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含水量对膨胀土强度影响的试验研究 摘要：膨胀土在世界范围内的分布遍及六大洲，我国的膨胀土的分布遍及20多个省市地区，分布很广。膨胀土是一种特殊的粘土，具有显著的胀缩性，简单的可以总结为脱水时收缩，吸水时膨胀的规律，其强度是计算斜坡稳定性的重要参数，同时也代表了土体抗剪切破坏的能力。因此，研究膨胀土强度与其含水量（也包括水分渗入和蒸发的速率）的关系是具有重大意义的，可以为膨胀土路基和道路施工工程的安全性、高质量性提供依据。本文将从膨胀土力学性质的简介和含水量对膨胀土强度的影响这两方面加以探讨。 关键词：膨胀土胀缩性矿物成分水分含量特征强度气候条件 1.膨胀土力学性质的简介 1.1什么是膨胀土 膨胀土的主要成分是强亲水性的粘土矿物（伊利石和蒙脱石），其土质的颗粒高度分散，具有典型的膨胀结构、胀缩性、高塑性和强衰减性，敏感性较高。对于工程建设来说，它具有一定的危险性和灾害性，对其强度性质、吸水性质缺乏认识常常会引发一系列的工程建设和工程质量问题。膨胀土的强度性质主要与其含水量、脱水速度和入渗速度有关，所以研究其强度和含水量的关系具有巨大的工程学意义。 1.2膨胀土的特征及危害 膨胀土主要特征如下： （1）膨胀土强度的衰减通常是由于膨胀和收缩变形频繁地发生，这与环境变化密切相关。 （2）膨胀土的含水量不低于30%，组成颗粒是中粘性颗粒。 （3）主要的矿物成分是蒙脱石和伊利石。 （4）土体中水分含量增大时，土的体积变大，膨胀形成压力；土体脱水时，体积减小，相应的会出现裂隙。 （5）膨胀土是一种超固结高塑性粘土。 膨胀土的危害原因主要是由于其强胀缩性和裂隙性，主要表现在如下几方面： （1）边坡表面易发生崩落。由于地下水干湿循环，土体吸水膨胀，含水量增高使土体软化，坡面易于崩落。下层重量增加有时也会引起溜坍。 （2）对地基的影响。在建筑施工过程中，干燥条件下，土体含水量相对较低，土体的胀缩性较小，因而强度较高，无经验的施工企业有时会将其误以为好的地基土质。然而在建设过程或是交付使用过程中常常会出现问题。比如地区的气候差异较大，当雨季来临的时候，土体会膨胀，反之当旱季来临的时候，土体会缩小，这样不断的气候变化会造成建筑物的不均匀的升降，会严重影响建筑物的质量和使用年限，严重的还会造成建设返工。 （3）对路堤边坡造成危害。通常的破坏形式包括下沉、腰部溃爬、纵向开裂、坡角坍滑以及路肩滑坍。 （4）浅层滑坡现象。膨胀土的胀缩常常会形成裂隙。由于地表水、雨水、高位水、地下水等沿着土的裂隙不断渗入，土的含水量增高使得裂隙软化，抗剪强度减弱，长此以往，裂隙就会连通起来，如果土层自身呈不均匀分布，就容易出现滑坡面。 1.3影响膨胀土强度的因素 膨胀土的起源主要是由中性火山岩、页岩、泥岩等风化而成的，其中含有多种亲水矿物，如蒙脱石、伊利石、水云母、绿泥石和高岭石等，这些岩石矿物具有不同的力学性质和理化特征。一般来说，膨胀土的胀缩性和亲水性矿物的含水量呈一定的正比关系，孔隙比小，密度较大，渗入水分时，会高度膨胀，膨胀土的强度也会发生变化。归结起来，影响膨胀土强度的因素主要有以下几个方面： （1）膨胀土自身结构对强度的的影响 膨胀土体的结构与其力学强度密切相关，指的是土体的地质界面，它有着不连续隙裂面和软弱层，具有结构形态多样化的特征。结构影响的关键因素包括： 微孔隙和微裂隙 粒度成分 矿物化学成分 颗粒与粒团的排列方式 粒子的接触连接方式 （2）矿物成分的不同对强度的影响 膨胀土中还有的多种矿石成分的理化性质均不相同，因而不同含量矿物对应的膨胀土具有不同强度。比如，在蒙脱石的含量比较大时，土体的抗剪力强度会变小。 （3）土体含水量对强度的影响 由于随着季节的变化，膨胀土中的含水量也是变化的，而膨胀土的胀缩性主要是含水量的变化引起的，所以，含水量对膨胀土的强度影响是不可忽视的，一般来说，在水渗入土体一段时间内，土体自身存在一个稳态的强度，如果含水量进一步增加，那么膨胀土的强度会出现明显的降低。在工程施工和建设时，遇到膨胀土质时，往往需要保湿和防水作业。 1.4用TDR法测量膨胀土的含水量 TDR法又被称作是时域反射法，工程中适宜采用这种方法来做膨胀土含水量的实验研究，相比较而言，以往采用的中子法精度高，但是使用的仪器不安全，对人体有害的辐射较强；电阻法不仅易受电极极化、土体盐分等因素的影响，试验占用的时间也是较长的。TDR是最近盛行的测量土体原位含水量的方法，其工作原理是利用发出的电磁波在土壤中的传播速度来推算土壤含水量的，优点为速度快、准确性高、可靠且稳定性好。测量方法为在TDR探头伸入土体中，由电容器发出高频电磁波，进而测定土体的介电常数，利用这个数据可以通过公式求出土体的含水量。其实，TDR测量法得出的结果是与埋设条件、温度和土壤本身的粘度相关联的。因而在测量前要进行标定操作。试验测定的误差随含水量的增大而变大，在干旱土体中测量时，由于含水量较低，结构的偏离度也较大，故为了适应各种气候条件下的膨胀土含水量测定，一般默认采用埋设探管至合适的深度后再进行实验比较好。 2.膨胀土含水量对强度的影响 2.1膨胀土中含水量变化的危害效应 膨胀土的工程学的性质较差，每年全世界因为膨胀土造成的损失不低于50亿美元，膨胀土的三种基本性质的复杂作用是损失的主要原因，分别为超固结性、胀缩性和裂隙性。膨胀土引起的建筑施工危害具有长期潜伏、多发性和反复性。建筑业有个较为通俗的说法是“无堤不塌，逢堑必滑”，说的是膨胀土作为地基时易造成建筑物的倾斜和开裂。胀缩性基本上是由土的含水量变化决定的，有着明显的干湿效应，吸水时土体膨胀，强度低；脱水时，土体强度变高，收缩，进而出现裂隙。土体脱水产生的裂隙也是有着危害的，可以说是对含水量的增大有着促进的作用，因为，当雨季来临时，雨水更易沿着缝隙流入地表，长此以往，膨胀土的裂隙会越来越深，越来越明显，又长又深的裂隙使得土体的强度大大降低，如果得不到及时处理就会形成2米左右风化层。 2.2土体含水量的工程学危害 膨胀土由于含水量的不同会对工程建设形成危害，主要表现在边坡危害和路基危害两个方面。 2.2.1边坡危害 世界上任何一个地区，都有着一种相同的现状，即在膨胀土质建设的路堤或是路堑，边坡都会变形甚至土块发生崩解，易发生滑坡现象。这主要是由于气候季节性的变化，土体遇水膨胀，脱水收缩，产生裂隙，使得膨胀土的抗剪强度变小。 2.2.2路基问题 在道路路基建设中，膨胀土常常会形成团块状，这是由两方面因素共同起作用造成的，一是膨胀土自身含水量相对较高；二是膨胀土具有黏聚性。相反的，土体经工程机械的搅拌后形成的团块经水分蒸发后，强度会变大，最终土体团块变得非常坚硬，可塑性大大减小，对施工造成很大难度。 在道路路基建设完成后，由于季节性雨水量的变化和膨胀土的胀缩，轻度含水过量会形成蓬松层，重度含水过量会使土质像橡皮泥一样，路基会相应地凸起，待水分蒸发干燥后，路基就会出现开裂现象，难以维护。 2.3含水量变化造成土体形态变化界限的研究 从本质上说，水对膨胀土的影响主要是通过改变土体内应力。如果膨胀土保持原有的含水量不再变化，那么土本身就难以发生胀缩，这种情况对于以膨胀土作为基础的工程建设无大的影响，但是这种现象比较少见。水分一旦发生迁移或是水量发生变化就易造成胀缩，但一般工程建设中会在土体表面外加阻抗和荷载，只要膨胀力小于外部阻力，地表就不会发生凸起。 总结：膨胀土中含水量的试验研究对于膨胀土的工程学的应用和力学性质的研究有着重要作用。未来有关膨胀土性质的研究会向着含水量和微结构对强度的影响方向进行，掌握好膨胀土的