mm所对应的含水率即为塑限。
　　 4) 膨胀率试验:土的膨胀是指黏性土体在浸水过程中体积增大的现象。所谓膨胀率，是指试样在有侧限条件下浸水后的竖向膨胀量与试样原高度之比。膨胀含水率是指土样在膨胀稳定后的含水率。根据加载条件，可分为无荷载膨胀率试验和有荷载膨胀率试验，本试验做的是无荷载膨胀率试验。
　　 该试验的目的是原状膨胀土在有侧限条件下的膨胀率和膨胀含水率，以评价建筑物地基的膨胀性质。
　　 5) 膨胀力试验:膨胀力是土体在吸水膨胀时产生的内应力。本试验用于测定试样在体积不变的情况下由于膨胀所产生的最大内应力，采用加荷平衡法。
　　 6) 自由膨胀率试验:自由膨胀率为松散的烘干土粒在水中和空气中分别自由堆积的体积之差与在空气中自由堆积的体积之比，以百分数表示，用以判定无结构力的松散土粒在水中的膨胀特性。
　　 7) 收缩试验:土收缩是指原状土和击实土在自然风干条件下失水体积收缩的一种现象。失水收缩通常有三个阶段：第一阶段，土体收缩与含水率减少成正比；第二阶段，随着含水率的减少，土体收缩率愈来愈小；第三阶段，含水率继续减小，但土体不再收缩甚微。单向收缩量与试样原高度的比值或单向收缩量与试样原直径的比值称线缩率。土体收缩达稳定时的体积收缩量与试样原体积的比值称体缩。在第一阶段内含水率每减少1％时的线收缩率称收缩系数。
　　 8) 渗透试验:该试验采用变水头渗透试验，是指通过土样的渗流在变化的水头压力影响下进行的渗透试验。
　　 9)直接剪切试验:直接剪切试验就是直接对试样进行剪切的试验，是测定土的抗剪强度的一种方法，通常是4个试样，在不同的垂直压力P下施加水平剪切力，测得试样破坏时的剪应力，然后根据库仑定律确定土的抗剪强度参数内摩擦角和黏聚力c。
　　 10) 固结试验:包括地基土在外荷作用下，水和空气逐渐被挤出，土的骨颗粒相互挤聚，因而引起土的固结，试验目的是测定一般黏性土在侧限条件下受荷时的稳定固结量及固结过程，绘制固结曲线，从而求出土的固结系数a和固结模量Es。
　　4 试验结果与分析
　　 进行了一定数量的室内土工试验，得到了膨胀土各项性能指标，所取土样在地下1.5m～4m之间。
　　 1)从物理性能来看，该膨胀土属高黏性细粒土，其内部含有大量钙质结核，含水率一般在26％～28％之间，最高达到33%,含水率较大；密度在1.9g/cm3～2.0g/cm3之间；液限为50.8，塑限为26.5。具有较大的收缩潜势。
　　2）通过固结试验（以压力为100Kpa～200Kpa为例）和直剪试验，可以看出：该膨胀土抗压强度比较高，这会给工程建设造成了一定的误区，使人们误以为地基土的抗压强度高，在设计中就容易出现问题。实际上是由于膨胀土中的疆石含量较高的缘故，这在后面的对比试验研究中可以明显看出。因此，在实际工程中必须判定地基土是否为膨胀类土，应根据实际情况来设计与施工。
　　 该膨胀土的抗剪强度较低，因此在工程建设中要考虑这方面的问题。
　　 3）通过渗透试验得知，该类膨胀土的渗透系数较大，一般在2.8*10-5cm/s～5.0*10-5cm/s之间，有的甚至更大，可能有下面几个方面的原因：一是土的粒度成分及矿物成分 ，该类膨胀土虽属细粒黏性土，但其内部含有大量的CaO结核（疆石），对于土的参透性影响较大；二是土的结构构造，该类膨胀土内部存在大量的微小裂隙，对土的渗透性也有较大的影响。
　　 3）通过膨胀率试验、膨胀力试验、自由膨胀率试验和收缩试验研究，可以得出：
　　 （1）在土样的天然含水率较大的情况下，土体的膨胀性不是很强，其膨胀率和膨胀力都较小。
　　 （2）该类土的自由膨胀率较大,从最低56.5％，最高71.0%，属中强膨胀土。
　　 (3)该土体的胀缩性非常强，其线缩率（es）由5.445%-7.950%，工程性质很差
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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