膨胀土地区地质灾害的分析与防治.doc

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, 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 Classification 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,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结合扫描电镜研究发现,如果更多的颗粒倾向于水平,那么在竖直向将会产生较大的膨胀力,横向与竖向膨胀力的比位于0.34一0.98之间chen也报道了类似的试验结果。2.2蒙脱石膨胀机理因为蒙脱石是膨胀土膨胀的决定性因素,所以蒙脱石的膨胀机理将是本文研究的主要内容。蒙脱石的膨胀机理涉及众多学科,比如:胶体与表面化学,矿物学,土壤化学,电化学等。众多学者从各自的研究背景出发对蒙脱石晶层的膨胀机理以及晶层间的相互作用进行了研究。Norrish较早对蒙脱石的膨胀进行了研究,发现当干燥的蒙脱石颗粒浸于电解质溶液中时,随着电解质溶液浓度的降低,颗粒晶层间距变大,但间距的变化并不是连续的,而是呈阶段性,如图1.6(a)所示说明此时的膨胀并不是连续的,由于晶层间产生离散的水分子层而呈现出阶段性。Glaes,Devineau等人用增大相对水气压的方法也得到了相似结果,如图1.6(b)所示。Norrish将此阶段的膨胀称为晶层膨账。如果晶层间离子为Na+,当电解质浓度为0.25mol/L时,底面间距从19A。变到40 A。,此后蒙脱石随电解质浓度的减小而连续膨胀,如图1.6(a)所示。Norrish将40 A，以后的连续膨胀称为渗透膨胀,可见两个阶段的膨胀机理是不同的。Low为了不涉及机理,将这两个阶段的膨胀称为短程膨胀和长程膨胀本文通过研究建议两个阶段分别叫做晶层膨胀和长程膨胀,接不来将通过文献综述对晶层膨胀机理得出较为清晰的结论,并介绍长程膨胀机理的研究概况。图1.2（a）钠基蒙脱石晶层间距随溶液浓度的变化，NaCl溶液和Na2SO4钠基蒙脱石晶层间距随水气压的变化2.2.1晶层膨胀蒙脱石遇水后由于层间阳离子和晶层表面的水合首先会经历水合膨胀阶段,或者晶层膨胀。水合作用是由于静电力使水分子以偶极子的形式围绕离子或晶层表面形成定向排列的水分子层。奥尔芬认为水合膨胀阶段一般形成四层水，干燥状态下阳离子吸附于晶层表面,晶层间距几乎为零，晶层的底面间距大致为9.6A,那么吸附1,2,3,4层水分子对应的底面间距分别为12.6，15,.6,18.6,21.6,A,四层水的后的水是连续的,此时的晶层间距大致为Imm;而Israelachvili认为水合阶段大约有10个水分子层，晶层间距大约为2.5mm;但Notrish的试验结果显示从晶层膨胀过渡到渗透膨胀时层间距并不连续,而是有一个跃迁,底面间距跃迁到40入时膨胀开始连续,此时的晶层间大致为3nm,即此后进入通常认为的双电层膨胀阶段,或者本文所称的长程膨胀。可见对于晶层膨胀阶段的范围并没有统一的认识,本文倾向于Israelachvili和Notrish的观点，即晶层膨胀阶段的大致范围为2.5一3nm。对于水合膨胀的机理有不同的观点,有人认为是由于晶层表面的水合引起的。也有学者认为是晶层表面吸附的阳离子的水合导致的，奥尔芬认为对有些粘土和某几种交换性阳离子来说,层间膨胀以离子水合为主;而对于另外一些粘土里和另外几种阳离子，表面水合更重要。图1.3晶层表面附近阳离子的三种存在形式对蒙脱石晶层间阳离子和水分子存在状态的试验研究将有助于对膨胀机理的认识。Sposito运用红外光谱、不相干中子散、磁共振波谱、介电驰豫以及中子和x光衍射等多种试验手段对蒙脱族矿物晶层间离子和水分子的分布进行了研究,其中中子衍射试验是人们研究层间离子和水分子采用较多一的方法。Sposito通过研究认为晶层表面的阳离子有三种存在形式，分别是 inner-sphere surface complex, outer-sphere surface complax以及扩散离子。Inner-sphere complex 和表面紧密相连，中间没有水分子；Outer-sphere complex 和表面之间至少有一层水分子介入其中，即己经部分水合但仍然吸附于表面的阳离子；扩散离子则是指己经充分水合的一阳离子,以上三种阳离子的存在形式和晶层中电荷的分布有一定关系Ihner一Sphere complex则是对应于四面体片中的电荷,outer-Sphere complex则是对应于八面体中的电荷。虽然inner-Sphere complex和表面联结较紧密,但是在阳离子的外侧仍然有3个水分子水合。下面再来看阳离子的三种存在形式对晶层膨胀有何影响。由于蒙脱石颗粒有效直径较小,所以对蒙脱石的试验研究不易进行,因此有研究者用蛙石代替。Spipper通过中子衍射试验对蛙石晶层间阳离子和水分子的分布进行了研究,当底面间距为14.96A(晶层间距为5.6A,大致相当于两个水分子层)时,层间中平面上基本没有Na+随后,他用同样的试验方法对锉基蛙石进行了观察49,发现Li+基本位于晶层之间的中平面处两种试验结果说明,离子水合能对自身的存在形式有很大影响。因为蛙石中的电荷大部分位于四面体片中,这样就会对层间阳离子产生较大的静电引力,使其不易水合而脱离晶层表面然而Li+的水合能较Na+大,所以就相对容易水合并从晶层表面脱离,从而扩散至晶层中间处成为扩散离子;而Na+的水合能不足以克服晶层四面体片中电荷产生的引力,所以钠基蛙石中Na+很少位于晶层中间处,而是基本位于表面形成inner-Sphere complex正是Na+和Li十在晶层间存在位置或形式的不同对晶层的膨胀有决定性影响,因为在碱金属离子中只有铿离子能够使蛙石产生膨胀，而铿离子不同于其他离子的重要特征就是其水合以后位于晶层中间处,而其他离子由于不能水合只能吸附于表面,从而不能促使晶层膨胀,这也说明离子水合是导致晶层膨胀的主要原因研究了晶层电荷位置对晶层膨胀的影响,表面电荷密度脱石和Drayton蒙脱石,由于Drayton蒙脱石中的电荷基本位于四面体片中,导致膨胀性明显弱于Otay蒙脱石,这正是由于otay蒙脱石的晶层电荷大部分位于八面体片中,对阳离子的吸附性较小,不足以阻止Na+的水合,因此比Drayton蒙脱石更容易膨胀。Salles对多种碱金属离子的水合能以及蒙脱石表面的水合能进行了量测,结果表明Li+和Na+具有很强的水合能,在此类蒙脱石晶层中,阳离子水合是晶层膨胀的主要原因:而K+,Rb+和Cs十的水合能较弱,在这些蒙脱石中,晶层表面的水合起重要作用。2.2.2长程膨胀随着层间距的增大,越来越多的水分子进入晶层间,层间的溶液趋于连续,离子的水合作用逐渐降低,晶层膨胀逐渐结束通常认为此后的晶层进入渗透膨胀或双电层膨胀阶段,本文根据Low的观点,不考虑膨胀机理的因素,将此后阶段成为长程膨胀阶段,并综合Israelahvih和Norrish的观点,认为长程阶段膨胀从大约2.5-3nm处并始。首先简要介绍双电层的概念。对于单个晶层,当吸附于晶层表面的阳离子由于水合作用离开表面之后就会在晶层表面附近扩散,这些阳离子!方面受晶层表面负电荷的静电作用一方面由子布朗运动而产生远禽表面的扩散趋势了从而使得水中的阳一离手私晶层中的负电荷形成扩散双电层,一犷散到永中的阳离子云称为扩散层,-描述扩散层禽子分布的模型中Gouy-ChaPman双电层模型是较简单且得到广泛应用的一种相互平行晶层之间的扩散层相互重叠会产生双电层斥力,而众多学者已证明,双电层斥力等于平行晶层之间中平面处离子的渗透压和晶层外平衡溶液中离子渗透压之差,从而可以结合渗透压理论和Gouy一Chapman相互作用双电层模型建立晶层间双电层斥力模型,以下简称Gouy-Chapman双电层模型,因此,此阶段的膨胀也叫作渗透膨胀Verwe等人同时考虑了晶层间的范德华力,结合双电层斥力模型建立了DLVO模型。Israelachvili利用表面测力仪(Surface Forces Apparatus)测得了云母间的长程作用力,发现当云母间距大于10nm以后力法则(相互作用力和层间距之间的关系)。 研究了电解质浓度和pH值对云母层间相互作用力的影响,结果显示随着电解质浓度的增大以及pH值的减小相互作用力降低此后,Ducker用更为精密的原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)测得了层间力和间距之间的关系曲线,并用DLvo理论模型拟合了晶层间距大于5nm之后的试验结果。以上学者之所以采用云母做为试验材料,是因为云母表面较平且尺寸较大,便于观测。Nishimura用AFM对皂石及铿基蒙脱石层间作用力与间距的关系进行了观测,表明5nm之后的变化趋势也基本符合DLVO理论。但是以上研究中测得的层间相互作用力只有几千帕,远远小于宏观试验中的几百千帕甚至几兆帕,具体原因还不得而知,而且以上试验结果一般都是在5nm甚至更大间距时符合双电层理论,从试验中不容易出现,所以以上试验研究结果不能作为本文探讨长程膨胀机理的对象。Lubetkin测得的蒙脱石晶层间膨胀力和层间距的关系曲线能较好地由DLvO理论拟合,而且所得数据较符合实际通过氮气加压法对钠基蒙脱石层间膨胀力进行量测,同时用X光衍射法确定晶层间距,晶层间距大于2.5nm,说明处于长程膨胀阶段,测得的膨胀力为上百千帕,虽然试验中将外加压力等效于膨胀力,但由于长程阶段的膨胀已经连续,所以可以将压缩试验等效于膨胀试验,因此Zhang试验数据将是本文用来研究长程膨胀机理的基础Zhang所用的方法虽然来源于Viani,但Viani认为由双电层理论和范德华力构成的DLVO理论并不能解释所得试验结果,因为水合力在其中膨胀土膨胀机理及细观膨胀模型研究起主要作用可见对于长程膨胀阶段是否符合DLVO理论,是否可以称为双电层膨胀存有争议。Low认为即使在晶格膨胀完成后,双电层膨胀仍然不是主要因素,而是水合力在起主要作用,冰合力的产生是一由于表面原有水分子结构被破坏。总结了及种产生水合力一的原因,某中包括：表面吸附的离子之间的作用，扩散层水合离子之间的相互作用，表面偶极或电荷对附近水分子的极化效应,水分子之何以及和表面的氢键作用的定向排列产生的间距减小,破坏了水分子的有序性,从而增大了自由能,导致斥力的增大。因此他将自由能密度表示为有序参数的函数,导出了斥力的指数形式表达式。3膨胀土分类3.1膨胀土分类方法目前膨胀土分类方法有以下几种：(1) 规范判别分类法。国家标准“膨胀土地 区建筑技术规范”（GBJ112-87）提出了按膨胀土的 工程地质特征进行初判，再按自由膨胀率大小划分膨胀土的膨胀潜势方法。由于自由膨胀率测试过程中人为因素干扰较多，例如阳高样的 12 m 粒级，10 mL体积土质量约为 5 g；高岭样则约 4 g，这说 明用标准量筒量取的土样的密度相差很大；即便对同一种土而言，不同操作人员对同一种土的碾细不同也会导致 10 mL 土样的质量存在较大差别。故对该指标的可靠性及能在多大程度上反映膨胀土的本质等方面，一直存在着争议13。有专家认为，测试 方法使颗粒间结合力丧失，而使膨胀得到了较充分的发挥，其结果并不能代表土体的真正膨胀潜势。(2) 最大胀缩性指标分类法1。柯尊敬教授主张 按最大胀缩性指标进行分类，他认为：一个适合的胀缩性评价指标必须全面反映土的粒度组成和矿物成分，以及宏观与微观结构特征的影响，同时能消 除土的温度和密度状态的影响，即不随土湿度和密度状态的变化而变化，而且还要适应胀缩土各向异性的特点。因此，推荐用直接指标，即最大线缩率、最大体缩率、最大膨胀率 等作为分类指 标，并提出了相应的分类标准。(3) 塑性图判别与分类法1。塑性图系由 A.卡 萨格兰首先提出，后来李生林教授作了深入的研究，它是以塑性指数为纵轴，以液限为横轴的直角坐标。根据塑性图联合使用塑性指数与液限来判别膨胀 土，不仅能反映直接影响胀缩性能的物质组成成分，而且能在一定程度上反映控制形成胀缩性能的浓差渗透吸附结合水的发育程度。(4) 多指标综合判别分类法1。根据粘粒含量、 液限与线胀缩率，以及比表面积与离子交换进行分类。这些指标对土的膨胀性和强度特性都有重要影 响，特别是比表面积能反映土体的主要粘土矿物，比表面积增大，颗粒表面自由能亦增加，颗粒与介质溶液之间作用更强，使颗粒间水化膜厚度增大,从而降低了土体强度。(5) 多指标数学式判别与分类法38。采用数学方法进行主因子分析与逐步回归分析，提出了综合 指标数学式来进行判别与分类，有多元线性函数判别法、4 因子判别函数式、多变量数学统计法。有些学者提出采用多个指标，应用模糊数学和灰色理论以及专家系统进行膨胀土胀缩等级判别。(6) 南非威廉姆斯（Williams）分类标准2。南 非威廉姆斯（Williams）提出联合使用塑性指数及小于 2 m 颗粒的成分含量作图对膨胀土进行判别分类，分为极高、高、中等、低等 4 级。(7) 风干含水量法9。谭罗荣教授提出了风干含 水量判别法，建立一种新的 wf wL 膨胀土判别分类图。该方法离散性较大，实际应用中不易控制。(8)公路路基设计规范（JTGD30-2004）分 类13。初步提出了按标准吸湿含水量和塑性指数进行判别和分类的方法。标准吸湿含水量是在标准温 度（通常为 25 ）和标准相对湿度（通常为 60 %）下，膨胀土试样恒重后的含水量。标准吸湿含水量与比面积、阳离子交换量、蒙脱石含量之间存在近 似线性的关系9,10。标准吸湿含水量是近年刚提出的一项指标，它与比表面积、阳离子交换量、蒙脱石含量之间的相关的关系仅进行了室内人工配制土 样试验和小范围的适用性验证，缺乏大范围的适用性验证，其作为膨胀土判别与分类的指标的适用性亟待探讨，其分级标准更需进行广泛的试验验证工作。(9)铁路工程特殊岩土勘察规程(TB10035-2002)分类法14。铁道部 2002 年制定的行业标准 规定膨胀土的判别分为初判和详判。初判时，现场地貌、土的颜色、结构、土质以及自然地质现象符合膨胀土 的 现场宏观 特 征，且自 由 膨胀率 Fs 40 %，液限40 %时，应判定为膨胀土。详判时，采用自由膨胀率、蒙脱石含量与阳离子交换量 3 项 指标来判定。由于影响膨胀潜势的因素较多且复杂因素 之间也存在一定的相关关系，对此缺乏透彻的研究，使膨胀土分类较为复杂，目前尚难统一。没有一个单一指标能充分表述作为工程环境或工程结构体一部分的膨胀土的复杂性态；多指标判别往往易出现同一个土样不同的指标属于不同的等级，而难于归类的问题。3.2膨胀土胀缩机理的指标分析为了选择合理的判别指标，首先必须研究反映 膨胀土基本性质的各指标间的相互关系，以及这些 指标的组合规律，应着重考虑胀缩机理，选择表征 膨胀土特性的独立指标和采用数学手段对各指标作 相关分析，选出相关性最大的特征指标，并建立函 数，这样就能比较理想地实现膨胀土的判别目的。(1) 界限含水量土的界限含水量是反映土粒与水相互作用的灵敏指标之一，在一定程度上反映 了土的亲水性能。它与土的颗粒组成、粘土矿物成 分、阳离子交换性能、土的分散度和比表面积、以及水溶液的性质等有着十分密切的关系。对于工程具有较大实际意义的界限含水量，通常有液限、塑 限、缩限等 3 种定量指标。一般说来，膨胀土是具有高塑性与高收缩性的粘土，液限越高缩限越低，则土的膨胀潜势就越大。因此，采用界限含水量特 征值，作为膨胀土的判别指标是可行的。(2) 胀缩总率胀缩总率能反映膨胀土粘土矿物成分和结构特征，在一定条件下，它是膨胀土比 较稳定的属性指标，同时也是具有工程实用价值的重要指标。因此，也可作为膨胀土的判别指标。(3) 粒度组成 粒度成分是反映膨胀土物质组 成的基本特性指标，土中小于 0.005 mm 的粘粒与小于 0.002 mm 胶粒成分的含量愈高，一般表明蒙脱石成分较多，分散性较好，比表面积大，亲水性 强，膨胀性愈大。所以以土中粘粒含量作为判别指标，也可以区分膨胀土与非膨胀土。(4) 自由膨胀率自由膨胀率是反映土的膨胀 特性的最直接量度指标之一。不同粘土矿物成分的土粒具有不同的亲水性能，其膨胀性也有显著差异。研究表明，当膨胀土的结构相似时，土中粘土矿物 成分蒙脱石含量愈多，自由膨胀率愈大，若高岭石含量愈多，自由膨胀率愈小。因此采用自由膨胀率作为膨胀土的判别指标，一般能获得比较好的结果。(5) 比表面积和阳离子交换量比表面积和阳 离子交换量与膨胀土中蒙脱石粘土矿物成分的含量有密切关系，从某种意义来讲，通过对土中粘土颗 粒的比表面积和阳离子交换量的测定，可以大致了解膨胀土中蒙脱石粘土矿物成分的近似含量。(6) 矿物成分不同类型、不同含量及其组合 而成的膨胀土也必然在物理化学、物理力学和物化力学性质方面，反映出明显的差异。蒙脱石由二层硅氧四面体中间夹着一层氧八面体组成的二八面体 构造，晶格之间的氧层相连接，具有极弱的键和良好的解理，使极性水分子容易进入单位晶层之间形成水膜，产生晶格扩张膨胀，当膨胀土蒙脱石含 量达到 5 %时，即可对土的胀缩性和抗剪强度产生明显的影响，若膨胀土蒙脱石含量超过 20 %时，则土的胀缩性和抗剪强度基本上全由蒙脱石控制。(7) 标准吸湿含水量 标准吸湿含水量是在 标准温度（通常为 25 ）和标准相对湿度下（通常为 60 %），膨胀土试样恒重后的含水量。标准吸湿含水量与比表面积、阳离子交换量、蒙脱石含量之间存在线性相关关系。 反映膨胀土基本性质的指标还有膨胀力、最大线缩（体缩、膨胀）率、抗剪强度等。3.3五指标膨胀土判别与分类方法 种分类法，一类是直接指标法，即用 膨胀量、收缩量的大小或矿物成分的多少作为分类 标准；另一类是间接指标法，即用液限、塑限、塑 性指数、自由膨胀率、粘粒含量等作为分类标准。 用直接指标法进行分类虽然比较直观，但是试验方 法比较复杂，并且要求试验人员具有较深的专业知 识和较高的实验技能。用间接指标法进行分类不那 么直观，但试验方法简单易行，同时具有一定的科 学性，它不象直接指标(如膨胀量、收缩量)除与土 的性质有关外还与土的初始含水量等因素有关。因 此，在工程建设中膨胀土宜采用间接指标法进行分 类。以往的实践表明，采用单一的指标很难准确判 别膨胀土与非膨胀土。如单一采用界限含水量特征 值作为膨胀土的判别指标有其局限性，因为界限含 水量是所有粘土的共性指标，另外，它只是反映土 的膨胀性的间接指标；而自由膨胀率只是土粒膨胀 特性的量度指标，却不能反映土体的结构性。因此 膨胀土的判别应综合各类指标而进行。宜以反映膨 胀土基本特性的粒度成分、自由膨胀率、胀缩总率、 液限、塑限、塑性指数等试验指标和膨胀土的宏观 结构特征，以及粘土矿物成分等作为判别方法。对国内外 11 种膨胀土判别与分类方法的评判 指标综合统计分析表明：液限、塑性指数、自由膨 胀率、小于 0.005 mm 颗粒含量、胀缩总率等 5 个指标被采用的次数最多，可见，这 5 个指标作为膨胀土判别指标具有普通性和较高的可靠性。 依托襄荆高速公路膨胀土工程，综合以上判别与分类方法，并考虑公路工程施工周期长、受气候影响很大的特点，特别是考虑了膨胀土的压实性 状和强度（CBR）特征，提出了一种新的含 5 项指标的膨胀土判别与分类方法，详见表 1。表中各判别指标界限值主要参考塑性图判别与分类法、膨 胀土地区建筑技术规范(GBJ112-87)、公路路基设计规范（JTJ013-95）15综合确定。由于膨胀土性质的复杂性，在利用表 1 进行膨 胀土判别分类时，易出现同一试样不同指标属于不同等级的情况，当出现此情况时，以 3 个及 3 个以上判别指标所属等级判定膨胀土膨胀潜势等级。表3.1 膨胀土膨胀潜势等级判定标准Table 3.1 The suggested classification scheme of swelling potential of soils指标膨胀潜势等级弱膨胀土中膨胀土强膨胀土液限/%40-5050-7070塑性指数18-2525-3535自由膨胀率40-6565-90900.005 mm 颗粒含量/%50胀缩总率/%0.7-2.02.0-4.04.04膨胀土的治理措施4.1膨胀土边坡常见的防护与治理措施膨胀土的胀缩性、多裂隙性及风化特性是引起膨胀土边坡失稳的内在因素，而气候作用、雨水渗透与蒸发则是促使膨胀土边坡失稳的外在因素。边坡开挖或路堤填筑后，土体在风化营力作用下，很快就会产生破裂、剥落和泥化等，使土体结构破坏、强度降低，从而引起路基边坡失稳。（1）路基排水对路基边坡稳定性有显著的影响。对膨胀土边坡影响更为重要，必须做好全面和系统的排水工作。（2）防风化对边坡稳定性有重要意义。膨胀土边坡风化层厚度计算应根据大气影响深度等而定。中膨胀土边坡失稳主要以浅平面滑动模式为主。一般来说，中膨胀土边坡只要不出现浅层滑动，其边坡将是稳定的。（3）膨胀土的裂隙性是影响膨胀土边坡稳定的主要和直接原因，且受含水量影响显著。（4）膨胀土边坡设置挡土墙可有效增加边坡的支衬作用。（5）即使是稳定的坡率，还必须配合适当的坡面防护，方能达到预期的效果。从环境和经济的角度，坡面防护宜采用圬工防护与生物防护相结的方案综合治理。膨胀土边坡防护与治理根据其功能可分为排水防护、坡面防护和支挡防护3类，通常是三者结合，综合防治。4.1.1膨胀土边坡常见的防护与治理措施排水包括地表排水与地下排水，地表排水以防渗和拦截滑体以外地表水，及时旁引为原则；地下排水以尽快汇集，及时疏导引出为原则。（1）截水沟：是坡面排水网系的第一道防线，必须有效可靠。截水沟道数和深度，应视上游坡面汇水面积大小和边坡坡顶上方是否有地表水体等而定。（2）排水沟：排水沟应设在坡脚外侧，在排水沟与坡脚之间必须设置一定宽度的水沟平台，以防止坡脚冲蚀和浸水膨胀变形。（3）边沟：凡是膨胀土边坡均必需设置边沟，以排除坡面和路面水流，由于膨胀土边坡变形与路基变形的特殊性，要求边沟设置必须适应膨胀土路基要求。一是边沟位置应设置在坡脚外侧；二是边沟一般要比普通土质路基边沟断面要加大加深。（4）支撑渗沟：支撑渗沟整治膨胀土滑坡，用于疏导滑坡体内地下水，效果显著，是一种使用较普遍的排水措施。支撑渗沟一方面疏导地下水，同时又对边坡土体起到支撑作用，以增加其稳定性，一般常同抗滑挡墙联合使用。一般将渗沟按主沟和支沟布置成地下水排水网系，将滑体内的地下水由支沟引入主沟后，排出滑坡体外。支撑渗沟施工必须跳槽开挖，严禁相邻两沟并列开挖。渗沟的宽度4.0m，中对中间距10m，两支撑渗沟之间采用50cm厚干砌片石并设直径100mmPVC有孔排水管，支撑渗沟砌筑好后及时做好沟间的坡面防护。4.1.2 坡面防护膨胀土边坡因开挖而产生的施工扰动效应特别明显，挖方使原来处于稳定的膨胀土裸露在边坡表面。由于坡面表土处于自然裸露状态而易风化、浸水，因此，对膨胀土坡面的防护加固显得特别重要，坡面防护的类型很多，主要应根据边坡膨胀土类别及风化程度等特性合理选择。（1）生物防护生物防护不但造价低，而且可以净化空气，也恢复了因修建公路而破坏了的原地表植被，既绿化了路表，又保持了生态平衡。工程实践证明生物防护不仅是个绿化美观的问题，重要的是可以通过植被，储蓄和蒸发水分，调节坡中土的湿度，减少和降低干湿循环作用效应，从而增加坡面的防冲刷、防变形能力。通过对膨胀土边坡植被的观察，也可以判定其边坡是否达到了稳定状态。生物防护是膨胀土路基边坡综合防治中的最重要一环。（2）水泥土护坡防护水泥土是用无机土按比例掺入硅酸盐水泥和水，均匀搅拌，夯实成形，经过适当养护，硬化而成的一种新型建筑材料。工程实践证明，水泥土的变形和强度、耐久性、抗干湿循环、抗渗性、抗冲耐磨性等都达到工程要求。因此水泥土护坡防护在膨胀土路基边坡综合防治中得