膨胀土膨胀性试验研究毕业设计.doc

膨胀土膨胀性试验研究毕业设计第1章 绪论41.1膨胀土的特性及分布特点41.2膨胀土问题研究现状51.3 问题的提出、目的和意义71.4 论文研究的主要内容8第2章 试样的基础实验和制备102.1取样区地质背景102.1.1地形地貌102.1.2地层岩性102.1.3地质构造112.1.4气象水文条件122.2试样基础实验132.2.1原状土物理性质实验132.2.2界限含水率实验142.2.3 自由膨胀率实验162.2.4 击实实验172.3本章小结18第3章 初始含水率对膨胀土膨胀性影响的实验研究203.1初始含水率对膨胀率的影响规律203.1.1实验说明及试样制备203.1.2实验步骤203.1.3实验数据213.1.4 结论分析303.2初始含水率对膨胀力的影响规律313.2.1实验说明313.2.2实验步骤323.2.3实验数据323.2.4结论分析383.3本章小结39第4章 吸水过程对膨胀土膨胀性影响的实验研究404.1膨胀土吸水过程膨胀率随着吸水率的变化规律404.1.1实验说明404.1.2实验步骤404.1.3实验数据414.1.4实验结论424.2膨胀土吸水过程膨胀力随着吸水率的变化规律424.2.1实验说明424.2.2实验步骤424.2.3实验数据434.2.4实验结论464.3本章小结46第5章 轴向应力对膨胀土膨胀性影响的实验研究485.1相对膨胀率实验研究485.1.1实验说明485.1.2实验步骤485.1.3实验数据495.1.4实验结论505.2膨胀率实验研究525.1.1实验说明525.2.2实验步骤525.2.3实验数据525.2.4实验结论555.3本章小结58结论59参考文献61第1章 绪论1.1膨胀土的特性及分布特点膨胀土是一种非饱和的、结构不稳定的区域性特殊土，其粘粒成分主要由强 亲水性矿物蒙脱石、伊利石组成，具有显著的湿胀干缩和反复湿胀干缩性质，湿 度变化时有较大体积变化，变形受约束时产生较大内应力，并具有多裂隙性、超 固结性及强度衰减性等特殊性质。世界范围内对于膨胀土的定义不一，我国在国家标准膨胀土地区建筑技术规范(GBJ112-87)(以下简称膨胀土规范)中对膨胀土作如下定义1:土中粘粒成分主要由亲水矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特征的粘性土。根据工程地质特征及土的自由膨胀率等指标综合分析，膨胀土一般具有以下 特征:(1)裂隙发育，常有光滑面与擦痕，有的裂隙中充填灰白色、灰绿色粘土， 在自然条件下下呈硬塑状态;(2)多出露于二级或二级以上阶地、山前丘陵和盆 地边缘，地形平缓，无明显自然陡坎;(3)常见浅层滑坡、地裂、新开挖槽壁易 发生坍塌等;(4)建筑物裂缝随气候变化而张开或闭合;(5)自由膨胀率大于或 等于40。具备这些条件的土一般即可判定为膨胀土5.膨胀土在世界范围内分布非常广泛，迄今己经发现在世界上六大洲的40多个国家都有不同程度的膨胀土分布2、3。我国是世界上膨胀土分布最广、面积最大的国家之一，在我国膨胀土主要分布于华中、华南和西南地区，区域人口超过三亿。在广西、云南、湖北、河南、安徽、四川、河北、山东、陕西、江苏、贵州和广东等20多个省、自治区、直辖市膨胀土均有不同范围的分布，总面积在10万以上，其中以湖北、河南、云南、广西的一些地区最为发育4。我国二十几个省区的资料，膨胀土多分布在二级及二级以上的河谷阶地、山前、盆地边缘和丘陵地带，在山地表现为低丘缓坡，在平原地带表现为地面龟裂、沟槽、无直立边坡。也有个别分布在一级阶地上，呈龙岗一丘陵与浅而宽的沟谷，地形坡度平缓，无明显的自然陡坡，具有典型的垄岗式地貌。在流水作用下的水沟水渠，常易崩塌、滑动而淤塞4膨胀土以沉积建造环境和母岩风化改造作用作为分类依据，其成因可概括为五种类型5，即湖相沉积膨胀土、河流相沉积膨胀土(冲积膨胀土、洪积膨胀土、冰水沉积膨胀土)、残坡积膨胀土、海相沉积膨胀土、火山灰沉积膨胀土。不同类型的膨胀土由于来源母岩不同，成土环境各异，因此往往具有不同的物质成分和裂隙结构面形态，并具有分带性和分区性，膨胀土的微结构特征也随母岩与地质成因的不同而各异。1.2膨胀土问题研究现状 过去人们对于膨胀土的了解和认识较少，由于其在天然状态下具有较好的工程性质，土体坚硬，强度较高，变形较小，往往认为其是一种很好的天然地基土。虽然有许多膨胀地基土上的建筑物，尤其是轻型建筑物发生了不同程度的开裂等问题，但这些建筑物损坏的原因往往被归咎于施工质量问题或基础的不均匀沉降，而没有考虑到膨胀土浸水膨胀、失水收缩特性对上部结构的影响。 1938年，美国开垦局在奥勒冈州欧维希的一座钢制虹吸管基础工程中首次认识到了膨胀土问题的存在3。自那时起，工程技术人员开始认识到，建筑物的损坏除了由于沉降造成的以外，有时还会存在其它原因。此后，随着地上板结构的日益广泛使用，由膨胀土造成的建筑物物损坏进一步增多。随后的几十年中，又有近二十个国家和地区提出了有关膨胀土问题造成危害的报告，膨胀土对工程建设的危害开始引起全世界范围内的广泛关注，其中以加拿大、澳大利亚、南非、以色列、印度、中国及美国等国尤为突出。自二十世纪四十年代起，膨胀土问匙迩釉引起世界池围内竿木界和土程界广泛重视，在上世纪六十年代之后，成为世界性的重要研究课题2,3 。 1965年，首届世界膨胀土学术会议在美国召开，之后每4年一届8、9l。除此以外，国际工程地质大会、国际土力学及基础工程大会等许多岩土工程方面的国际会议都将膨胀土工程问题列为其重要的议题。英国、前苏联、美国、日本和罗马尼亚等国都先后组织专家学者，对膨胀土的工程性质进行专门研究，并制定有关规范，充分反映了世界各国对膨胀土工程问题的高度重视及采取的科学态度。 我国关于膨胀土的研究工作开展至今，已在其各个方面取得了很多有价值的研究成果，主要包括以下研究方向:(1)膨胀土的矿物成分与其膨胀性的关系研究;(2)膨胀土的非饱和特性与计算模型研究;(3)膨胀土的胀缩性、超固结性、裂隙性以及强度衰减性研究;(4)降水入渗对土坡稳定性的影响研究等。在有关膨胀土的诸多特性研究中，其强度特征和变形特性作为指导相关工程设计、施工的关键性因素，更是长期受到学术界和工程界的广泛重视，一直是膨胀土研究工作的重点所在10。 在膨胀土的强度特性研究方面，专家学者们从不同角度出发作了大量的工作，并已取得了很多在理论上和工程上都具有意义的成果。 缪林昌等通过对宁夏膨胀土进行的常规等速直剪试验，研究了其含水量对于峰值稳定强度的影响，并总结出了膨胀土的含水量、粘聚力和内摩擦角之间的关系方程11;通过对不同干密度、吸力的非饱和重塑膨胀土进行三轴剪切试验，研究分析其应力应变硬化和软化和体变剪缩剪胀特性与土样内部的孔隙孔径大小及孔隙连通性的相关性，研究表明，低密度试样内部孔隙孔径较大且连通性较好，应力一应变曲线表现为硬化，体变呈剪缩性，当土样密度增大后逐步由硬化一剪缩向软化一剪胀转化12。 龚壁卫等对非饱和击实膨胀土的总应力强度进行探讨，对不同起始含水量和不同起始密度的击实膨胀土运用非饱和的固结快剪方法，进行了抗剪强度的试验研究，研究了非饱和膨胀土在总应力状态下的抗剪强度特性。认为总应力强度随着干密度的增大和含水量的减少而变大，含水量的变化对于内摩擦角影响较小，而对于凝聚力影响较大13。 温国炫等认为膨胀土的粘聚力与含水比之间有较为明显的关系，而与含水量、干容重、孔隙比等的直接关系不明显，膨胀土的内摩擦角与含水量、干容重及孔隙比之间均有一定的关系，其中孔隙比的关系较为密切14。 孔令伟等对湖北襄荆高速公路膨胀土的膨胀潜势等级、含水量与干密度对其加州承载比(CBR)值的影响规律进行了系统研究，获得不同含水量范围内膨胀土CBR值和干密度与压实度的经验相关公式，发现膨胀土的CBR值随其膨胀潜势等级、含水量、压实功变化的规律，CBR峰值对应的含水量大于最佳含水量，其差值随击实功的减小而减小15。丁振洲等根据对膨胀土增湿试验的研究，得出:前期增湿会引起较大的膨力，在达到一定程度后出现拐点，以后膨胀力的增加趋于缓慢且近于线性;换算膨胀力与初始含水率成非线性负相关关系。同时探讨了极限膨胀力影响因素，试验表明，不同含水率制备的相同干密度的土样的极限膨胀力随初始含水率的增大而减小16。 韩华强、陈生水利用常规直剪仪、三轴仪以及轻便固结仪，分别对非饱和膨胀土的强度和变形特性以及干湿循环对强度和变形的影响进行了一系列的试验研究，以饱和度、干湿循环次数为变量，分别探求了外力约束对膨胀土强度的影响，不同饱和度膨胀土的总应力强度特性，干湿循环对非饱和膨胀土总应力强度的影响，饱和度与压缩模量以及孔隙比的关系，干湿循环对饱和膨胀土有效应力强度指标的影响，广义吸力与饱和度的关系，并建议了一组计算非饱和膨胀土变形及强度特性的经验公式17。 膨胀土研究中的另一个重点问题是膨胀土的变形特性，尤其是含水量、压力等方面因素对于膨胀土的变形特性的影响，由于既具有重要的理论意义，又和工程实践密切相关，更是引起了专家学者们的广泛重视，一直是膨胀土研究的重要内容，前人在此方面也已做了大量工作，并取得了许多有意义的成果。 刘祖德、王园对击实膨胀土进行三向浸水变形研究，讨论了在三向应力状态下初始含水量对土样变形的影响，但没有考虑初始干密度和压力水平对变形特性的影响18。 沈珠江等应用非饱和土简化固结理论，用数值计算方法模拟了膨胀土渠道边坡在降水过程中孔隙压力变化和变形的发展过程，并且得到了得到在定性上和实际人工降雨试验观测一致的结果，但试验过程与天然降水情况有出入，且实验和计算的变形仅限于弹性范围内19。 李振等通过用压缩仪对不同起始密度及含水率的膨胀土进行分级和一次性浸水试验，得到了浸水路径、初始含水率、初始干密度、压力和加压方式对膨胀土变形影响的定性规律，但对于几种因素共同作用时的相互影响未加以考虑20。 丁振洲等通过试验方法研究了不同程度增湿对膨胀土变形的影响，证明无荷及有荷膨胀率均与增湿程度有关，且呈近似线性正相关关系，并给出了膨胀土增湿变形的一般性建议公式，但试验全部选取重塑膨胀土样进行，没有考虑到原状土与重塑土的差异性21。1.3 问题的提出、目的和意义 膨胀土在天然状态下常处于较坚硬状态，对气候和水文因素有较强的敏感性，这种敏感性对工程建筑物会产生严重的危害。膨胀土胀缩引起建筑物的破坏常常具有多次反复性和长期潜在的危险性，给人类造成灾害。美国工程界称膨胀土为隐藏的灾害”，“晴天一把刀，雨天一团糟”及“天晴张大嘴，雨后吐黄水”都是对膨胀土的真实写照22。膨胀土的这种显著胀缩特性使膨胀土地区的房屋建筑、铁路、公路、机场、水利工程等经常遭受巨大的破坏。修筑在典型膨胀土分布区的铁路、公路膨胀土路基常常是“逢堑必滑，有堤必坍”，而且这种破坏作用常具有多次反复性和长期潜在危害性。因此，有人称它为“工程中的癌症”。它给世界各国造成了巨大的经济损失。 据Jones和Holtz(1973)报导，仅在美国，“每年由于土的胀缩对房屋，道路和管线所造成的损害达23亿美元，比水灾，台风，龙卷风和地震所造成的损害加在一起还多一倍以上。”1980年，Krohn和Slosson估计，由于膨胀土对建筑物造成的危害，美国每年需要消费70亿美元。世界大多数国家都有膨胀土问题，如美国，澳大利亚，阿根廷，缅甸，中国，古巴，埃赛俄比亚，加纳，英国，印度，伊朗，以色列，肯尼亚，墨西哥，摩洛哥，南非，西班牙，土耳其和委内瑞拉等国都报导过他们遇到的膨胀土问题。据统计每年膨胀土给全球带来的经济损失估计达15亿美元以上6。综上所述，膨胀土问题是全球性的共同课题，其分布之广，灾害的损失，是今人触目惊心的。对膨胀土的研究是必需的，也是必要的。1.4 论文研究的主要内容通过上述对重塑膨胀土的研究工作的总结，可以发现，膨胀土问题是岩土工程的“癌症”。其造成的损失巨大，处理的难度极高，费用极大。由于地区的差异，膨胀土形成过程的不一，其性质也变化不一。在找出其共性的基础上，仍有许多“个性”问题需要研究。不同类型的工程设施，膨胀上对其影响方式也不同，基于目前的研究现状和工程实际需要，本文从龙潭寺时代新城段膨胀土的试验研究出发，主要做以下两个方面的研究工作:(1)膨胀土的基本物理性质 通过室内常规试验得出龙潭寺时代新城段膨胀土的基本物理性质指标，如土粒比重、液限、塑限、塑性指数、自由膨胀率等，通过这些基本物理性质对膨胀土的工程特性作出初步判别，为下一步的研究工作提供前提和条件。(2)重塑膨胀土的不同因素对其膨胀性的影响 膨胀土吸水体积产生剧烈膨胀，这是膨胀土最本质的特性之一。从微观上讲，膨胀土吸水膨胀主要是由于水分子在膨胀土亲水矿物颗粒周围以及叠聚体周围产生具有一定排列方向的结合水膜，结合水膜加厚，使土颗粒距离增加，导致土体膨胀。然而，实际工程建设中，我们不可能准确地确定膨胀土体中水膜厚度的变化情况。但是我们可以在宏观方向上，从影响膨胀土工程膨胀变形的外部因素发，对膨胀土的膨胀变形进行有关测试，进行定量分析，总结膨胀变形规律，指导工程实践。基于这一目的，我们对龙潭寺膨胀土进行了大量的室内试验，分别讨论初始含水率、吸水率、轴向应力对膨胀土膨胀性的影响。寻找膨胀土膨胀变形特性，为今后膨胀土地区的工程建设提供合理的参数。第2章 试样的基础实验和制备2.1取样区地质背景2.1.1地形地貌拟建场地位于成都市成华区鹤林村，总体呈西高东低，孔口标高为499.88m511.92m，最大高差为12.04m。地貌单元属成都平原级阶地。2.1.2地层岩性据钻探揭露，场区上覆地层主要由第四系全新统人工填土层（Q4ml）、第四系湖积层（Q4l）、第四系中更新统冰水沉积层(Q2fgl)组成，下伏基岩由白垩系上统灌口组（K2g）泥岩组成。各层特征由上向下描述如下：（1-1）杂填土（Q4ml）：杂色，结构松散，以砖块、混凝土等建筑垃圾和生活垃圾为主，上部可见大量植物根系。层厚1.00m8.20m，回填年限约为5年。（1-2）素填土（Q4ml）：黄褐色、黑褐色、红褐色，稍湿，结构松散；以人工回填粘性土为主，局部地段为人工回填泥岩。表层含大量植物根茎，部分地段含少量砖瓦碎屑，层厚0.80m8.10m。（2）淤泥质粘土（Q4l）：褐灰深褐灰黑色，湿，土质较均，稍有光滑，干强度和韧性低，具臭味，含少量植物残体，为上层滞水长期淤塞存储侵染所致，仅局部地段有分布，土质变化大，上层滞水积水地段成流塑状（2#钻孔、55#钻孔、30#钻孔），其它地段成可塑软塑硬塑状，层厚0.50m6.00m。（3-1）粘土（Q2fgl）：褐色褐黄色、湿，硬塑。包含少量豆状铁锰结核，网状裂隙较发育，偶见陡倾角裂隙发育，隙面光滑，并充填灰白色高岭土，无摇振反应，有光泽，干强度高，韧性高。该层土在场地内普遍分布，厚度3.00m13.30m。（3-2）含卵石粘土（Q2fgl）：灰色褐色、湿，粘土呈可塑状，卵石粒径220cm，卵石含量约20%40%，卵石与粘土成半胶结状态，偶见充填灰白色高岭土；部分卵石呈风化碎块状，仅部分钻孔有揭露，厚度0.50m2.90m。（4）泥岩(K2g):紫红色红褐色，泥质结构，厚层状构造，成份主要为粘土矿物，分布连续，各钻孔均有揭露，根据其风化程度可为三个亚层：全风化层（4-1）：紫红色、红褐色；岩芯呈土状，遇水软化，手捏成泥，偶见灰白色泥质团块，层厚1.00m8.50m。强风化层（4-2）：紫红色、红褐色，裂隙较发育；岩芯多呈碎块状，短柱状，偶见灰白色泥质团块；风化裂隙发育，隙面见黑色侵染物充填，岩体破碎，遇水软化，手捏即碎，层厚2.00m8.20m。中等风化层（4-3）：紫红色红褐色，泥质结构，厚层状构造。岩体较完整，偶见陡倾角裂隙发育，隙面见黑色侵染物充填。岩芯多呈长柱状，岩芯一般长10cm30cm，最大揭露深度7.50m。2.1.3地质构造成都地区大地构造体系的西部为华夏系龙门山构造带；其东部是新华夏系龙泉山构造带；处于两构造单元间的成都平原北起安县、南至名山、西抵龙门山脉、东达龙泉山，惯称成都坳陷。龙门山滑脱逆冲推复构造带：经青川、都江堰至二郎山，绵亘达500余km，宽2540km。这是一个经历了多次强烈变动的、规模巨大的、结构异常复杂的北东向构造带。龙泉山褶断带：展布于中江、龙泉驿、仁寿一带，长约200km，宽15km左右。为一系列压扭性的逆（掩）断层组成，呈北东走向，构造形态狭而长，现今时期断裂活动标志少。成都坳陷与成都平原分布的范围基本一致。呈北东35方向展布，是一西陡东缓受“喜山期”两侧断裂对冲形成的构造盆地。“喜山运动”以来一直处于相对沉降，堆积了厚度不等的第四系（Q）松散地层，不整合于下覆白垩系（K）地层之上。基岩内发育有蒲江新津、磨盘山等断裂，构造线均沿北东方向延展。蒲江新津断裂南起蒲江，北过新津隐伏于第四系地层之下，深约5.5km，以北趋于消失，沿此断裂带的蒲江曾于1734年发生过5级地震。磨盘山断裂位于成都市区以北，自新都经磨盘山进入成都市区一环路北三段附近。从区域构造背景和地震活动性分析，磨盘山断层通过地区属不稳定的微活动区；沿此断裂带的新都曾于1971年发生过3.4级地震。成都地区在大地构造体系上位于华夏系龙门山隆起褶皱带和新华夏系龙泉山褶断带之间。该体系于印支运动早期以具雏形，印支晚期则已基本定形，进入喜山期只在此基础上进一步加剧其发展。老第三纪，青藏高原的上升，龙门山和龙泉山随着隆起，但地面高差不大。进入新第三纪差异运动不明显。早更新世，龙门山急剧抬升，龙泉山随着抬升，平原西侧坳陷形成，粗碎屑之卵砾石堆积其间。早更新世晚期至中更新世早期龙门山、龙泉山继续抬升，整个平原则普遍下沉。中更新世晚期，新构造运动变得剧烈而复杂起来。龙门山、龙泉山加速抬升过程中，原有的一些主干断裂继续加强活动，成都坳陷解体，东部边缘构造带和西部边缘构造带上升，局部成为台地，中央坳陷和边缘构造带的部分地段继续沉降，接受上更新统沉积。最终形成了成都地区现今的构造轮廓和地貌景观。总体来说，成都地区所处地壳为一稳定核块，东侧距龙泉山褶断带约20km，西侧距龙门山褶断带约50km，区内断裂构造和地震活动较微弱，自晚更新世至今，活动性大为减弱，趋于稳定，即或存在发生5.5级地震的地质构造背景，其基本烈度也不会超过7度。区域地质构造格局奠定了本区地形地貌的基本形态，同时也是确定本区抗震设防烈度为7度的主要依据。2.1.4气象水文条件气象成都地区位于亚热带暖湿季风气候区，终年温暖潮湿，四季分明，气候特征为春旱、夏热、秋雨、冬干，日照少，无霜期长，降雨集中在69月，降雨量约占全年的74.2%。据成都气象台的观测资料，成都市区的气候特征如下：(1)气温：多年平均气温值16.2，极端高温值为37.3，极端低温值为-5.9；(2)降水量：多年平均值为947.00mm，日最大值为195.20mm；蒸发量：多年平均值为1020.50mm；相对湿度：多年平均值为82%；多年平均日照时间：1228.30h；(3)风向、风速：多年平均风速值为1.35m/s，最大风速为14.8m/s；最多风向为NNE，出现频率为11%。水文根据区域水文地质资料和本次勘察揭露，场地地下水类型为上层滞水和基岩裂隙水。上层滞水，主要分布在场地填土层中，其动态特征受气候影响很大，地下水面随局部隔水层的起伏而变化，主要补给源为大气降水，具水位埋深不一、无统一地下水位、水量小、易疏干的特性。本次勘察期间时值平水期，各钻孔中测得的上层滞水的水位差异较大，埋深为1.807.60m，标高496.48504.44m，无统一地下水位。赋存于基岩层中的基岩裂隙水。该地下水一般埋藏在强风化泥岩及中等风化泥岩层内。主要受邻区地下水侧向补给，各地段富水性不一，无统一地下水位。水量主要受裂隙发育程度、连通性及隙面充填特征等因素的控制。2.2试样基础实验按照土工试验指导手册，试样基础试验主要包括原状土物理性质试验（天然含水率、天然密度、干密度）、界限含水率试验、自由膨胀率试验等。2.2.1原状土物理性质实验1.原状土的天然含水率实验采用烘干法。实验结果如表2-1表2-1 天然含水率实验成果红色纯白色黄色盒重(g)271.5 64.1 223.5 盒+湿土1322.6 527.7 1233.2 盒+干土1159.2 450.0 1040.6 干土887.7 385.9 817.1 水163.4 77.7 192.6 含水率18.41%20.13%23.57%可见，红色粘土的天然汗水量为18.41%，黄色粘土天然含水量23.57%。2.天然密度试验采用环刀法，通过对拍得的6个环刀土样进行密度试验，结果如表2-2表 2-2 天然密度试验粘土类型环刀质量（g）土样体积（cm3）环刀+土（g） 密度（g/cm3）干密度（g/cm3）红色粘土44.9460167.882.051.6544.7260165.892.021.6343.0360163.312.011.6243.0560164.642.031.63黄色粘土44.7260166.942.041.6443.0360163.842.011.62试验中，密度试验取值分布在平均值附近，故红色原状样天然密度取值=2.03/cm3,原状样干密度取值d=1.63g/cm3。故黄色原状样天然密度取值=2.02g/cm3,原状样干密度取值d=1.63g/cm3。2.2.2界限含水率实验土从泥泞到坚硬经历了几个不同的物理状态。含水量很大时土就成为泥浆，是一种粘滞流动的液体，成为流动状态；含水量逐渐减少时，粘滞流动的特点渐渐消失而出现塑性。当含水量继续减少时，则发现土的可塑性逐渐消失，从可塑状态变为半固体状态。当含水量很小时，土的体积不再随含水量的减少而减小了，这中状态称为固体状态。从一种状态变到另一种状态的分界点称为界限含水率。土的界限含水量是反映土颗粒与水之间相互作用的灵敏指标之一，在一定程度上反映。界限含水量与土的颗粒组成、粘土矿物成分、阳离子交换性能、土的分散度和比表面积、以及水溶液的性质等都有着十分密切的关系。界限含水量对于粘性土的分类和工程性质的评价具有重要意义。土由可塑状态转到流动状态的界限含水量称为液限(WL，也称塑性上限含水量或流限)，土由半固态转到可塑状态的界限含水量称为塑限(WP，也称塑性下限含水量)。一般来说，由于膨胀土是具有高塑性的粘性土，液限越高，则土的膨胀潜势就越大。 本文采用锥式液限仪测定膨胀土试样的液限，其塑限采用搓条法进行测定。 土处在可塑状态的含水量变化范围，即液限和塑限的差值(省去百分号)称为塑性指数(IP): IP= WL一WP （2-1） 塑性指数越大，土处于可塑状态的含水量范围越大，土的塑性就越强。一般来说，土的颗粒越细，且细颗粒(粘粒)含量越高，则其比表面和可能的结合水含量就越高，塑性指数也随之增大。因此，塑性指数在一定程度上综合反映了影响粘土特征的各种重要因素，在工程上常按对粘性土进行分类。建筑地基基础设计规范(GBJ7-89)中规定，粘性土按照其塑性指数值不同可划分为粘土、粉质粘土和粉土三类。 表2-3 粘性土按塑性指数分类土的名称粉土粉质粘土粘土塑性指数3IP101017实验结果如表2-4表2-4 界限含水率实验土类型液限含水率塑限含水率wp塑性指数Ip黄色土0.420.1923红色土0.430.2122黑色土0.340.2113注:确定IP时，液限以76克圆锥仪沉入土样中深度10mm为准。 由表2-4可知，黄色膨胀土和红色膨胀土塑性指数IP分别为23和22，大于17，故黄色膨胀土和红色膨胀土按塑性指数分类属于粘土，具有较强的塑性。粘性土的天然含水量和塑限的差值与塑性指数之比称为液性指数ILIL= （2-2）液性指数可以用来表示粘性土所处的软硬状态，液性指数值越大，则土质越软，液性指数值越大，则土质越硬。建筑地基基础设计规范(GBJ7一89)中规定，粘性土按照其液性指数值不同可划分为坚硬、硬塑、可塑、软塑、流塑五种软硬状态 表2-5 粘性土软硬状态的划分状态坚硬硬塑可塑软塑流塑液性指数IL00 IL0.250.25 IL0.750.751.0由实验结果可知，此红色膨胀土液性指数为-0.14，故该膨胀土处于坚硬状态。黄色膨胀土液性指数为0.13，处于硬塑状态。2.2.3 自由膨胀率实验膨胀土的自由膨胀率(ef)是指将膨胀土样经过粉碎风干后，一定体积的松散土粒浸泡于水中，在没有任何限制条件下经充分吸水膨胀后产生自由膨胀，体积增大，试样膨胀稳定后所增加的体积与初始体积的百分比。研究表明:自由膨胀率能够较好的反映土中的粘土矿物成分、颗粒组成、化学成分和交换阳离子性质等基本特征。土中的蒙脱石矿物越多，小于0.002的粘粒在土中所占分量较多，且吸附有较为活泼的钾、钠等阳离子时，土体内部积蓄的膨胀潜势则越强，自由膨胀率就越大，土体所表现出的胀缩性就越强。调查表明；自由膨胀率较小的膨胀土其膨胀潜势较弱，其上建筑物损坏程度较轻微；自由膨胀率高的土其膨胀潜势较强，其上建筑物损坏程度较严重。试验步骤，本试验按照膨胀土地区建筑技术规范（GBJ112-87）操作。1用四分对角法取代表性风干土约 碾细全部过0.05mm筛 ；2将过筛的试样拌匀 在100105下烘至恒重 在干燥器内冷却至温；3将无颈漏斗放在支架上 漏斗下口对准量土杯中心并保持距离；4用取土匙取适量试样倒入漏斗中，要求两次称量的差值不得大于0.1g；5、在量筒内注入30ml纯水并加入5ml浓度为5%的纯氯化钠溶液，将试样倒入量筒内，用搅拌器搅拌悬液，上近液面，下至筒底，上下搅拌各10次，用纯水清洗搅拌器及量筒壁，使悬液达50ml。6读数，直至两次读数差值不大于0.2ml，可认为膨胀稳定。7重复上述步骤，做第二组试验自由膨胀率按照下式进行计算:ef =100% （2-3）式中:Vo一试样原有的体积(即量土杯的体积)，10mL; Vw_膨胀稳定后测得的量筒内试样的体积，mL根据膨胀土地区建筑技术规范（GBJ112-87），膨胀土的膨胀潜势，可按下表2-6分类。表2-6 膨胀土的膨胀势分类自由膨胀率（%）膨胀潜势40ef60弱60ef90中ef90强试验结果见表2-7表2-7 自由膨胀类试验土类型膨胀前体积（ml）膨胀后体积（ml）自由膨胀率（%）红色粘土1015.353黄色粘土101550黑色粘土1014.343红色膨胀土和黄色膨胀土自由膨胀率为分别为53%和50%，膨胀潜势属于弱膨胀土。2.2.4 击实实验击实试验是测定试样在标准击实功作用下含水率与干密度之间的关系，从而确定该试样的最优含水率和最大干密度。实验数据如表2-8表2-8击实试验结果红色土预设含水率0.160.10.20.220.24含水率0.150.1810.1960.2150.2316干密g/cm31.691.731.711.681.54黄色土预设含水率0.170.190.210.230.25实测含水率0.16660.1830.21560.2370.2427干密g/cm31.541.571.621.601.59红色粘土干密度和含水率变化如图2-1图2-1红色土干密度含水率变化曲线由图2-1可以知道红色膨胀土最大干密度为1.73g/cm3, ，最优含水率18.2%。黄色粘土干密度和含水率变化如图2-2图2-2黄色土干密度含水率曲线由图2-2可以知道黄色膨胀土最大干密度为1.62g/cm3, ，最优含水率为21%。2.3本章小结本章描述了龙潭寺时代新城段膨胀土路段的地形、地貌、水文、气候等特征，并通过室内土工试验，得到黄色粘土、红色粘土的物理指标。1 原状土的基本物理性指标如下表2-9，2-10；表2-9 黄色粘土物理指标天然含水率%密度g/cm3干密度g/cm3液限塑限塑性指数液性指数23.752.021.630.420.19230.13表2-10红色粘土物理指标天然含水率%密度g/cm3干密度g/cm3液限塑限塑性指数液性指数18.412.031.630.430.2122-0.14 2该膨胀土按塑性指数分类属于粘土，具有较强的塑性，其中黄色粘土在天然含水量下处于硬塑状态，红色粘土处于坚硬状态。 3黄色膨胀土和红色膨胀土的自由膨胀率分别为50%和53%，属于弱膨胀土。4红色膨胀土最大干密度为1.73g/cm3, ，最优含水率为18.2%；黄色膨胀土最大干密度为1.62g/cm3，最优含水率为21%。第3章 初始含水率对膨胀土膨胀性影响的实验研究3.1初始含水率对膨胀率的影响规律3.1.1实验说明及试样制备膨胀土的侧限膨胀率主要受轴向荷载、初始含水率与初始干密度的影响，初始含水率是指土中水的质量与土体颗粒质量的比值，常以百分率表示。对于膨胀土而言，膨胀收缩均与含水率相关。由于受气候条件地质环境或工程环境的影响，土体水分常有变化，试验中控制土样的干密度一定，采用无荷载膨胀率试验方法，使对膨胀土侧限膨胀率的影响因素只有初始含水率一个。在本次实验过程中，对于红色膨胀土和黄色膨胀土试样，试样的干密度制定为1.5g/cm3。预设含水率都为16%，19%，22%，25%，28%五组，每个含水率坐两组平行实验，总计有20组实验。 试样的制作过程：1将从龙潭寺取来的原状土晒干，用木碾碾碎，过2mm筛。2 将得到的土样置于105度左右烘箱中烘干8小时。3 称取烘干后的土1000g，按所要配置的预设含水率计算要加入的水量。4将土均匀铺在不透水的容器内，向土中均匀加入水，同时不断搅拌让它们充分接触，直到完全均匀。5将得到的土装入盛土容器内盖紧，润湿24小时。即得到所需的红色和黄色含水率分别为16%, 19%, 22%, 25%，28%的试验土样。3.1.2实验步骤1.仪器设备(1)仪器：固结仪(2)环刀:内径61.8mm，高20mm;(3)天平：量程500g,分度值0.01g;(4)其他：吸水球，切土刀等。2实验操作1在环刀内壁涂一薄层凡士林,切取原状土试样或所需状态的击实试样,修平两端称刀和土的总质量,准确至0.1g，并测定试验前的含水率密度及计算孔隙比。2将烘干冷却的透水板埋置于切削下的余土内1h取出刷尽后放入仪器中。将环刀套上接环钝口端用压环固定在底座上，使试样底面与透水板顶面密贴。然后一起放入水盒中将有孔活塞板轻轻放在试样的顶面，对准活塞中心安装百分表并记下初读数。3在水盒中注入纯水，使水自下而上注入试样，并保持试样低于水面5mm，注水后，每隔两小时测记百分表读数一次，直至两次读数不超过0.01mm。4实验完毕后，吸取容器中的水，从环刀内推出试样，陈其质量，并烘干称其干质量，计算膨胀后含水率。3实验结果按下式计算： （3-1）VH-一时间t的无荷载膨胀率%计算至0.1%Rt一时间t时的百分表读数mmR0一试验开始时百分表读数mmH0一试验原始高度mm3.1.3实验数据原始实验数据如表3-13-10表3-1黄色粘土预设含水率16%土类型黄色膨胀土1#土类型黄色膨胀土2#初始含水率16.58%膨胀率%19.8初始含水率16.58%膨胀率%20.1干密度1.5最终含水率43.47%干密度1.50最终含水率41.81%经过时间(h)位移计读数（mm）位移量（mm)膨胀率%经过时间h位移计读数（mm）位移量（mm)膨胀率%0.00 2.000 0.000 0.000 0.0000 2.000 0.000 0.000 0.0158 2.500 0.500 2.500 0.0139 2.500 0.500 2.500 0.0431 2.850 0.850 4.250 0.0167 2.600 0.600 3.000 0.0778 3.150 1.150 5.750 0.0583 3.000 1.000 5.000 0.1517 3.600 1.600 8.000 0.1192 3.350 1.350 6.750 0.2475 4.000 2.000 10.000 0.2303 3.850 1.850 9.250 0.4097 4.400 2.400 12.000 0.3653 4.200 2.200 11.000 1.1603 4.870 2.870 14.350 0.4908 4.420 2.420 12.100 1.9603 5.060 3.060 15.300 1.1500 4.828 2.828 14.140 12.576 5.610 3.610 18.050 2.4167 5.170 3.170 15.850 14.476 5.640 3.640 18.200 5.4500 5.445 3.445 17.225 15.676 5.660 3.660 18.300 8.0167 5.558 3.558 17.790 17.8935.692 3.692 18.460 18.516 5.765 3.765 18.825 21.310 5.730 3.730 18.650 20.883 5.790 3.790 18.950 23.2105.750 3.750 18.750 22.983 5.820 3.820 19.100 25.560 5.771 3.771 18.855 25.266 5.845 3.845 19.225 36.926 5.855 3.855 19.275 31.050 5.890 3.890 19.450 39.126 5.870 3.870 19.350 41.583 5.959 3.959 19.795 41.826 5.890 3.890 19.450 47.8836.000 4.000 20.000 46.176 5.915 3.915 19.575 49.883 6.011 4.011 20.055 48.343 5.925 3.925 19.625 52.050 6.020 4.020 20.100 49.210 5.930 3.930 19.650 54.33360.043 5.960 3.960 19.800 表3-2黄色粘土预设含水率19%土类型黄色膨胀土1#土类型黄色膨胀土2#初始含水率19.67%膨胀率16.10 初始含水率19.67%膨胀率15.55 干密度1.501 最终含水率39.16%干密度1.498 最终含水率38.66%经过时间位移计读数（mm）位移量（mm)膨胀率%经过时间h位移计读数（mm）位移量（mm)膨胀率%0.0000 2.000 0.000 0.00 0.0000 2.000 0.000 0.00 0.0167 2.400 0.400 2.00 0.0225 2.550 0.550 2.75 0.0261 2.500 0.500 2.50 0.0589 2.950 0.950 4.75 0.0539 2.710 0.710 3.55 0.0819 3.250 1.250 6.25 0.1061 3.000 1.000 5.00 0.2181 3.750 1.750 8.75 0.1539 3.200 1.200 6.00 0.3069 3.930 1.930 9.65 0.2808 3.600 1.600 8.00 0.3592 4.000 2.000 10.00 0.4161 4.080 2.080 10.40 0.9189 4.310 2.310 11.55 1.1667 4.295 2.295 11.48 1.5189 4.450 2.450 12.25 1.9667 4.455 2.455 12.28 2.5856 4.565 2.565 12.83 12.583 4.895 2.895 14.48 13.0356 4.873 2.873 14.37 14.483 4.920 2.920 14.60 15.2522 4.901 2.901 14.51 15.683 4.940 2.940 14.70 20.1189 4.958 2.958 14.79 17.900 4.970 2.970 14.85 22.2856 4.980 2.980 14.90 21.316 5.010 3.010 15.05 24.4522 4.995 2.995 14.98 23.216 5.025 3.025 15.13 25.3189 5.000 3.000 15.00 25.5665.045 3.045 15.23 36.1522 5.070 3.070 15.35 36.933 5.120 3.120 15.60 38.5189 5.082 3.082 15.41 39.116 5.130 3.130 15.65 40.3522 5.095 3.095 15.48 41.833 5.145 3.145 15.73 42.3522 5.104 3.104 15.52 46.183 5.160 3.160 15.80 44.6856 5.110 3.110 15.55 48.350 5.175 3.175 15.88 49.216 5.180 3.180 15.90 60.050 5.220 3.220 16.10 表3-3黄色粘土预设含水率22%土类型黄色膨胀土1#土类型黄色膨胀土2#初始含水率21.35%膨胀率11.25 初始含水率0.2134646膨胀率12.95 干密度1.509 最终含水率36.25%干密度1.518 最终含水率38.30%经过时间位移计读数（mm）位移量（mm)膨胀率%经过时间