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1、 中 国 地 质 大 学研究生课程论文课程名称 地质灾害分析与防治 教师姓名 # 研究生姓名 研究生学号 #3 研究生专业 地质工程 所在院系 工程学院 类 别: 学术硕士 日 期: 2015年7 月 评 语对课程论文的评语: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。膨胀土地区地质灾害的分析与防治#（中国地质大学工程学院，湖北 武汉 430074）摘 要：:膨胀土对工程建设有较大的影响, 同时也是诱发地质灾害的诱因之一,由于其危害性大, 造成的工程问题突出,
2、 因此对膨胀土的研究处理成为岩土工程和工程地质领域的全球性技术难题之一。本文阐明了膨胀土研究的理论和工程意义;对目前关于膨胀土机理的研究做了简要介绍，并介绍了了膨胀土的常用的判别方法及膨胀土的具体治理措施。0前言膨胀土广泛地分布在世界六大洲的40多个国家,在各类岩土工程,诸如房屋和桥梁地基、水利、交通工程以及地下民防建设中均时有遇到。对它的认识和处理涉及到一系列的理论与工程技术问题,多年来一直是困惑着人们的难点。下面分别从膨胀土的膨胀机理和分类方法来阐述膨胀土的研究现状。膨胀土是一种主要由强亲水性黏土矿物成分(蒙脱石和伊利石 )组成 的 ,具有膨胀结构以及多裂隙性、强胀缩性和强度衰减性的高塑性
3、粘性土,也是典型的非饱和土。因其较大的往复胀缩性,也称胀缩土；有的裂 隙很发育,被称为裂土。其化学成分主要为SiO2,Al2O3,Fe2O3三种氧化物，总含量为81%-86%。其分布范围较广，具有较强的胀缩特性和裂隙性，对工程建设的危害较大，防治较为困难。随着膨胀土工程问题的增多，对膨胀土的研究已成为当前岩土工程的重要研究方向之一，并成为世界性的共同课题。膨胀土主要是由强亲水性矿物成分一蒙脱石组成的,具有多裂隙性，强胀缩性和强度衰减性的高塑性豁性土。由于蒙脱石矿物本身特有的物理化学性质,遇水后水分子会进到矿物颗粒的内部,使得矿物颗粒的体积发生膨胀,从而导致由大量矿物颗粒组成的具有宏观尺度的土体
4、或土样产生宏观膨胀,当这种膨胀被外界限制就会产生膨胀压力,如果膨胀压力大于外界限制就会产生膨胀变形因此,膨胀土给土木工程带来了很大危害这些工程不仅包括建筑物的基础,铁路!公路的路基,也包括护坡!挡土墙和桩等,可以说是无所不包。大量工程建设的实践经验告诉我们，把膨胀土 误认为普通的非膨胀土，实际上等于给工程建筑物 埋下祸根，事后成为引发建筑物严重病害的隐患； 反之，如果把普通的非膨胀土错划为膨胀土，则必 将增加大量工程措施。前者将造成重大工程事故， 后者将造成工程的极大浪费，同样都会造成巨大的 损失。在膨胀土地区进行工程建设，首先必须正确 区分膨胀土与非膨胀土，划分膨胀土的类别和等级， 然后确定
5、建筑物的设计原则及其相应的工程措施。 膨胀土判别的目的，是为了正确区分膨胀土与非膨胀土，以便将膨胀土与其它土类区别开来。对膨胀土进行分类，则是在已经判别为膨胀土的基础 上，对膨胀土进行再判别，从而将工程性质基本相同的膨胀土进一步划分为同一类型，工程性质相差较大的划分为不同类型，为工程建设提供合理的参 数和科学依据。关于膨胀土的识别与分类，国内外开始了大量的研究工作，提出了许多判别与分类方法，本文对其进行了简要介绍。与一般的非饱和土不同,膨胀性非饱和土具有多尺度结构特征,并且相关试验研究表明各个尺度中的孔隙在外荷载或孔隙水的作用下的变形行为并不相同，膨胀土的本构模型的研究与一般土体的研究也不尽相
6、同，本文对一般土体的本构模型做了简要介绍，并对膨胀土的本构模型做了总结。1膨胀土的定义和识别1.1膨胀土的定义关于膨胀土的含义在1969年第二次国际膨胀土研究会议期间有过讨论,结论是膨胀土是一种由于它的矿物成分对于它的环境变化,特别是对于湿度状态的变化非常敏感的土“其反应是发生膨胀与收缩,并产生膨胀压力”。影响膨胀性的主要成分是蒙脱石粘土矿物，在我国文献中,所谓膨胀土指的是一种具有吸水膨胀,失水收缩的粘性土,其主要矿物成分是蒙脱石一伊利石,或伊利石一蒙脱石，与国际上的含义相比少了产生膨胀压力的内容。所以李生林-8等人认为当粘性土的胀缩性增大到一定程度,产生膨胀压力或收缩裂缝,并足以危害单层砖石
7、结构建筑物的稳定与安全时,便可将其作为一种特殊土从土中独立出来,称膨胀土。在此定义中增加了建筑物稳定性的内容，廖世文，认为膨胀土的重要特征并不只表现在胀缩现象方面,而且胀缩性也不完全决定于矿物成分,还取决于矿物的结构类型,另外还应考虑胀缩效应引起土的强度衰减,所以定义为:膨胀土主要是由强亲水性粘土矿物成分一蒙脱石和伊利石组成的,具有膨胀结构,以及多裂隙性!强胀缩性和强度衰减性的高塑性粘性土。1.2膨胀土的识别判别膨胀土膨胀特性强弱的方法主要有三种,简要介绍如下:(1)矿物鉴别法此类方法是通过测定粘土中所含矿物成分、阳离子交换量等指标来评价。包括X射线折射法,差热分析,染料吸附法,化学分析,电子
8、显微镜辨别等方法。上述各种方法一般联合使用但评价结果需要专家来解释,且所用仪器较昂贵。(2)间接法a.阿太堡限度法。Holtz指出塑性指数和液限是确定多数粘土膨胀特性的有效指标;Seed也论证过,仅塑性指数一项就能作为多数粘土膨胀特性的初步标志:陈孚华进而将粘土的膨胀潜势和塑性指数之间建立了如表1.1所示的关系。与此类似,李生林提出了塑性图这一判别方法,即在横坐标为液限WL，纵坐标为塑性指数Ip的坐标系中,如果土的物理性质指标满足WL40%及Ip0.63(WL一20%)时,便可将其判别为膨胀土b.自由膨胀法。向水中放入体积己知的干土,在没有附加荷载的情形下按量杯的刻度记录土在沉到杯底后的膨胀体
9、积。在水中增加的体积与原体积之比就是自由膨胀率，我国膨胀土地区建筑技术规范中按照自由膨胀率法对膨胀潜势的分类如表1.2所示。其他间接方法还有潜体变法及活性法等。(3)直接法即采用常规的固结仪或膨胀仪,直接测定膨胀土的膨胀压力和膨胀应变，这其实可以看作测定膨胀土的膨胀特性,我们将在下一节详细介绍。表1.1膨胀潜势和塑性指数之间的关系Table 1.1 The relationship of swelling potential and plasticity index膨胀潜势塑性指数低0-15中10-35高20-55很高35表1.2膨胀土的膨胀潜势分类Table 1.2 Classificati
10、on of swelling potential of expansive soils自由膨胀率（%）膨胀潜势4065弱6590中90强2膨胀土的膨胀机理2.1膨胀土膨胀特性及其影响因素1938年美国开垦局在俄勒冈州欧维希的一座钢制虹吸管基础工程中首次认识到膨胀土问题,尤其是从上世纪50年代Holtz和Gibbs对膨胀粘土的工程性质的研究开始,众多学者对膨胀土的膨胀特性进行了持续研究采用的方法可归纳为自由膨胀和有侧向约束条件下的膨胀试验,试验方法尚未规范化,采用的方法不同,所测得的结果也存在一定的差异如测量膨胀力的试验,就可归纳为以下四种:(1)膨胀加压法。当膨胀土自由膨胀完成后,施以使体积恢
11、复到原来体积所需的压力即为膨胀力从其过程上看,并对照土的固结试验方法,可以说这是一种固结试验固结和膨胀恰恰是相反的两个过程这种方法测得的膨胀压力克服了试件扰动的效应,故测量结果偏大,是不完善的。(2)恒体积法。采用容器对试件进行约束,使试件不发生膨胀和压缩,此时容器所受的力即为膨胀力。采用此方法要求容器的刚度要足够大,以防产生应变，此法比较符合工程实际,因为建筑物不容许地基发生变形条件下,建筑物所受膨胀力,即为恒体积法测得的膨胀力。(3)分级加荷膨胀法。采用多个制备条件相同的试样,分别施加不同的恒定荷载,测得各试样在浸水膨胀条件下的体积变化量,绘制体积变化与荷载的关系曲线,如图1.5所示，图中
12、使体积变化为零的压力即为膨胀力。图2.1 分级加荷膨胀法Fig.2. 1Schematic diagrams of multi-stage loading swelling method(4)平衡加压法。试样浸水后,当开始产生膨胀时就逐级施加较小荷载,直到体积恢复到初始状态,使试样在浸水膨胀过程中始终保持体积不变,最终施加的总荷载即为膨胀力。以上四种方法所测得的膨胀力的大小顺序为:(l)(2)(3)(4)。由于恒体积法较符合工程实际,且简便,试验时间短,因此此方法是普遍被采用的方法。但是用恒体积法测膨胀力一般得到的是竖向膨胀力,径向膨胀力不易测得。1970年,Komornik和Zeitlen将
13、固结仪的环刀改用0.03cm不锈钢片制成,在环刀外测缠绕了3根应变电阻丝,测出了径向应变,并由环刀的弹性模量求出膨胀应力,获得了许多有价值的成果。Franklin、Avsar等人也做了类似的试验。但是此类试验由于得到的径向应变较大,因此并不是严格意义上的恒体积膨胀力试验。杨庆巧妙地设计了一种侧限膨胀试验仪器,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仪。影响膨胀特性的因素主要有物理性质指标(如初始含水量,初始干密度等),物理化学因素,微结构等几方面。（1）物理性质指标的影响陈孚华对美国洛基山区各种类型的膨胀土做过几千次膨胀试验
14、,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。Basma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。几种方法得到的膨胀压力从大到小依次为:膨胀加压法,分级加荷法,平衡加压法。Komine采用恒体积法对压实膨润土的一维膨胀试验研究表明,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。由此看来初始干密度是影响膨胀特性的主要因素,因此通常膨胀力试验都是测得膨胀力随初始干密度的变化情况(2)物理化学因素的影
15、响物理化学方面的影响因素主要是孔隙水溶液浓度和pH值。Alawaji研究了电解质浓度对塑性指数、膨胀潜势、膨胀压力和压缩度的影响,发现这些指标随浓度的增大而降低。其他学者也得到了类似的结果。Abdunah研究发现pH值对膨胀压力的影响很小。(3)土体微结构的影响膨胀土的宏观结构由单粒、集聚体和孔隙组成。李生林认为集聚体之间的细观结构特征对膨胀土的物理力学性质有显著影响,蜂窝状和骨架状结构类型的膨胀土不具膨胀性,而基质状、紊流状、层流等6种结构膨胀土均有膨胀性性。另外,土体微结构的影响主要体现在土体膨胀的各向异性。因为土体颗粒由晶层叠加而成,而晶层之间的膨胀只在垂直于晶层表面的方向产生,如果颗粒取向分布不均匀那么将会使土体在不同方向产生不同的膨胀力,正如Barden指出:由于颗粒取向的优先性造成了土体膨胀的各向异性。Avs结
