（岩土工程专业论文）膨胀土新型改良剂室内试验研究.pdf

摘要 膨胀土是一种具有特殊工程性质的区域性粘土。随着我国大规模的基础设施建设， 膨胀土对各种工程建设所造成的危害也就显现出来。在众多的膨胀土处理技术中，化学 方法由于其良好的性价比而受到工程人员的广泛重视。除了石灰，水泥等传统改良材料， 有机化合物作为一类新兴的化学改良材料逐渐进入人们的视线。但因其在国内尚无统一 的评价标准，仍处于试验阶段，没有相对成熟的产品出现。为此，本文以有机化合物改 良剂作为研究对象并结合工程实际，运用室内试验和理论分析的手段，重点研究不同改 良剂对膨胀土的改良效果，初步探讨了其改良作用机理。主要内容如下： 首先，通过对膨胀土的内在胀缩机理及化学改良剂与土相互作用等方面的研究总结， 并在前人研究成果的基础上结合现有文献资料，选择了c t m a b ，c p a m 和( e t ) 4 n b 这三种 有机化合物作为本次试验所用改良剂。以液塑限和自由膨胀率为衡量标准，分别对不同 掺入量和养护期的改良土进行试验，确定了合理的改良剂掺量和养护时间。通过室内试 验，对膨胀土改良前后的渗透性，强度，变形特性进行了测定，分析研究了改良土的渗 透系数，无侧限抗压强度，无荷膨胀率等指标较未改良土在改良前后的变化情况。同时 本文对改良土进行了干湿循环对比试验，结果显示，三种改良土的无荷膨胀率都有明显 降低并趋于稳定，无侧限抗压强度有所损失但仍具有一定强度。改良土的水稳定性较素 土有了明显增强。其次，通过室内模拟一维土柱渗透改良试验，试验分析了改良剂对模 拟天然膨胀土边坡的渗透改良效果，并且初步探讨了现场施工工艺。 最后，本文采用扫描电镜研究分析了改良土微观结构的变化情况，结合三种改良剂 的物理化学作用，在土的微观结构层面上分析了改良剂稳定膨胀土的作用机理。 关键词：膨胀土，有机化合物改良剂，强度，变形特性，水稳定性，微观结构 a b s t r a c t t h ee x p a n s i v es o i li sak i n do fs p e c i a lr e g i o n a ls o i l w i t ht h ei n c m a s eo fi n f r a s t m c n l r e i n v e s t m e m ，t h ed 锄a g eo fe x p a n s i v es o i l i sh e a v e l y a san e wm e t h o do fe x p 锄s i v es o i l ，t h e c h e m i c a lm e t h o di sh i 曲l yv a l u e da si t sb e t t e rc o s t e 自f e c t i v e n e s s e x c e p tf o r t h ec o n v e n t i o n a l c h e m i c a lm a t e r i a l ，f o re x 锄p l el i m e ，c e m e n t ，o r g a n i cc o m p o u n di sa p p e a r e da san e wm a t e r i a l b u tt h e r ei sn o tau n i 6 e ds t a n d a r da td o m e s t i c ，m o s to ft h er e q u i r e m e n td e p e n d so ni m p o r t i n t h i sp a p e r ，w ec h o o s es e v e r a ld i 毹r e n to r g a j l i cc o m p o u n dt oc o n f i mi t sc h e m i c a li m p r o v e m e n t e f f e c t i v e n e s sa b o u te x p a i l s i v es o i l t h em a i nc o n t e n t so f t h i st 1 1 e s i sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l yb a s eo nt h es u m m a 巧o ft h ef o n i l e r s s t u d y 锄dr e s e a r c ho nt h em e c h a n i s mo ft h e e x p a n s i v ec l a y s s w e l l i n g s 城n k ，i tc h o o s e sc 1 m a b ，c p a ma i l d ( e t ) 4 n ba st h ec h e m i c a l m a t e r i a li nt h i se x p e r i m e n t t h er e a s o n a b l ec o n t e n ta 1 1 dm a j n t a i n i n gp e r i o do fi m p r o v e ds o i li s d e t e m l i n e db y 丘e ee x p a n s i v er a t ea n dl i q u i d - p l a s t i cl i m i t i ti sd e t e 肌i n e dt h a tv 撕a t i o na t r e s p e c to fp e 册e a b i l i 饥s t r e n g mb e h a v i o ra n ds w e u s 1 1 i j n l 【c h a r a c t e r i s t i c sw a sd i s c u s s e da r e r s e r i e so fe x p e r i m e n t s n ee 腩c t so fd i 脆r e n ti m p r o v e ds o i lw e r ea l s oc o n t r a s t e d t h r o u 曲t h e w e t t i n g d r y i n gt e s t ，i ti si n d i c a t e dt h a tm el i n e a re x p a l l s i o nr a t eo fi m p m v e ds o i li se v i d e n t l y d e c r e a s e da n dt e n d e dt os t a b l e ，t h el o s so fu n c o n f i n e dc o m p r e s s i o ns t r e n 昏hi sl i m i t e d n e r e s u l t ss h o wt h a tt h ew a t e rs t a b i l i t yo fi m p r o v e ds o i li sm u c hh i g h e rt h a nn a t u l a le x p a n s i v es o i l a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fo n e d i m e n s i o n a ls o i lc 0 1 u 砌e x p e r i m e n t ，t h ei m p r o v e m e n te f r e c t so f p e n t l e a t i o no ne x p a n s i v es o i ls l o p ea r ea i l a l y z e d ，a n dd i s c u s st h ec o n s t l l j c t i o nt e c h n o l o g yo f s p o tc o n s t r u c t i o n f i n a l l y ，t 1 1 i st h e s i sd i s c u s st h em e c h a n i s mo fi m p r o v e m e n t ，a n du s et h et e s to fe l e c t r o n m i c r o s c o p et oc o n f i n nt h e s er e s u h k e y 、v o r d s ：e x p a n s i v es o i l ，o 唱a n i cc o m p o u n d ，s t r e n g t h ，d e f o m a t i o np r o p e n i e s ，、v a t e r s t a b i l i t y ，m i c r o s t l l j c t u r e 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。也不包含为获得河海大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同学对 本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权说明 签字b 强易8 年g 只hb 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，并可以采用影印、缩印或扫描等其它复制手段保存论文。本人学位 论文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 学位论文作者签名： 签字日期：z 踟罗年乡月 摁芬 院步 蜷够 第一章绪论 1 1 膨胀土改良的研究意义 第一章绪论 膨胀土是一类有别于黄土、红土、软土、冻土，以及普通粘土的一类特殊粘性土。 因其特殊的矿物组成( 蒙脱石，伊利石等矿物) 和特殊的微结构特征( 发育微孔隙和裂 隙结构等) 而呈现出吸水膨胀和失水收缩的特性。土体浸水时，土颗粒表面的结合水膜增 厚，使颗粒间距增大，引起土体膨胀；相反土体失水时，结合水膜减薄，颗粒间距缩小，引起 土体收缩。 膨胀土在世界分布范围较广，迄今已发现多达4 0 余个国家存在膨胀土。其中我国是 世界上膨胀土分布最广，面积最大的国家之一。自五十年代以来，我国各地先后发现膨 胀土危害的地区已达2 0 余个省，市，自治区。遍及西南，中南，华东，以及华北，西北 和东北的一部分。广泛分布在从黄海之滨到川西平原，从雷州半岛到华北平原之间的狭 长地带。 膨胀土作为一种具有裂隙性、胀缩性和超固结性的高塑性粘土，在天然状态下强度 很高，但其对气候环境变化特别敏感。当含水量变化时，膨胀土遇水发生膨胀、失水发 生收缩变形，表现出明显的胀缩性。干湿循环次数增加时，膨胀土强度降低幅度增大， 具有崩解性。气候变化时导致土体中裂隙扩展，更易于水分的侵入和蒸发，使土体极易 风化。由于各地区膨胀土的矿物组成、结构和构造、土层埋藏深度和厚度及分布范围等 的不同，使得膨胀土的性态各异。膨胀土反复胀缩变形的特性以及杂乱分布的多裂隙结 构，对建筑物地基、道路和铁路路基、机场跑道、渠道边坡、堤坝等均有较严重的破坏 作用。由于该类土的特殊性，给工程建筑产生了严重的破坏作用。据统计，美国每年由 于膨胀土基础造成的损失在几百亿美元以上，己超过洪水、飓风、地震和龙卷风等灾害 所造成的损失总和1 1 1 ：而我国仅铁路每年就耗资上亿元对膨胀土地区铁路工程进行整治。 不仅如此，膨胀土对各种地表建筑以及地下工程的危害也无处不在，而且由于膨胀土的 胀缩特性，这种危害还呈现反复性和长期破坏的特点。采用工程措施后，常使工程造价 显著提高：如果不能使之加以运用而丢弃，除了增加成本，还会造成很多环境问题，如工 程弃方会占用大量土地、堆放的松散土方可能会引发泥石流或者滑坡等地质灾害。我国 因膨胀土问题而受到严重破坏的工程有：广州市地铁、山西云台山隧洞、南水北调中线和 东线工程、北京西客站地铁站、黄河小浪底水利枢纽工程等等【2 j 。随着世界经济的快速 发展，大兴土木，膨胀土的危害日益严重，在各国引起了广泛的重视。自六十年代以来， 国内外召开了多次膨胀土的专题学术会议，许多国家的工程技术人员对膨胀土的成因、 机理以及处理防护做了大量研究1 3 j 。目前，对于膨胀土的胀缩机理己有了基本的了解， 相应的采取了很多防护措施，但由于影响膨胀的内外因素的复杂性和多样性，如何准确 河海大学硕士学位论文 的预测和防止由于膨胀土的胀缩变形引起的工程危害，依然是一个有待进一步解决的课 题。 1 2 国内外研究现状 在2 0 世纪3 0 年代后期，膨胀土的问题逐渐被岩土工程师们所认识。随着经济建设 的发展，膨胀土的研究越来越引起岩土工程界的注意，岩土工程师逐渐领悟到结构物的 破坏，除了有建筑荷载引起的变形原因外，有时还有膨胀土胀缩变形的原因。 上世纪五十年代初，我国在修建成渝铁路工程中，首次遇到成都粘土膨胀危害问题。 上世纪六十年代到七十年代，我国南方几条重要铁路干线的修建，一大批水利工程 及工业与民用建筑的建设，都普遍遇到膨胀土所带来的各种工程地质问题。 上世纪七十年代初开始，我国系统地在全国范围内丌展大规模膨胀土科学试验和研 究工作，无论在关于膨胀土的基本理论或工程实践与试验研究方法等方面，都取得了十 分可喜的成果。 1 9 8 0 年，我国制定了膨胀土地区建筑技术规范( g b j l l 2 8 7 ) ，规范对膨胀土的判 别方法，膨胀土地基的变形计算问题，大气影响深度，膨胀土地基上的建筑物变形和建 筑场地的综合评价等五方面内容进行了说明。自1 9 8 0 年以来，有许多关于膨胀土问题的 著作相继出版，其中影响力较大的是廖世文的膨胀土与铁路工程。该书总结了1 9 7 0 年以前国外的研究成果并结合国内铁路建设中出现的膨胀土问题进行了研究说明。 到目前为止已先后召开过七届国际膨胀土研究与工程会议，许多国家都制定了膨胀 土地区建筑的规范和文件，使工程界对膨胀土有了较深刻的认识。随着土力学的发展， 特别是以f r e d l u n dd g 为代表的非饱和土理论的提出和完掣引，使得人们对膨胀土有了 更进一步的认识 1 2 1 膨胀土的性质研究 目前，对膨胀土的研究主要集中在胀缩机理，矿物成分，判别分类，处理方法和强 度及变形特性等几个方面1 5 j 。 膨胀土的工程性质与其矿物成分密切相关，矿物成分是膨胀土的最重要特征之一。 膨胀土的矿物成分主要包括碎屑矿物和粘土矿物，其中的碎屑矿物大部分为石英，斜长 石和云母。碎屑矿物是粗粒部分的主要组成物。对膨胀土工程性质起主要影响的是细粒 部分的粘土矿物，由于粘土部分与水的物理一化学作用产生了膨胀与收缩特性，所以对 膨胀土的矿物成分和化学成分进行的研究可以帮助我们了解膨胀土工程特性的内在因 素，探讨其膨胀机理，并且对膨胀土的改良与加固所采用的方法和技术起指导作用【6 ，。7 ，8 l 。 膨胀土的微结构是在一定的地质环境和条件下，由土粒孔隙和胶体结构等所组成的 整体结构。自2 0 世纪6 0 年代末期以来，x 一射线衍射( x i 国) 、扫描电镜( s e m ) 、透射电镜 ( t e m ) 等测试技术的发展以及数字化图象处理技术的应用，让人们对膨胀土的矿物成分 和微结构认识不断清晰。在1 9 7 3 年召开过一次微结构国际会议，表明了人们对膨胀土结 2 第一章绪论 构研究的重视程度；2 0 世纪8 0 年代王幼麟、高国瑞等对粘土矿物叠片体与其工程性质的 关系作了较多的研究。2 0 世纪9 0 年代廖世文、李生林9 1 、施斌【l o 】、d e l a g e 【l l ，1 2 1 、a l o n s o 【1 3 h j 等通过对膨胀土微结构的研究，发现膨胀土的物理化学性质与水理性质主要受组成膨 胀土的物理组成控制，而膨胀土的胀缩性、强度特性以及变形性质，则在很大程度上取 决于膨胀土的结构特征。谭罗荣( i5 】提出了一个评价试样定向度的公式。袁俊平【l6 j 提出了 可以采用显示裂隙图像的灰度熵作为裂隙发育程度的度量指标。施斌【17 j 在1 9 9 6 年使用 d i p i x 图像处理系统对郧县击实膨胀土的定向排列结构以及3 1 0 国道路基土掺石灰前后 的微结构形貌进行了定量处理。微结构的研究已经发展到定量研究阶段，现在的问题是 定量研究如何向简化测试手段发展，以便为工程所用i l 引。 1 2 2 膨胀土的胀缩机理研究 目前，关于膨胀土的胀缩机理，从现象学的观察到理论分析，前人付出了很多的心 血，提出了各种各样的理论。例如：晶格扩张理论、c h o p m e n 双电层理论、s o h o f i e l d 吸 力势理论、g y s e l 一维膨胀理论、w i t t k e 三维膨胀理论、温度应力场理论、渗透理论、t e r z a 曲i 弹性理论、表面张力理论、膨胀潜势理论、自由能变化理论、粘土矿物叠片体作用理论、 弹性弯曲理论等9 1 。陈宗基、孙钧2 0 1 提出了基于流变本构方程的膨胀理论，缪协兴等【2 1 】 通过研究提出了湿度应力场理论。另外，c “s t i a nm o y n e 等1 2 2 j 通过微观和宏观的同一性 分析，在双电层理论的基础上，研究了膨胀土的结构和电层耦合问题；f r e d l u n d 等1 4 j 对膨 胀土胀缩机理进行了较全面的研究；k a c z y n s k i 等1 2 3 j 对波兰膨胀土的膨胀势机理进行了研 究。 在这些理论中运用得最为广泛的是晶格扩张理论和双电层理论： ( 一) 晶格扩张膨胀理论 提出晶格扩张膨胀理论的基础是认为粘土晶格构造中存在着膨胀晶格构造，水易渗 入晶层之间，形成水膜夹层而引起晶格扩张，从而导致土体体积膨胀。 粘土矿物学研究表明，在粘土矿物的原子晶格构造中，有一种构造型式是在各晶层 之间由弱键相连接的晶格构造，晶层与晶层之间的结合彼此很不牢固。在粘土一水体系 相互作用下，由于置换作用，水和其它极性分子容易渗入晶层之间，形成水膜夹层，引 起晶格扩张膨胀。凡是具有膨胀晶格构造的矿物，都具有膨胀性。例如，蒙脱石组矿物 的晶格构造，在硅氧四面体一铝氧八面体一硅氧四面体单位相叠置时，都是以氧为公共 原子相连接的弱键结合，具有膨胀晶格构造，而且具有晶格内部离子交换的特性。因此， 晶层间可吸收大量的极性分子，使晶层间的距离加大，产生晶格膨胀。从晶格扩张理论 出发，研究膨胀土浸水膨胀与失水收缩的原因，首先必须充分考虑到组成膨胀土的粘土 矿物成分的晶格构造特性。在同种矿物成分组成的膨胀土中，其膨胀量与收缩量的大小， 则取决于交换性阳离子成分，同时与土的起始湿度密切相关。所以，含蒙脱石矿物为主 的膨胀土具有强的胀缩性，而含钠蒙脱石为主的膨胀土则具有更强烈的胀缩性1 2 4 j 。 ( 二) 双电层理论 河海大学硕十学位论文 根据现代胶体化学的原理，粘土矿物颗粒由于晶格置换产生的负电荷，在颗粒周围 形成静电场。在静电引力的作用下，颗粒表面必然吸附带有相反电荷的离子来平衡。而 这些反离子都是以水化离子形式存在的，带有负电荷的粘土矿物颗粒吸附水化阳离子， 形成扩散形式的离子分布，从而组成所谓的双电层1 2 犯6 j 。 在双电层中的离子对水分子具有吸附能力，被吸附的水分子在电场引力作用下，按 一定取向排列被束缚在粘土矿物颗粒的周围，形成表面结合水。由于结合水膜加厚将固 体颗粒“楔 开，使固体颗粒之间的距离增大，从而导致土体体积产生膨胀。当介质条 件发生改变，使土中结合水膜变薄或消失，粒间距缩小，从而使土体体积收缩。所以， 应用双电层理论解释粘土的膨胀与收缩现象，是基于粘土矿物颗粒表面双电层中结合水 膜厚度的变化的主要原因1 27 2 8 j 按照这一理论，当粘土与水相互作用时，双电层的作用并不仅仅局限存在于单一矿 物颗粒表面，同时也存在于集聚体表面或集聚体间，而且同时存在于前面介绍的晶格构 造内部。所以双电层理论补充了晶格扩张理论在解释粘土胀缩原因方面的不足之处，使 得膨胀土胀缩机理的理论更加全面和充实。 1 2 3 膨胀土胀缩等级的判别分类 目前对膨胀土胀缩等级判别分类有许多种方法，除规范方法以外，还有最大胀缩性 指标分类法【8 】；塑性图判别与分类法【2 明；多指标综合判别分类法( 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) 【2 9 】；风干含水率法( 谭罗荣教授提出了风 干含水率判别法，建立一种新的wr w l 膨胀土判别分类图。该方法离散性较大，在实际 应用中不易控制) 【3 0 1 ；多指标数学式判别与分类法( 如模糊数学判别法 3 1 - 3 2 1 ，灰色关联法 p 3 j 物元分析法，借助于人工神经网络的方法等【3 4 1 ) ；南非威廉姆斯( w i l l i a m s ) 分类标准 ( 南非土木工程研究所v a n d e rm e r w e 利用塑性指数、小于2 “m 颗粒含量及粘土活性三个 因素建立粘土膨胀势判别分类图对膨胀土进行判别分类) 【3 副；美国垦农局w g 荷尔兹 ( h o l t z w g ) 提出了以胶粒含量、塑性指数、缩限、膨胀体变为指标的判别分类方法；姚 海林【3 6 】等人提出了以标准吸湿含水率、塑性指数和自由膨胀率这三个指标来对膨胀土进 行分类2 9 1 。 1 2 4 膨胀土强度及变形研究 膨胀土的强度特性和普通粘土相比有很大不同，比普通粘土更加复杂。对此国内学 者对其强度和变形特性做了大量的研究工作。通过对膨胀土进行大量的室内和现场试验 研究发现，膨胀土强度特性变动较大，在自然状态下具有较高的强度，暴露在大气中遭 受风化和干湿效应的影响，其抗剪强度表现为衰减的特性，其残余强度与峰值强度相比 有明显的降低。杨和平【3 8 j 研究发现膨胀土经过多次干湿循环后土体的强度衰减大，c 值 衰减较厉害而( p 值变化的幅度较小。韩华刮”】用饱和度代替吸力来研究非饱和膨胀土的 强度和变形特性，发现膨胀土经过若干次干湿循环后其长期强度和变形模量明显降低。 陈可君【4 0 j 对不同干密度非饱和膨胀土的三轴试验研究得出吸力和净围压的增加使得试样 4 第一章绪论 的抗剪强度提高，初始干密度大的试样同样有较高的强度。高春华1 4 l j 对膨胀土强度和含 水率之间的关系进行研究，结果表明随着含水率的增加，土体的强度明显下降。 目前膨胀土变形特性研究成果主要集中在两个方面：膨胀变形试验研究和膨胀变形 计算研究方面。膨胀土膨胀变形计算方法主要建立在膨胀变形试验研究的基础上。王保 田1 4 z j 通过现场和室内试验对膨胀土浸水变形特性进行了研究，并利用室内试验的湿化应 力应变关系对现场载荷试验的湿化变形进行了计算。刘松玉1 4 3 l 对击实膨胀土循环膨胀特 性进行了试验研究。卢再华j 对膨胀土干湿循环胀缩裂隙演化进行了c t 试验研究。膨胀 土的胀缩变形特性与膨胀土的物质成分、上覆压力、土体的干密度和初始含水率有关， 但是现行规范膨胀土地区建筑技术规范【4 纠( g b j l l 2 8 7 ) 推荐的地基膨胀变形量计算的 经验公式只考虑了膨胀土自身的矿物成分、上覆压力和干密度对土体膨胀性的影响，而 忽略了土层土体孔隙中水分含量的差异对土体膨胀变形量的影响。国内外很多学者的研 究成果证明这种影响对真实反映土体的实际变形是相当重要的1 4 引，他们提出了考虑吸 力对土体变形量的影响。目前有关膨胀土的胀缩变形计算方法主要成果还有：徐永福 1 5 0 引，5 2 j 对膨胀土的膨胀变形与初始含水率、吸力、干密度和上覆压力关系进行了研究， 建立了膨胀土膨胀变形模型，并探讨了膨胀土地基随含水率变化路基的膨胀变形计算模 型。许瑛研究了陕西安康弱膨胀土的膨胀变形与初始含水率和上覆压力的关系【5 3 1 。长沙 理工大学的韦秉旭和周玉峰在徐永福和许瑛、雷胜友的基础上进一步提出了一个适合南 友路击实灰白色膨胀土在某一范围内任一初始含水率和上覆压力条件下，某一过程含水 率下的有荷膨胀率大小的计算公式p 4 。 1 3 膨胀土处理技术研究 在进行各种工程建设时，不能只在地质条件良好的场地上从事建设，有时不得不在 地质条件较差的地基上进行各种工程施工；而且，随着现代结构物的荷载日益增大，对 地基变形的要求也越来越高。所以在这种情况下，对膨胀土进行处理就显得尤为重要。 1 3 1 膨胀土的常用处理方法 到目前为止，常用的膨胀土处理方法：换土法、湿度控制法、桩基础法和化学固化 法等。各种处理方法原理分述如下： ( 1 ) 换土法是将膨胀土全部或部分挖掉，换填非膨胀粘性土、砂土、砂砾土或灰土， 已消除或减少地基胀缩变形，其本质是回避膨胀土的不良工程特性，从源头上改善地基， 是一种简单而且有效的方法1 5 引。 ( 2 ) 湿度控制法是通过控制膨胀土含水量的变化，保持膨胀土中的水分少受蒸发及 降雨入渗的影响。从而抑制地基的胀缩变形。目前比较有效的保湿方法有：预湿法和全 封闭法。 a 预湿法：李生林、秦素娟和薄遵昭等著的中国膨胀土工程地质研究中提到：膨 胀土存在一个临界湿度，膨胀土的含水率在超过该湿度条件下膨胀变形量很小。因此在 河海大学硕士学位论文 施工前采用人工的方法增加地基土的含水率，使之保持在某一临界湿度。临界湿度控制 的极限方法与膨胀土液限有关。不同性质不同类型的膨胀土，其临界湿度是不同的【9 1 在 施工前用人工方法增加地基土的含水量，使膨胀土层全部或部分膨胀，并维持高含水量， 从而消除或减少膨胀变形量。 b 全封闭法：其目的是采取工程措施保持地基土体含水率稳定，使土体的水分在旱季 期不致大量蒸发，在雨季不明显增长，从而避免土体胀缩变形。一般该法常在膨胀土路 堤中应用，出于经济上的考虑和受填料条件所限，在不得不采用弱膨胀土和中膨胀土填 筑路堤时，直接用接近最佳含水量的中，弱膨胀土填筑路堤堤心部位，用普通粘土或改 性土作为路堤两边边坡与基底及项面的封层，让膨胀土被封存在非膨胀土中，避免膨胀 土与外界大气直接接触，保持膨胀土湿度的稳定，使其失去胀缩性，从而成为良好的路 基填料。 ( 3 ) 物理改良法包括土钉墙，桩基础，加土工织物和向膨胀土中掺入砂砾石改变土的 级配等方法。 ( 4 ) 化学改良法是利用在膨胀土中加入某种其它物质，并使添加材料与膨胀土中的粘 土颗粒发生某种化学反应或物质交换过程，以达到降低膨胀土膨胀潜势，增加强度和提 高水稳定性的目的。这种处理方法的最大优点在于能从本质上改善膨胀土的不良工程性 质，理论上可以根本消除膨胀土的胀缩性，是国内外膨胀土工程处理技术中的热点领域， 应用广阔。有关膨胀土固化目前使用较多的无机类固化剂有石灰、水泥等，有机类的有 丙烯酸盐系列、聚乙二烯等。还有使用有机固化剂与无机固化剂复合的方法，也取得了 一定效果，如丙烯酸与水泥复合、胺基磺酸盐类化合物与石灰复合等p 6 j 。 1 3 2 化学改良膨胀土研究现状 通过大量的工程实践表明化学方法改良膨胀土是十分有效并且广泛适用的工程处理 方法。因为一方面选用的化合物本身可以固结土体，起到粘结土粒的作用，例如水玻璃， 树脂等进行灌浆处理。另一方面化合物和土本身还可以进行一些复杂的物理一化学反应 改变膨胀土的亲水性质。目前，国内外应用化学方法改良膨胀土的添加剂主要有石灰， 水泥，粉煤狄及其它各种可溶性的无机盐，有机类的有表面活性剂，各种有机聚合物等。 还有使用无机有机复配体系，如聚合表面活性剂与石灰，水泥复配【57 。，有机高分子与水 玻璃，粉煤灰复配等【5 8 1 。本文研究的重点是用阳离子有机化合物作为改良剂来对膨胀土 进行改良处理。 1 无机类改良剂 a 石灰类改良剂 石灰是一种无机的胶结材料，能在空气中硬化。石灰的活动性取决于活性c a o 和 m 2 0 的含量，其含量越高，活性越大，胶结能力越强。石灰改良膨胀土的过程既有物理 作用，又有化学作用，两方面共同作用促使土体性质发生根本改变。石灰改良土的主要 作用包括：( a ) 离子交换作用：在土壤中水的作用下，生石灰迅速消解，产生氢氧化钙和少 6 第一章绪论 量氢氧化镁，进一步离解出二价钙、镁离子和氢氧根离子。二价钙、镁离子很容易置换 膨胀土颗粒所吸附的低价、砌+ 等离子。二价钙、镁离子结合水膜较薄，能使膨胀土 的分散性、亲水性和膨胀性降低，塑性指数下降并易稳定成型，形成早期强度；( b ) 碳酸 化作用：氢氧化钙和氢氧化镁在土中还会不断和空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙和碳 酸镁坚硬的固体颗粒，具有较高的强度和水稳定性，由于碳酸钙对土体的胶结作用使得 土体加固，形成石灰稳定土。经过相当长化学作用，更体现出石灰土的后期强度；( c ) 凝 胶反应( 又称火山灰作用) ：在进行离子交换反应的后期，随龄期增长，膨胀土中的硅胶、 铝胶将与石灰进一步反应形成含水硅酸钙、铝酸钙，这两种凝胶能够在水环境下发生硬 化，在膨胀土的粘粒外围形成稳定的保护膜，具有很强的粘结力，形成网状结构，使灰 土强度增长，并保持长期的稳定。同时保护膜还能起到隔离水分的作用，使膨胀土获得 水稳定性；( d ) 结晶作用：石灰掺入膨胀土中后，溶解度很小，除了离子交换和碳酸化作用 外，绝大部分以氢氧化钙结晶水的形式析出，进一步提高了膨胀土的强度和水稳定性【5 9 1 。 a 1 m h a i d i b 等的研究表明，固化膨胀土的石灰掺量有一个最佳范围，针对不同膨胀 土参数得出石灰的最佳掺量不同。膨胀土中掺2 ( 质量分数，下同) 石灰对膨胀性能改 善最为有效，超过2 对膨胀性有可能起反作用；但根据塑性指数和p h 值变化来看，最 佳掺量应大于4 ；根据无侧限抗压强度实验，最佳掺量应大于8 唧】。 b 水泥类改良剂 水泥对膨胀土的固化，主要有以下几个方面的作用：( a ) 水泥水化反应产生的c s h 和洲日凝胶，附着在土颗粒表面，具有较强的胶结力，并形成了c a 徊唧2 ；( b ) c 矿+ 与 土颗粒表面吸附离子发生阳离子交换反应，使土颗粒亲水性能降低和团粒化，增加膨胀 土的水稳定性；( c ) c ，+ 、凹渗透进入土颗粒内部，与粘土矿物发生物理化学反应，继 续生成上述胶凝物质，可减少亲水粘土矿物的含量，并提高土颗粒间的连接强度。 许多研究表明，随着水泥掺量增加，固化膨胀土强度有一定增加。但因水泥水化反 应的体积缩减和水化作用消耗粘粒吸附水而引起干燥收缩，当水泥掺量超过6 时，稳定 土的裂缝将显著增加。随着水泥的掺量增加，稳定土的收缩性能变差，而且固化土的经 济成本直线上升，因此考虑固化效果和经济成本，固化膨胀土的水泥掺量一般在4 1 0 之间【6 。 c 工业废渣类改良剂 粉煤灰、矿渣等工业废渣配合石灰、水泥也常被用来固化膨胀土，由于工业废渣在石 灰、水泥水化的碱性环境中具有潜在水化活性，人们从经济和环保角度出发，用其来固 化、稳定土体其固化机理与石灰类、水泥类固化剂类似。用工业废渣加固膨胀土，最大 的优点是比较经济和环保，但其早期强度不高，而且通常需要较大的掺量。机理如下： 粉煤灰是燃煤电厂排出的一种工业废料，属于富含粘土矿物的硅质材料，由多种氧 化物组成，一般粉煤灰的化学成分主要为s i 0 2 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 、c a o 、m g o ，前3 种成 分的含量一般占7 0 以上。粉煤灰加入膨胀土中也发生离子交换和团粒化作用、碳酸化 7 河海大学硕士学位论文 作用、胶凝作用等。石灰和膨胀土的胶凝反应进行较慢，早期强度不高，而粉煤灰含有 大量活性s i 0 2 和a 1 2 0 3 ，在石灰存在的情况下，水化生成胶凝性物质( 水化硅酸钙和水化 铝酸钙) ，胶结膨胀土颗粒，膨胀土颗粒形成网状连接，早期强度提高。石灰和粉煤灰混 合治理膨胀土，能发挥各自的特点，使膨胀土的早期强度提高，后期强度稳步增长。石 灰、粉煤灰混合料改良膨胀土，早期主要发生离子交换和团粒化作用，减薄了土粒吸附 水膜的厚度，使土体塑性降低，最大干密度减小，最佳含水率增大，促使较大的土团粒 进一步联合，土粒之间形成较强的联结。 2 有机类改良剂 a 有机高分子改良剂 有机高分子化合物是利用有机聚合物的聚合反应实现对土的固化增强，常用的此类 改良剂有丙烯酸盐系列、聚液态丁二烯等。有机高分子类改良剂由于聚合物与土颗粒中 粘土矿物一般不发生反应，其固化膨胀土的作用主要是在土中进行聚合反应，经过链的 引发、链的增长等过程，使液状丙烯酸盐聚合成不溶于水的网状高分子凝胶体，这样土 颗粒就被强度高、有塑性的链包围，形成一个空间网，形成土颗粒一聚合物一土颗粒的 结构，这一结构可提高土颗粒间连结强度，使土体具有较高强度和变形率，表现为土的 抗拉、抗剪和单轴抗压强度提高【6 2 j 。有机类固化剂由于聚合物与土颗粒中粘土矿物化学 反应程度一般都较低，其固化膨胀土的作用主要是通过包裹、机械啮合等物理作用来提 高土颗粒间的粘接作用，因此在减少土的膨胀性较增加土的强度方面作用要小。所本文 选择研究的一种改良剂c p a m 即为此类型改良剂。 b 表面活性剂改良剂 表面活性剂作为一种新兴的改良材料与前面提到的各种改良剂比起来有较大的优 势。主要表现在其改良效率高，施加方便，旌工比较简单，而且改良周期较短，能缩短 施工时间，节省施工成本，再者大部分的表面活性剂都是无毒性的，也很环保。现在国 内外很多学者都开始做以表面活性剂作土壤固化剂的研发工作并已初有成效1 6 引。一般来 说对表面活性剂的作用认识是：当表面活性剂与土体混合后，其亲水头溶解在粘土矿物 表面的吸附水层中，与其表面的金属阳离子结合，这种结合力是很大的。表面活性剂与 粘土矿物的这种结合产生了以下结果：原来有很大活动性的金属阳离子现在被束缚在原 位，这也阻止了离子与水结合成可溶体。而一旦油分子与粘土颗粒结合，其溶于油的疏 水尾就被从颗粒表面上排出而围绕着粘土颗粒或在粘土层间形成一个油性层。这样，土 壤中的水就被疏水尾排挤，以至于无需多大的机械力就可将其排出。但由于其众多的分 类及复杂的作用机理，人们对此类改良剂的认识很不十分清晰，这也是本文研究的一个 主要方向。 1 3 3 目前膨胀土改良处理技术存在的问题 随着地基处理工程实践和发展，使得人们在对土体的工程性质进行改造的同时，也 推动了土体改良处理技术方法的不断进步。特别是在最近几十年，随着我国工程建设规 8 第一章绪论 模的日益扩大，也遇到越来越多的膨胀土问题，在对其进行改良处理的过程中，碰到了 不少的实际问题。从国内外的报道及膨胀土改良技术在工程的应用情况来看，其改良技 术还主要存在着以下几个问题： ( 1 ) 实践证明，没有任何一种膨胀土改良技术是万能的。对于每一个具体工程都要 根据其实际土质条件，工程要求，施工方式等要求来选择针对的改良方法。每一种改良 方法都有其使用范围和局限性，所以选择合适的改良材料是非常重要的。 ( 2 ) 根据工程经济性的要求，我们在对土体进行改良时除了要考虑到适用性，最应 该考虑的就是成本问题。在保证安全的前提下，选择经济实惠的改良材料就显得特别重 要。 ( 3 ) 在当前社会飞速发展的阶段，每一个工程都希望能提前竣工，缩短工期已经十 分普遍，因此选择合理的处理方法，在短时间内对膨胀土进行改良也是目前膨胀土改良 技术中急需解决的问题。 1 4 本文研究背景及主要工作 1 4 1 本文研究背景 南水北调东线工程的基本任务是从长江下游调水，向黄淮海平原东部和山东半岛补 充水源，与南水北调中线、西线一起，共同解决我国北方地区水资源紧缺问题。第一期 工程调水线路总长1 4 6 6 2 4 蛔，其中长江至东平湖1 0 4 5 2 3 l ，黄河以北1 7 3 4 9 h ，胶 东输水干线2 3 9 6 5 k m ，穿黄河段7 8 7 l 锄。东线工程供水区以黄河为脊背，分别向南北两 侧倾斜。东平湖是东线工程最高点，与长江引水口水位差约4 0 m 。第一期工程从长江至 东平湖设1 3 个调水梯级，2 2 处泵站枢纽，3 4 座泵站，其中利用江苏省南水北调工程现 有6 处1 3 座泵站，新建2 l 座泵站。 在新建泵站工程中，根据已有勘探资料，泗洪站、邳州站、刘老涧二站等三座泵站 位于膨胀土地区。存在以下几个方面的基本问题。 ( 1 ) 膨胀土地基问题 泗洪站错误! 未找到引用源。层粘土为膨胀土，可能位于泵站底板下( 三岔河站址) ， 也可能直接与泵站基础接触( 新河站址) 。膨胀土层错误l 未找到引用源。下伏错误! 未 找到引用源。层中存在承压水层，承压水位1 2 9 m 。该承压水易透过错误! 未找到引用 源。层土中的礓石裂隙突涌。 当建筑物基础直接与膨胀土层接触时，若基础建基面位于地下水位以上，由于水位 的季节性变化，土体体积和强度不断发生变化，建筑物发生反复升降变形甚至开裂。当 建筑物基础位于地下水位以下时，膨胀土地基的影响主要在施工期，表现为裂隙渗水和 土体结构破坏的泥浆化，影响施工。 ( 2 ) 使用膨胀土作为填土的问题 邳州站场地主要是存在用膨胀土作为回填土的改良问题。膨胀土素土作为回填土时， 9 河海大学硕士学位论文 因其干密度与含水率关系非常密切，压实很困难，压实质量很难控制。在运行过程中， 含水率增加时，土体极易产生膨胀变形，含水率降低时，土体中会产生干缩裂隙，使土 体渗透性发生变化，若外界有水，极易进入。干缩裂隙的扩展，对堤防防渗结构的连续 性破坏极大。 ( 3 ) 膨胀土边坡稳定问题 刘老涧二站场地普遍分布有中弱膨胀性老粘土，对施工控制带来影响，泵站上、 下游引河河底开挖涉及到错误! 未找到引用源。、错误! 未找到引用源。、错误! 未找到 引用源。层土，错误! 未找到引用源。层土位于河水冲刷线上下，具有弱膨胀性，对边 坡防护提出挑战。邳州站的刘集南闸底板高程1 3 7 m ，分布有第错误! 未找到引用源。 层含礓石膨胀土。基坑开挖深度1 2 m ，基坑边坡中有膨胀土和中砂层承压水问题，对边 坡稳定极为不利。 因此本文对泵站工程建设中遇到的膨胀土问题进行了室内试验研究，为泵站设计和 现场施工提供了依据。 1 4 2 本文研究的主要内容 结合当前化学改良膨胀土的研究现状和所存在的问题，本文以室内试验研究为主要 手段，主要研究工作集中在以下几个方面： ( 1 ) 根据对膨胀土的内在膨胀机理及改良剂与土的相互作用等方面进行研究分析， 在前人研究成果的基础上，综合现有国内外资料，对不同改良土进行了初步试验。以液 塑限和自由膨胀率为衡量标准，选择出合适的膨胀土改良剂。 ( 2 ) 制作不同掺量和龄期的改良土，以液塑限和自由膨胀率为衡量标准，找出合理 的改良剂掺量和龄期。 ( 3 ) 通过室内试验对各种改良土进行物理力学性能测定并与未改良的原土样进行对 比，主要着眼于改良前后膨胀土渗透特性，胀缩特性，强度特性以及不同干湿循环次数 后改良土体变形和强度的变化情况。 ( 4 ) 采用一维土柱渗透改良试验，模拟研究了改良剂溶液对天然膨胀土边坡的改良 情况，并对其适用性进行了探讨。 ( 5 ) 对改良土进行扫描电镜试验，研究了改良土在微观结构上的变化情况，并在土 的微观结构层面上分析了改良剂对膨胀土的改良机理。 i o 第二章膨胀十改良室内试验研究 第二章膨胀土改良室内试验研究 由于边坡暴露于自然环境中受到大气影响和膨胀土自身的胀缩特性，使得膨胀土边 坡破坏经常发生。膨胀土边坡的稳定问题日益成为渠道工程，公路工程中难以解决的问 题。为了减轻膨胀土在工程建设中带来的灾害，各国学者对膨胀土改性进行了研究，其 得到的处理膨胀土病害的基本方法是采用向膨胀土内添加石灰，粉煤灰，石渣碎等改性 材料岬j 。而这些方法一般只适用于填土治理，对于在处理大面积膨胀土地区，尤其是对 高路堤，高边坡等长大土工构筑物，无论是在治理方式上还是在技术和成本上都不合适。 为此本文在总结前人研究的基础上，参考国内外文献选取了几种改良剂，对其改良膨胀 土的性能进行对比试验研究，对改良前后土体性质的变化情况进行了分析说明，以期望 得到高效的新型改良材料，应用于工程实践。 2 1 膨胀土化学改良的基本思路 膨胀土主要是由粘粒和胶粒占大多数的土粒组成的多相分散体系，由于其具有高度 的分散性和极性，因此比表面积很大且具有很大的自由能，使得土粒胶体的吸附，水化， 凝聚，分散等一系列特点影响了土的整个性质，所以采用化学方法改良膨胀土的主要目 的就是运用化学，物理的手段来改变膨胀土颗粒的表面性质。 随着对膨胀土膨胀机理认识的不断深入，利用离子交换反应的化学改良作为一种新 兴的改良方式渐趋流行。膨胀土对工程最不利之处在于其水稳定性极差，其性质随含水 率变化强烈变动，胀缩变形剧烈。一方面由于水分的入侵在颗粒中起到润滑作用，一部 分胶结物质被水溶解，导致土颗粒问粘结力进一步减弱。另一方面，随着双电层形成不 断增厚的结合水膜导致土粒间距离增加，粘结力减弱。因此，膨胀土改良的主要目的在 于改良膨胀土的水稳定性1 5 圳。 影响膨胀土水稳定性的因素主要有土颗粒的分散程度，土体的矿物成分，土中胶结 物的性质和含量，以及土体的密实程度等。从以上分析可以得出膨胀土改良的几种思路： 1 通过物理压实方法减少水分入渗通道，同时将过多自由水用过密实过程排出土体； 2 针对土颗粒表面集聚负电荷的现象，补偿多余的电荷，减小土颗粒表面与水强烈作 用形成的双电层和结合水膜厚度，降低其吸湿能力和膨胀能力； 3 通过添加化学改良剂，产生化学反应降低土颗粒分散程度，使土粒能相聚集成结构 较为坚强的絮凝结构，从而降低土的比表面积，减小土粒与水分的接触面积； 4 通过化学反应，加强土颗粒间的连系，在土体中形成比较坚固的空间网状结构，增 加土体的结构强度和抵抗水分入侵的能力。 同时根据土颗粒胶体化学理论，对于同一类土来说有以下几种因素影响着双电层厚 度： 河海大学硕士学位论文 ( 1 ) 离子浓度：随着离子浓度的增加，扩散层被压缩，部分反离子从扩散层进入到 吸附层中，使得扩散层变薄，f 电位降低； ( 2 ) 离子电价及水化程度：高价离子由于携带更多的正电荷，使得与土颗粒表面的库 伦引力和吸附能力增强，故扩散层厚度薄，比低价离子更容易吸附；同价离子半径小的 水化程度高，吸附强度小。当几种离子共同存在的时候，吸附强度高的离子往往能够取 代强度低的离子，表现出其交换能力强； ( 3 ) 温度和介电常数的影响：通常认为它们的作用相互抵消，对双电层影响不大； ( 4 ) 溶液p h 值：对于土来说p h 值越大，胶粒的负电荷越多，因而电位很高，双电