膨脹土劉浪濤課件

1、淺談膨脹土的性質(zhì)指導(dǎo)老師：顧強(qiáng)康匯報人：劉浪濤目錄膨脹土的成因和分布膨脹土的性質(zhì)及膨脹原理膨脹土的判別和膨脹土地基的脹縮等級膨脹土地區(qū)橋涵基礎(chǔ)工程問題及設(shè)計與施工要點(diǎn) 一、膨脹土的成因和分布 膨脹土是指粘粒成分主要由強(qiáng)親水性礦物組成，液限大于40%，且漲縮性能較大的粘性土。膨脹土在自然條件多呈硬塑或堅硬狀態(tài)，顏色為黃、紅、灰白色，裂隙發(fā)育，常見光滑面和擦痕。 膨脹土在我國分布范圍很廣，廣西、云南、湖北、安徽、四川、河南、山東等20多個省、自治區(qū)、市均有膨脹土。國外也一樣，如美國，50個州中有膨脹土的占40個州，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。房屋開裂、傾

2、斜膨脹土邊坡滑塌二、膨脹土的性質(zhì)及膨脹原理 膨脹土屬于粘性土，具有一般粘性土所共有的物理力學(xué)性質(zhì)外，最重要的特性是強(qiáng)親水性、多裂隙性、強(qiáng)膨脹性、強(qiáng)收縮性等。當(dāng)含水量增加，表現(xiàn)出體積增大的能力，即具有強(qiáng)烈的膨脹性；若收到約束，產(chǎn)生的內(nèi)力為膨脹力。相反則產(chǎn)生收縮力。具有脹縮特性，而且脹縮變形可隨環(huán)境溫度和濕度的變化往復(fù)發(fā)生。膨脹土的主要物理力學(xué)特征： 粒度組成中，通常黏粒含量大于30%； 粘土礦物成分中，伊利石和蒙脫石等強(qiáng)親水性礦物占主導(dǎo)地位； 具有多裂隙性； 膨脹，收縮變形可隨環(huán)境變化往復(fù)發(fā)生，導(dǎo)致土的強(qiáng)度衰減； 多數(shù)屬于液限大于50%的高液限土； 表現(xiàn)出較強(qiáng)的超固結(jié)特性。（一）土的膨脹性指標(biāo)

3、（1）膨脹含水率式中試樣的干土質(zhì)量；膨脹穩(wěn)定后土中水分的質(zhì)量；（2）自由膨脹量（3）膨脹壓力式中試樣的初始體積；膨脹穩(wěn)定后土的體積；（4-3）（4-4）式中施加的總平衡力；試樣面積； 二、膨脹土地基的處理 （一）工程建設(shè)中的膨脹土問題1）在天然狀態(tài)下，膨脹土通常強(qiáng)度高，壓縮性較低，在地面以下一定深度取樣時難以發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋。但一旦在大氣中暴露，含水率發(fā)生變化時，很快出現(xiàn)裂紋，土體結(jié)構(gòu)迅速崩解，透水性不斷增加，強(qiáng)度迅速減小直至為零。2）作為堤壩回填土?xí)r，因其干密度與含水率關(guān)系非常密切，很難壓實，壓實質(zhì)量難以控制。3）當(dāng)建筑物基礎(chǔ)直接與膨脹土層接觸時，即使基礎(chǔ)建基面位于地下水位以下，由于建筑物荷載變

4、化，土體體積和強(qiáng)度仍然會不斷發(fā)生變化，給工程帶來負(fù)面影響。（二）高速公路建設(shè)中的膨脹土問題 由于膨脹土分布的廣泛性，在膨脹土地區(qū)修筑高速公路這樣巨型帶狀工程時，不可避免地會穿越膨脹土地區(qū)，尤其在南方降雨充沛的地區(qū)，存在明顯的干濕循環(huán)，因此在路面結(jié)構(gòu)層中通常會出現(xiàn)裂縫，這些裂縫又隨之反映到路面上。反復(fù)的干濕循環(huán)效應(yīng)還使得土體發(fā)生崩解，加之路基內(nèi)部的含水率分布不均，使得路基內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的脹縮變形，在路面表現(xiàn)出來的就是波浪式的變形特征，影響公路的安全使用。 確定膨脹土的脹縮等級，確定合理的灰劑量，對合理灰劑量的改良土的一系列性質(zhì)進(jìn)行室內(nèi)試驗驗證。1.改良膨脹土三、膨脹土的地基處理 （1）防水措施

5、（2）換土與改土 （3）支擋措施 改良的幾種思路：1）通過物理、化學(xué)過程降低土粒分散程度，讓土?；ハ嗑奂纬山Y(jié)構(gòu)較為牢固的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增加土團(tuán)間的連接力，提高土體水穩(wěn)定性。2）通過反離子層的陽離子置換，用高價陽離子替代原來的低價陽離子，從而使反離子層厚度即結(jié)合水膜厚度降低，減少其吸濕能力和膨脹能力。 3）通過化學(xué)反應(yīng)，用鍵能較大的離子替代鍵能較小的離子，在土體中形成連接力較大的網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)化學(xué)生成物，使土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和水穩(wěn)定性得到顯著的提高。膨脹土的化學(xué)改良法機(jī)理其主要礦物成分為蒙脫石和伊利石，土壤礦物表面帶有大量負(fù)電荷，當(dāng)土壤改良劑和它相遇后，改良劑帶正電荷的親水基和膨脹土就會緊密結(jié)合，疏水基

6、一致向外，置換出膨脹土顆粒表面的親水金屬陽離子，降低了膨脹土顆粒表面的吸附水膜厚度，使土壤顆粒進(jìn)一步靠近，封閉各土團(tuán)之間的孔隙，減少了吸水性和脹縮性，使膨脹土的水穩(wěn)定性得到提高。膨脹土化學(xué)改良劑有： （一）無機(jī)類改良劑 1）石灰類改良劑 2）水泥類改良劑 3）工業(yè)廢渣類改良劑 4）水玻璃類改良劑 （二）有機(jī)類改良劑 1）丙烯酸鹽系列 2）聚液態(tài)丁二烯和銨類2、膨脹土改良的試驗研究 擾動土改良摻石灰、水泥等進(jìn)行化學(xué)改良膨脹土改良 原狀土改良摻中性無毒液性有機(jī)化學(xué)改良劑石灰改良膨脹土機(jī)理分析：1）離子交換2）凝硬反應(yīng)3）碳化作用4）膠結(jié)作用2.1 石灰改良膨脹土合理摻灰量研究改良土的強(qiáng)度性狀改良土

7、的變形性狀改良土的水理特性改良土的滲透性2.1 石灰改良膨脹土2.1.1 合理摻灰量研究圖2-1-1 不同灰劑量改良土的擊實曲線1）擊實曲線圖2-1-2 摻生石灰與消石灰的改良土界限含水率與灰劑量的關(guān)系曲線2）界限含水率圖2-1-3 摻生石灰與消石灰的改良土自由膨脹率與灰劑量的關(guān)系曲線3）自由膨脹率圖2-1-4 素土的線膨脹率與時間的關(guān)系（初始含水率為22.6%）圖2-1-5 改良土的膨脹率與時間的關(guān)系（初始含水率為23%）表3-1 素土與不同灰劑量改良土的膨脹性2.1.2 石灰改良膨脹土施工工藝在實際施工中必須保證摻灰均勻和有效壓實，需根據(jù)膨脹土特點(diǎn)結(jié)合現(xiàn)場施工條件選擇合適的石灰摻入方法摻入

8、時機(jī)和碾壓機(jī)械組合工藝。一般膨脹土天然含水率高，透水性差，原狀土一般以較大的團(tuán)塊存在，黏性較大，不宜粉碎。能否將石灰和土料拌和均勻是影響改良效果的主要因素之一，因此石灰改良膨脹土施工工藝中最重要的一環(huán)就是摻灰工藝。石灰與膨脹土的拌和方法：（1）路拌法 （2）場拌法影響石灰改良土壓實效果和強(qiáng)度的因素：（1）土的種類（2）土顆粒的大?。?）石灰的摻入量（4）摻入石灰的類型（5）摻入石灰與壓實成型之間的等待時間（6）石灰與土拌和的均勻程度（7）碾壓前填土含水率（8）碾壓工藝（9）養(yǎng)護(hù)條件 （10）齡期圖5-10 滲透改良膨脹土試驗裝置 2.2 CTMAB改良天然膨脹土 讓CTMAB溶于水，使溶液從土

9、體表面自由入滲。試驗裝置見右圖 所示，入滲完成后，取不同深度的土進(jìn)行一系列試驗，對試驗結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，判斷改良效果2.3 水泥石灰復(fù)合改良膨脹土技術(shù)水泥石灰復(fù)合改良的機(jī)理： 水泥土的強(qiáng)度主要來源于水泥本身的水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用和水泥水化時產(chǎn)生的Ca(OH)2與土中活性物質(zhì)之間的硬凝反應(yīng)所產(chǎn)生的水化物的膠結(jié)作用。用水泥加固軟土?xí)r，水泥顆粒表面的礦物很快與軟土中的水發(fā)生水解和水化反應(yīng)，生成氫氧化鈣、含水硅酸鈣、含水鋁酸鈣及含水鐵酸鈣等化合物三、膨脹土的判別和膨脹土地基的脹縮等級（一）影響膨脹土脹縮特性的主要因素 影響膨脹土脹縮性質(zhì)的內(nèi)在機(jī)制： 主要是指礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)兩方面。 礦物成分：膨脹土含

10、大量的活性粘土礦物，如蒙脫石和伊利石，尤其是蒙脫石，比表面積大，在低含水量時對水有巨大的吸力，土中蒙脫石含量的多寡直接決定著土的脹縮性質(zhì)的大小。 微觀結(jié)構(gòu)：這些礦物成分在空間上的聯(lián)結(jié)狀態(tài)也影響其脹縮性質(zhì)。經(jīng)對大量不同地點(diǎn)的膨脹土掃描電鏡分析得知，面面連接的疊聚體是膨脹土的一種普遍的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)比團(tuán)粒結(jié)構(gòu)具有更大的吸水膨脹和失水吸縮的能力。影響膨脹土脹縮性質(zhì)的外界因素 水分的遷移是控制土脹、縮特性的關(guān)鍵外在因素。因為只有土中存在著可能產(chǎn)生水分遷移的梯度和進(jìn)行水分遷移的途徑，才有可能引起土的膨脹或收縮。盡管某一種粘土具有潛在的較高的膨脹勢，但如果它的含水量保持不變，則不會有體積變化發(fā)生；相反

11、，含水量的輕微變化，哪怕只是1%2%的量值，實踐證明就足以引起有害的膨脹。因此，判斷膨脹土的脹縮性指標(biāo)都是反映含水量變化時膨脹土的脹縮量及膨脹力大小的。（二）膨脹土的脹縮性指標(biāo)1自由膨脹率ef 將人工制備的磨細(xì)烘干土樣，經(jīng)無頸漏斗注入量杯，量其體積，然后倒入盛水的量筒中，經(jīng)充分吸水膨脹穩(wěn)定后，再測其體積。增加的體積與原體積的比值ef稱為自由膨脹率。 2膨脹率ep與膨脹力Pe 膨脹率表示原狀土在側(cè)限壓縮儀中，在一定壓力下，浸水膨脹穩(wěn)定后，土樣增加的高度與原高度之比。 以各級壓力下的膨脹率ep為縱坐標(biāo)，壓力p為橫坐標(biāo)，將試驗結(jié)果繪制成p-ep關(guān)系曲線，該曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)Pe稱為試樣的膨脹力，膨脹

12、力表示原狀土樣，在體積不變時，由于浸水膨脹產(chǎn)生的最大內(nèi)應(yīng)力。膨脹力在選擇基礎(chǔ)型式及基底壓力時，是個很有用的指標(biāo)。在設(shè)計上如果希望減少膨脹變形，應(yīng)使基底壓力接近于膨脹力。3線縮率sr與收縮系數(shù)s 膨脹土失水收縮，其收縮性可用線縮率與收縮系數(shù)表示。線縮率sr是指土的豎向收縮變形與原狀土樣高度之比。表示為： （7-7） 根據(jù)不同時刻的線縮率及相應(yīng)含水量，可繪成收縮曲線，利用直線收縮段(AB段)可求得收縮系數(shù)s，其定義為：原狀土樣在直線收縮階段內(nèi)，含水量每減少1%時所對應(yīng)的線縮率的改變值，即：（7-8）（三）膨脹土的判別 膨脹土規(guī)范中規(guī)定，凡具有下列工程地質(zhì)特征的場地，且自由膨脹率ef40%的土應(yīng)判定

13、為膨脹土。1裂隙發(fā)育，常有光滑面和擦痕，有的裂隙中充填著灰白、灰綠色粘土。在自然條件下呈堅硬或硬塑狀態(tài)；2多出露于二級或二級以上階地、山前和盆地邊緣丘陵地帶，地形平緩，無明顯自然陡坎；3常見淺層塑性滑坡、地裂，新開挖坑（槽）壁易發(fā)生坍塌等；4建筑物裂縫隨氣候變化而張開和閉合。（四）膨脹土地基評價 我國膨脹土規(guī)范規(guī)定以50kPa壓力下測定的土的膨脹率，計算地基分級變形量，作為劃分脹縮等級的標(biāo)準(zhǔn)，表7-3給出了膨脹土地基的脹縮等級。 膨脹土地基的脹縮等級 表7-3 地基分級變形量se（mm）級 別破壞程度15se35輕 微35se70中 等se70嚴(yán) 重(五）膨脹土地基變形量計算 可按下列3種情況

14、分別計算：當(dāng)離地表1m處地基土的天然含水率等于或接近最小值時，或地面有覆蓋且無蒸發(fā)可能時，以及建筑物在使用期間經(jīng)常受水浸濕的地基，可按膨脹變形量計算；當(dāng)離地表1m處地基土的天然含水率大于1.2倍塑限含水率時，或直接受高溫作用的地基，可按收縮變形量計算；其它情況下可按脹縮變形量計算。 1地基土的膨脹變形量se （7-9）2地基土的收縮變形量ss （7-10）3地基土的脹縮變形量s （7-13）二、膨脹土地基承載力 在確定膨脹土地基承載力時，應(yīng)綜合考慮以上諸多規(guī)律及其影響因素，通過現(xiàn)場膨脹土的原位測試資料，結(jié)合橋涵地基的工作環(huán)境綜合確定，在一般條件不具備的情況下，也可參考現(xiàn)有研究成果，初步選擇合適的承載力基本容許值，再進(jìn)行必要的修正。 四、膨脹土地區(qū)橋涵基礎(chǔ)工程問題及設(shè)計與施工要點(diǎn)（一）膨脹土地基上的橋涵工程問題 在膨脹土地基上的橋梁附屬工程，如橋臺、護(hù)坡、橋的兩端與填土路堤之間的