脹性土

脹性土的定義：土中黏粒成分主要由親水性礦物組成。同時具有顯著的吸水膨脹和欠水收縮兩種變形特性的黏性土。

基本介紹

• 中文名：脹性土
• 外文名：Swelling soil
• 別稱：膨脹黏土、脹縮土或膨脹土
• 分類：強膨脹土，中等膨脹土和弱膨脹土
• 屬於：混凝土
• 學科：土木工程

概述

脹性土過去在國內外有許多不同的叫法，如裂隙黏土、膨脹黏土、脹縮土、乾縮土及超固結黏土等；也有許多以地區命名叫法，如成都黏土、合肥黏土、倫敦黏土、渥太華黏土等，已逐漸趨向於統一稱謂膨脹土。

膨脹土是新生代第三紀至第四紀晚更新世期間生成的黏性土，在土中，黏土顆粒的含量很多，而黏粒中又有大量親水性礦物，乾縮濕脹十分強烈；而且，由於其形成原因，具有超固結性和多裂隙。

膨脹土的成因環境一般溫和濕潤，在這種環境條件下，以矽酸鹽為主的礦物不斷分解，鈣被大量淋失，鉀離子被次生礦物吸收，形成以伊利石和伊利石-蒙脫石混合物為主的黏性土。膨脹土在我國分布廣泛，與其他土類不同的是。膨脹土主要呈島狀分布，根據現有資料，膨脹土在廣西、雲南、貴州、湖北、河北、河南、四川、安徽、山東、陝西、江蘇和廣東等地均有不同範圍的分布。國外也一樣，如美國，51個州中有膨脹土的州占40個，此外在印度、澳大利亞、南美洲、非洲和中東廣大地區，也都有不同程度的分布。

判別及分類

關於膨脹土的判別，國內外尚不統一。

原公路路基設計規範(JTJ 013—95)除根據野外地質特徵外，把主要黏土礦物成分、大於0.002 mm的黏粒含量、自由膨脹率和脹縮總率作為膨脹土判別及分類的依據。

表1 膨脹土工程地質分類

分類	主要黏土礦物成分	大於0.002mm的黏粒含量	自由膨脹率	脹縮總率
強膨脹土	蒙脫石 伊利石	>50%	>90%	>4%
中等膨脹土	伊利石	35%～50%	65%～90%	2%～4%
弱膨脹土	伊利石 高嶺石	<35%	40%～65%	0.7%～2.0%

鐵路上將自由膨脹率、蒙脫石含量和陽離子交換量作為膨脹土判別和分類的依據。

膨脹土中離子交換吸附作用是黏土礦物的一種重要物理化學性質，測定膨脹土的陽離子交換性能可以定性地判別組成土的主要黏土礦物類型，從而也能評價土的親水性、膨脹性和強度等重要性質的綜合指標。

《鐵路工程特殊岩土勘察規程》（TB 10038--2001），根據膨脹土的自由膨脹率、蒙脫石含量及陽離子交換量將膨脹土的膨脹潛勢分為三級。

礦物成分

膨脹土的特殊工程性質是受其特殊的礦物成分控制。礦物成分不僅對了解控制膨脹土工程性質的內在因素，探討其膨脹機理所必需，而且對研究膨脹土性質的改良和加固方法也是必不可少的。

膨脹土的礦物成分包括黏土礦物和碎屑礦物。碎屑礦物中大部分為石英、斜長石和雲母（主要是水雲母）。碎屑礦物在膨脹土中含量有限，故對其脹縮性質影響不大。

影響膨脹土工程性質主要是黏土礦物。黏土礦物主要為蒙脫石、伊利石和高嶺石。它們的共同特點是結晶度低、晶粒微細、膠體特性顯著。但因彼此化學成分的不同，這些黏土礦物晶格構造有差異。蒙脫石是一種鱗片狀礦物，具有強烈的結構膨脹性；伊利石的結晶格架活動能力比蒙脫石低，僅具有弱膨脹性；高嶺石具有牢固的結晶格架，基本不具膨脹性。因此，膨脹土中各種黏土礦物的含量，特別是蒙脫石礦物決定了土的脹縮性能。

工程地質特徵

（一）膨脹土現場工程地質特徵

1.地形、地貌特徵

膨脹土多分布於Ⅱ級以上的河谷階地或山前丘陵地區，個別處於Ⅰ級階地。在微地貌方面有如下共同特徵：呈壟崗式低丘。淺而寬的溝谷，地形坡度平緩，無明顯的自然陡坎；人工地貌，如溝渠、墳墓、土坑等很快被夷平，或出現剝落、“雞爪沖溝”；在池塘、庫岸、河溪邊坡地段常有大量坍塌或小滑坡發生；旱季地表出現地裂，長數米至數百米、寬數厘米至數十厘米，深數米，特點是多沿地形等高線延伸，雨季閉合。

2.土質特徵

顏色呈黃、黃褐、灰白、花斑（雜色）和棕紅等色。

多為高分散的黏土顆粒組成，常有鐵錳質及鈣質結核等零星包含物，結構緻密細膩。一般呈堅硬或硬塑狀態，但雨天浸水劇烈變軟。

近地表部位常有不規則的網狀裂隙。裂隙面光滑，呈蠟狀或油脂光澤，有擦痕或水跡，並有灰白色黏土(主要為蒙脫石或伊利石礦物)充填，在地表部位常因失水而張開，雨季又會因浸水而重新閉合。

（二）膨脹土的物理、力學及脹縮性指標

(1)黏粒含量多達35%～85%。其中粒徑<0.002mm的膠粒含量一般也在30%～40%範圍。液限一般為40%～50%。塑性指數多在22～35之間。

(2)天然含水量接近或略小於塑限，常年不同季節變化幅度為3%～6%，故一般呈堅硬或硬塑狀態。

(3)天然孔隙比小，變化範圍常為0.50～O.80，雲南的較大，為0.7～1.20。同時，其天然孔隙比隨土體濕度的增減而變化，即土體增濕膨脹，孔隙比變大；土體失水收縮，孔隙比變小。

(4)自由膨脹量一般超過40%，也有超過100%的。

各地膨脹土的膨脹率、膨脹力和收縮率等指標的試驗結果的差異很大。例如就膨脹力而言，同一地點同一層土的膨脹力在河南平頂山為6～550kPa，一般值也在30～250kPa；雲南蒙自為10～220kPa，一般值在10～80kPa。同樣，收縮率值：平頂山2.7%～8%；蒙自4%～15%。這是因為這些試驗是在天然含水量的條件下進行的，而同一地區土的天然含水量隨季節及其環境條件而變化。實驗證明，當膨脹土的天然含水量小於其最佳含水量（或塑限）之後．每減少3%～5%，其膨脹力可增大數倍，收縮率則大為減小。

(5)關於膨脹土的強度和壓縮性。

膨脹土在天然條件下一般處於硬塑或堅硬狀態，強度較高，壓縮性較低，但這種土往往由於乾縮，裂隙發育呈現不規則網狀與條帶狀結構，破壞了土體的整體性，降低承載力，並可使土體喪失穩定性。這一點，特別對淺基礎、重荷載的情況，不能單純從“平衡膨脹力”的角度，或小塊試樣的強度考慮膨脹土地基的整體強度問題。

同時，當膨脹土的含水量劇烈增大（例如，由於地表浸水或地下水位上升）或土的原狀結構被擾動時，土體強度會驟然降低，壓縮性增高。這顯然是由於土的內摩擦角和內聚力都相應減小及結構強度破壞的緣故。已有的國內外技術資料表明，膨脹土被浸濕後，其抗剪強度將降低1/3～2/3。而由於結構破壞，將使其抗剪強度減小2/3～3/4，壓縮係數增高1/4～2/3。