淺談合肥地區(qū)膨脹土的特性

劉奇，蔣曉慶

（1.安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230022；2.安徽廣播電視大學(xué)開放教育學(xué)院，安徽 合肥 230022）

0 前 言

合肥市是安徽省膨脹土覆蓋的典型地區(qū)之一。本區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，一年中的降水量呈季節(jié)性分配。經(jīng)相關(guān)資料查實，平均年降水量933mm，其中春夏季降水約677mm,約占全年降水量的68.1%，由于膨脹土對氣候及水文因素有較強的敏感性，而這種敏感性往往會對工程建筑物產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。膨脹土的脹縮引起建筑物的破壞是具有反復(fù)性和長期潛在的危險性。對于膨脹土有關(guān)的總結(jié)語言就非常的形象，如“雨時流不歇，天旱開大裂”，“晴時像塊鐵，雨天變成橡皮泥”等。美國工程界就稱膨脹土為“隱藏的癌癥”。

1 膨脹土的結(jié)構(gòu)特性

膨脹土的結(jié)構(gòu)特性包括其礦物成份、微觀結(jié)構(gòu)、裂隙性、固結(jié)性。其中礦物的組成成份微觀結(jié)構(gòu)和膨脹土的脹縮性有著直接的關(guān)系；而膨脹土的脹縮性、裂隙性、固結(jié)性又決定了膨脹土的抗剪強度的衰減程度的大小。

1.1 膨脹土的礦物成份及脹縮性

膨脹土礦物成分包括各種粘土礦物和碎屑礦物（原生礦物）。合肥地區(qū)膨脹土的粘土礦物成分以伊利石為主[1]，其次是蒙脫石和高嶺石，含蛭石、石英及褐鐵礦。安徽省地礦局中心實驗室經(jīng)X衍射分析表明：合肥膨脹土黏粒含量達63%～68%，其中伊利石占50%～52%，高嶺石9%～12%，綠泥石3%～5%，其余部分，石英占30%～33%，長石2%～4%。伊利石的膨脹性低于蒙脫石的膨脹性，因此，合肥絕大部分地區(qū)分布著中弱膨脹土。研究表明，當(dāng)膨脹土中蒙脫石的含量達到5%時，蒙脫石對土的脹縮性和抗剪強度產(chǎn)生明顯的影響。因此，由化學(xué)成份、晶體構(gòu)造及離子交換能力不同的粘土礦物及吸附不相同的陽離子的相同粘土礦物組成的膨脹土，其吸水膨脹性能將表現(xiàn)出明顯的差異。

1.2 膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)及脹縮性

膨脹土的結(jié)構(gòu)和其脹縮性[2]也有直接關(guān)系，現(xiàn)有的研究結(jié)果表明：①組成膨脹土微結(jié)構(gòu)主要是細小的蒙脫石、伊利石、高嶺石顆粒；②膨脹土礦物粘土顆粒的形狀大多為片狀或扁平狀，并形成聚集狀；③膨脹土中顆粒相互之間排列的形式，有的呈微聚集體中片狀顆粒成平行排列，微聚集體與微聚集體彼此成平行排列，具有高度的定向性，呈平行層狀排列結(jié)構(gòu)；④微聚集體與微聚集體之間，呈現(xiàn)出有面-面接觸、面-邊接觸和面-邊-角接觸多種形式的組合，形成各種結(jié)構(gòu)類型；⑤膨脹土是普遍發(fā)育有微孔隙和微裂隙的多孔隙粘性土，無論在聚集體內(nèi)還是聚集體間，都普遍分布有各種大小不同、形狀各異的微孔隙和微裂隙?？紫?、裂隙的大小不同，形狀各異，膨脹土的微裂隙是構(gòu)成膨脹土特有的微結(jié)構(gòu)特征的重要組成部分，決定了膨脹土裂隙不連續(xù)的特點。

1.3 膨脹土的裂隙性

膨脹土的多裂隙性是膨脹土的又一重要特性。膨脹土中普遍存在發(fā)育的各種裂隙，按其成因分為兩類，即原生裂隙和次生裂隙，而次生裂隙可分為：風(fēng)化裂隙、減荷裂隙、斜坡裂隙和滑坡裂隙等等。原生裂隙具有隱蔽特征，多為閉合狀的顯微裂隙，需要借助光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡觀察。次生裂隙具有張開狀的特征，多為宏觀裂隙，肉眼下即可看出。次生裂隙一般由原生裂隙發(fā)育發(fā)展而成，所以次生裂隙常具有繼承性質(zhì)。

1.4 膨脹土的超固結(jié)性

超固結(jié)性是膨脹土的重要特性之一。膨脹土在沉積過程中，在重力作用下逐漸堆積，土體將隨著堆積物的加厚產(chǎn)生固結(jié)壓密。由于自然環(huán)境的變化和地質(zhì)作用的變化的復(fù)雜性，土的沉積并不是持續(xù)的，而是常因地質(zhì)作用而發(fā)生卸載作用，于是土體由于先期固結(jié)所形成的部分結(jié)構(gòu)強度阻止了卸載可能產(chǎn)生的膨脹而處于超固結(jié)狀態(tài)。引起膨脹土超固結(jié)的原因有風(fēng)化、沖刷、剝蝕地質(zhì)作用、冰雪融化等等。

2 膨脹土的變形及強度特性

膨脹土的變形特性表現(xiàn)為吸水膨脹軟化，失水干縮。對于膨脹土的變形可以分為兩大類：一類是外載作用下的壓縮變形；另一類是外荷載和浸水的共同作用下的濕脹變形。膨脹土的變形特性是防治的關(guān)鍵。應(yīng)該依據(jù)大量的室內(nèi)試驗和工程特例，總結(jié)并建立反映濕脹、干縮特性的非飽和膨脹土的新型本構(gòu)模型，來準(zhǔn)確的反映膨脹土的變形特性。

膨脹土抗剪強度的研究分飽和土的抗剪強度理論和非飽和土抗剪強度理論。利用飽和土理論來研究膨脹土的抗剪強度得出，膨脹土的峰值強度是相當(dāng)高的，但是從失穩(wěn)的膨脹土土坡反算出的抗剪強度往往低于峰值。事實證明用飽和土的理論去研究膨脹土的抗剪強度是不成功的。膨脹土是一種典型的非飽和土，非飽和土強度理論采用Mohr-Coulumb準(zhǔn)則。其中有代表性的理論有：Bishop理論、Fredlund理論、盧肇鈞理論。但是各有缺陷，所以膨脹土的抗剪強度有待于進一步修正和發(fā)展。

3 合肥膨脹土地基建筑物的破壞特征

合肥地區(qū)膨脹土多分布于淝河兩岸二級階地，可分為兩層，上層一般為褐黃色粘性土，硬塑～堅硬狀態(tài)，厚度為1.5m～3m，崗地土厚度大，斜坡上厚度薄，甚至缺失，含直徑1mm～3mm的球狀鐵錳結(jié)核，露頭剖面上可見夾有厚度2cm～10cm的水平層狀淋濾鐵錳富集層；下部為灰黃色粘性土，呈硬塑～堅硬狀態(tài)，近垂直或水平的兩組裂隙發(fā)育，裂隙面光滑，呈蠟狀光澤。本區(qū)膨脹土的自由膨脹率在44%～65%，膨脹潛能為中等偏弱。合肥地區(qū)膨脹土地基建筑物破壞具有以下特點：

①建筑歷史較長，至少5～10年以上；

②建筑物多為體形簡單，單層的民用建筑，合肥區(qū)1～3層房屋建筑產(chǎn)生嚴(yán)重裂縫多發(fā)于旱季，蒸發(fā)量大于降雨量；

③建筑物上的裂縫有以下兩種形式，一是角端斜向裂縫，表現(xiàn)為山墻上對稱或不對稱的倒八字形裂縫，上寬下窄，傾角一般為45°；二是縱向的水平裂縫，一般發(fā)育在防潮層或底層窗臺水平處，嚴(yán)重時呈“之”字形，在墻的中部也發(fā)育縱向裂縫。

4 合肥膨脹土地基處理

采用換填非膨脹土、化學(xué)方法[3～5]或其它方法來消除或減少地基膨脹性是根治膨脹土地基的好方法。合肥地區(qū)通常的方法有如下幾種。

4.1 換土墊層

這是用砂、碎石、灰土等材料更換膨脹土，以減少房屋的脹縮變形量。墊層的厚度由計算確定，使地基剩余脹縮量在允許范圍內(nèi)。要求在最佳含水量時，壓實土的干密度不小于15.5。這種方法在膨脹土層較薄或地基主要脹縮變形層不厚的情況下適用的。采用砂墊層效果不一。效果不好的原因是墊層厚度小，施工質(zhì)量不好。特別是表層沒有一層密實的防水層，往往成為蓄水層，造成下層土層脹縮變形。

4.2 化學(xué)固化處理

采用石灰、水泥等對膨脹土進行化學(xué)穩(wěn)定處理，從而達到改良土的性質(zhì)，取得一定的效果。通過合肥地區(qū)膨脹土石灰改性室內(nèi)試驗得知，在膨脹土中摻入石灰的摻入比在6%～8%為佳。通過相關(guān)資料參考，從考慮固化效果和經(jīng)濟成本，固化膨脹土的水泥摻量一般在4%～10%之間。

4.3 預(yù)浸水

建筑物地基預(yù)浸水是為了消除土的膨脹性，在施工前用人工的方法增加地基土的含水量，使膨脹土全部或部分膨脹，從而減少或消除在使用過程中的膨脹變形。采用預(yù)浸水必須解決在使用過程中能否保持土的高含水量；必須研究浸濕地基的變形和強度特性。

5 結(jié) 語

合肥地區(qū)乃至江淮地區(qū)上部土層的膨脹性早已引起人們的注意。近年來，合肥地區(qū)結(jié)合大量工程實踐，做了一定的載荷試驗和大型剪切試驗用以研究膨脹土的工程特性、掌握土的承載力、抗剪強度與含水量、土體結(jié)構(gòu)等諸多因素的關(guān)系，可以正確的評價膨脹土的力學(xué)性質(zhì)、選擇合適的建筑基礎(chǔ)埋深與坡角、選擇恰當(dāng)?shù)氖┕すば蚝褪┕し椒?。在大量的室?nèi)研究試驗及室外考察，對膨脹土的結(jié)構(gòu)特征及影響因素有了深入的認(rèn)識。但是具體到某個工程的現(xiàn)場情況又會發(fā)現(xiàn)個別新的問題，從而又會引起新的思考。膨脹土的影響因素很多，從目前研究的成果看，非飽和土理論的研究是一條很有潛力的途徑，對于一些理論的建立，多依據(jù)半經(jīng)驗或經(jīng)驗，特別是一些很難得到工程實例的驗證，還需要更大的努力。應(yīng)從以下幾個方面進行強化研究：

①進一步加強膨脹土微觀結(jié)構(gòu)方面的研究，認(rèn)識其脹縮和破壞機理，指導(dǎo)其它方面的研究；

②加強非飽和土理論，特別是荷載、含水量、吸力之間的關(guān)系，從而真正揭示膨脹土的強度和變形特性；

③加強現(xiàn)場測試，通過現(xiàn)場試驗發(fā)展新的應(yīng)用性的數(shù)值分析計算理論和方法；

④加強膨脹土工程處理方面的研究，解決工程問題。

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[2]王志亮.合肥地區(qū)膨脹土顆粒粒徑的分形分維研究[J].巖土工程技術(shù),2003（4）.

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[4]宋亞,方詩圣,梁昌望,等.合肥濱湖新區(qū)膨脹土石灰改性室內(nèi)試驗研究[J].安徽建筑,2008（2）.

[5]蔣曉慶,程樺,盧松.摻灰膨脹土的膨脹特性試驗研究[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2009（6）.