1、1中国地质大学（武汉）学历硕士研究生学位文献综述学 号: 1201410702姓 名: 艾 密学 院: 三峡中心题 目: 重塑膨胀土膨胀变形特征的试验研究学科(专业): 地质工程（工程）导师姓名: 刘清秉攻读学位: 硕士22016 年 09 月 30 日评 语对课程论文的评语:3平时成绩： 课程论文成绩：总 成 绩： 评阅人签名：注：1、无评阅人签名成绩无效；2、必须用钢笔或圆珠笔批阅，用铅笔阅卷无效；3、如有平时成绩，必须在上面评分表中标出，并计算入总成绩。4重塑膨胀土膨胀变形特征的试验研究一、引言膨胀土是现代工程地质学中新开拓的一个特殊领域,也是土质学中新近发现对于工程建筑物具有特殊危害的
2、一类特殊土川，它主要是由强亲水性粘土矿物蒙脱石和伊利石组成的,是具有膨胀结构、多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性的高塑性粘性土。膨胀土的灾害主要是其失水收缩、吸水膨胀引起的。不均匀的膨胀和收缩使土体拉裂，破坏了土体的完整性；而吸水膨胀使土体密度降低，两者皆可使其强度降低，造成工程坡体失稳滑塌等工程灾害。另外，受限制的强烈胀、缩会造成建筑物拉、胀裂破坏等。二、国内外研究现状膨胀性是膨胀土最为显著的特征。关于膨胀土膨胀性的研究要追溯到上实际 40 年代,1938 年美国幵垦局在俄勒闪州欧维希的一座钢制虹吸管基础工程中首次认识到粘土膨胀的问题 。接着到上世纪 50 年代,Holtz 和 Gibbs 开始
3、对膨胀性粘土的工程性质展开了研1 2究,后来众多学者陆续对膨胀土的膨胀特性展开了一系列的研究。膨胀土膨胀特性的试验研究方法主要包括自由膨胀和侧限约束下的膨胀试验。用以评价膨胀土膨胀特性的试验指标主要有膨胀率和膨胀力。然而目前试验方法尚未规范化,采用的方法不同,所得的结果也不尽相同。对于膨胀率的测量,主要的试验方法包括自由膨胀率测试法,无荷和有荷侧限膨胀率测试法。自由膨胀率主要用来判别膨胀土,一般认为自由膨胀率大于 20%的粘性土才可称之为膨胀土 。但是很多学者对利用自由膨胀率的方法来判别膨胀土产生了质疑 ,他5 21-5们进行了一系列的研究分析,并提出了相关修正建议。有荷侧限膨胀率主要用来模拟
4、工程实际中存在上覆土压力的状态。膨胀力的测量方法较多,总体归纳为四种 :膨胀加压法、43、恒体积法、分级加荷膨胀法和平衡加压法。这四种方法中釆用较普遍的是恒体积法,因为恒体积法较符合工程实际,且简便,试验时间短,但恒体积法只能测得纵向膨胀力,而无法获得径向膨胀力。对于径向膨胀力测试方法的研究,国外 Zeitlen ,Franklin 、Avsar 等678开展了相关研究,并取得了很多有价值的成果;国内杨庆 巧妙地设计了一种侧限膨胀试验9仪器,可以量测径向膨胀力,而且由于侧压量测部分的刚度较大,因此可以忽略径向应变,可以说是真正意义上的恒体积膨胀力试验测试仪。5关于初始状态对膨胀土膨胀性的影响,
5、陈孚华 曾对美国洛基山区各种类型的膨胀土做1过几千次膨胀试验,结果表明膨胀压力受初始含水量、饱和度以及试样厚度的影响不大,而是随初始干密度的增大而增大。Komine 采用恒体积法对压实膨润土的一维膨胀试验研究10表明,最大变形和和最大膨胀力与初始含水量几乎无关,而是随初始干密度的增大而增大。Basrna 分别采用膨胀加压法、分级加荷膨胀法、平衡加压法对影响膨胀特性的因素进行1了试验研究,结果表明膨胀压力和膨胀应变随初始干密度、粘土含量的增大而增大,随初始含水量的增大而减小。缪林昌 等的研究成果表明,膨胀土的膨胀率和膨胀量与初始含水12量成反比,与初始干密度成正比。林青芝 和王顺 分别对江苏段与
6、南阳膨胀土的膨胀特1314性进行研究共同得出了膨胀土的无荷膨胀率与初始含水量之间呈线性关系,而有荷膨胀率与上覆荷载之间是半对数的关系这样的结论。此外,文献【22-30】都深入研究了不同初始状态对膨胀土膨胀特性的影响,并取得了丰硕成果。二、膨胀土的膨胀机理在所有理论中,应用较普遍是晶格扩张理论和双电层理论。粘土矿物亲水性的产生原因:由于其具有高度的分散性、较大的比表面积和表面自由能,再加上晶格置换作用等引起电荷不平衡,使土颗粒表面带有大量负电荷,从而能较强地吸附周围的水分和阳离子产生水化现象 。23图 2-1 双电子层示意图“粒间膨胀”:即双电层理论。由于水化作用,粘土矿物颗粒表面及其所吸附阳离
7、子形成了较发育的表面溶剂化层,即双电层(如图 2-1)。双电层内的离子吸附水分子,使之在电场力作用下定向排列,在粘土颗粒周围形成结合水膜,结合水膜增厚“楔开”粘土颗粒,使颗粒间距离变大,从而产生膨胀。双电层理论主要基于粘土颗粒表面双电层中结合水膜厚度变化来解释粘土胀缩变形现象的。粘土中结合水膜的厚度,特别是弱结合水膜的厚度主要取决6于双电层中扩散层的厚度 。26“晶格膨胀”:主要是针对于具有活动性晶格(即膨胀晶格构造)的粘土矿物(如蒙脱石类),其晶面间距(C 轴和 b 轴)因吸附水分子而扩展,其晶层间由弱化学键连结,彼此连结不牢靠,晶格格架(如图 2-2)有较好的活动性,遇水很不稳定,表现为水
8、分子可无定量地进入晶层之间而产生膨胀(如图 2-3)。 “晶格膨胀”仅仅针对晶层之间吸附结合水膜的楔入作用,而不考虑颗粒结合体间吸附结合水的作用。因此诸如蒙脱石类的粘性土吸水同时会发生“粒间膨胀”和“晶格膨胀”作用,也是其膨胀性较强的重要原因。当然土体膨胀不单单是物理化学效应,同时还有力学效应,是物理化学作用和力学作用互为因果的综合效应。图 2-2 晶层间吸水膨胀示意图图 2-3 蒙脱石晶层间吸水过程示意图三、外部条件对重塑膨胀土膨胀性的影响3.1 含水量对重塑膨胀土的影响膨胀土体中含水量的变化常会引发各种工程问题,而膨胀土对含水量的变化尤其敏感,土体中含水量的变化是膨胀土产生膨胀与收缩、土中
9、吸力及强度变化等重要特性的基础,是影响边坡稳定的重要因素,所以对于膨胀土路基,要尽量的控制膨胀土的含水量的变化。含水量的变化会使得膨胀土体发生胀缩,含水量增加时,膨胀土体积显著增大,表现出了7强烈的膨胀性,如果在其体积增大过程中受到限制,则在土中产生内应力,相反当土中含水量减少时,土体会收缩,并会产生收缩应力，杨庆、张慧珍等(2004) 研究发现膨胀力的大26小受含水量的影响很大,膨胀力和含水量之间存在良好指数关系;徐永福、龚友平等(1997)研究表明膨胀量是含水量的线性函数“膨胀土的浸水速率与含水量、吸力和时间在双对15数坐标上呈直线相关,随着含水量增加!吸力减小,浸水速率增大,浸水速率随时
10、间延长而减小;浸水速率的对数与上覆荷载呈直线相关,上覆荷载越大,浸水速率越小；李献民、王永和杨果林等(2003) 研究得到初始含水率与胀力曲线和膨胀量曲线的变化规律均为指数关系27“。3.2 干密度对重塑膨胀土的影响贾东亮、丁述理等(2004)基于室内膨胀土测试试验,对邯郸膨胀土的击实土样的胀缩特性进行了研究“分析了膨胀力及膨胀率与初始干密度的定量关系“并根据膨胀土胀缩变形的物理机制对干密度对膨胀土的影响机制进行了分析“徐永福、龚友平等(1997) 对宁夏膨15胀土进行了膨胀变形试验“结果表明,膨胀土的膨胀变形受干密度影响,膨胀量是干密度的线性函数,李献民、王永和等(2003)以湖南邵阳膨胀土
11、为例,对 3 种击实膨胀土工程变形特性进行了试验研究“试验结果表明:膨胀土的起始干密度对其膨胀力和膨胀量大小的影响是主要的外部因素;根据膨胀力试验和膨胀量试验的试验数据,拟合出膨胀力曲线和膨胀量曲线的变化规律均为指数关系。实践证明,膨胀的起始状态不同,产生的膨胀程度完全不同,即产生不同的膨胀量.起始含水量越小,干密度越大,则产生越大的膨胀量;反之亦然.膨胀量与起始含水量呈直线相关表达式如下:bawp0式中 a 和 b 是反映膨胀土膨胀变形特征的物性参数,它们随着干密度增加而增大,随压力增加而减小。3.3 蒙脱石矿物对重塑膨胀土的影响蒙脱石矿物具有吸水膨胀的特性，以下的讨论中用蒙脱石来评判膨胀性
12、能。8在相同体积的石英砂骨架间孔隙中，当蒙脱石吸水膨胀充满所有石英砂骨架间孔隙时，如果填充的蒙脱石矿物的体积越大，蒙脱石矿物晶层平均间距就越小；当蒙脱石-水体系中其他条件(蒙脱石的类型、均匀液相的离子浓度、温度等等)不变时，晶层间距是决定晶层间排斥力大小的主要因素。而宏观的砂-蒙脱土的膨胀力正是来源于蒙脱石晶层间的排斥力，而且在废料处理中蒙脱石含量是评定重塑膨胀土的一个重要指标，因此，引入一个参数，蒙脱石在砂-蒙脱土混合物孔隙中的填充率 T 为：vmV式中：T 为填充率， 为蒙脱石矿物的体积， 为砂-蒙脱土混合物中孔隙的体积。vVT 可以反映混合物吸水膨胀后蒙脱石晶层的平均间距，用 T 作为参
13、数估计混合物的膨胀力大小。实际的蒙脱石晶层间距小于由计算所得的 T 所反映的蒙脱石晶层间距。并且，干密度越大偏离得越多。这也是可以理解的，由于蒙脱土与砂混合不是非常均匀的，部分蒙脱土的颗粒比较集中，而干密度越大，砂骨架间的孔隙越小，蒙脱土向砂骨架间孔隙膨胀的阻力就越大；当蒙脱土的粘粒软化后，膨胀力则下降，试验中的平衡荷载有一部分由砂骨架承受，试样被压缩，由于膨胀力本来就不大，试样被压缩时还受到环刀对其的摩擦力，因而，此时膨胀力的变化在试验时是很难发现的。4、 总结在对一些建筑在膨胀土地区的轻型建筑物破坏实例调查中发现，建筑物墙体、地梁和混凝土地坪，由于地基缩胀而断裂和破坏，其原因就是膨胀土基础
14、在施工期间暴露于大气而失水，在上面覆盖一不透水覆盖层后，由于基础不断从周边，特别是雨后吸水而发生体胀后， 其膨胀力促使覆盖物破坏。当然，如覆盖层足够厚、强度足够高，亦可以抑制膨胀力而不破坏。因此，膨胀力和胀缩变形的变化规律一直是膨胀土研究的重点研究内容，文献曾研究过某些因素如干密度、含水率、蒙脱石矿物等对膨胀土的膨胀压力的影响，得到了一些有益的结果。本文在此基础上详细地讨论膨胀土特性指标与其膨胀特性的定量关系。9国内外学者对膨胀土的膨胀变形特性做了大量的研究工作，文献曾研究过某些因素如干密度、含水率、蒙脱石矿物等对膨胀土的膨胀压力的影响，得到了一些有益的结果，但是距离实际应用仍有一定的距离；本
15、文在此基础上详细地讨论膨胀土特性指标与其膨胀特性的定量关系，以期在其它膨胀土地区或工程中推广应用。参考文献1陈孚华著.石油化学工业部化工设计院译?膨胀土上的基础M.北京:中国建筑工业出版社,1979.2Holtz W.G, Gibbs HJ. Engineering properties of expansive clays J. Transactions of the American Society of Civil Engineering, 1956,121(2814):641-667.3廖世文.膨胀土与铁路工程M.北京沖国铁道出版社,1984.4杨庆.膨胀岩与巷道稳定M.北京:冶金工业
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21、国建筑工业出版社,1994.1123谭罗荣,孔令伟膨胀土膨胀特性的变化规律研究J?岩土力学,2004,25(10): 1555-1559.24Kong L W,Tan L R. Study on shear strength and swelling-shrinkage characteristic of compacted expansive soil A. Unsaturated soil for Asia. Rahardjo C. Balkema :Rotterdam, 2000. 515519.25李振,邢义川,张爱军.膨胀土的浸水变形特征J.水利学报,2005,36(11):1385 -1391.26苗鹏,肖宏彬,范志强.不同初始条件下的南宁膨胀土胀缩应变试验研究J.公路工程,2008,33(2):38-42.27韦秉旭,周玉峰.宁明膨胀土侧限有荷膨胀变形试验研究J.力学与实践,2006,12(6):6468.28徐永福,吴正根,刘传新.膨胀土的击实条件与膨胀变形的相关性研究J.河海大学学报,1997,25( 3) :57-60.29饶锡保,黄斌,吴云刚,谭凡.膨胀土击实样膨胀特性试验研究J.武汉大学学报(工学版).2011,44(2):211-215.30舒福华.襄樊膨胀土的矿物成分及化学特征对其胀缩性能的影响研究M.军工勘察,1995(1):26-29.
