第八章特殊土膨胀土

第八章特殊土膨胀土第1页，共45页，2023年，2月20日，星期三第一节湿陷土黄土的性质及其地基处理一、黄土的成因与分布黄土因颜色为黄色而得名，它是由于黄土沉积物在干旱性大陆气候作用下经过风化和成土作用而形成的，其颗粒组成以粉粒为主，空隙比在1.0左右，肉眼可见，富含碳酸钙盐类，垂直节理。黄土按其成因分为原生黄土和次生黄土。第四章特殊土地基第2页，共45页，2023年，2月20日，星期三第一节湿陷土黄土的性质及其地基处理二、黄土的基本性质和湿陷机理（一）黄土的物理性质黄土也是一种三相体。黄土颗粒中，粉粒占一半以上，干容重：11.4~16.9kN/m3，大于15.0kN/m3时湿陷性较小；天然含水率：3.3%~40%，当含水率超过25%时不具有湿陷性。黄土的液限是反映黄土力学性质的一个重要指标，当液限超过30%时，黄土的湿陷性较弱且为非自重湿陷性，而液限小于30%时，则湿陷性较强。第四章特殊土地基第3页，共45页，2023年，2月20日，星期三第一节湿陷土黄土的性质及其地基处理二、黄土的基本性质和湿陷机理（二）湿陷性黄土的力学性质湿陷性黄土的力学性质主要包括压缩性、湿陷性、抗剪强度和透水性，其中湿陷性最为重要。黄土一般具有中等偏低压缩性，但新近堆积的黄土压缩性较高。抗剪强度主要取决于土的含水量和密室程度，含水率越低，密室程度越高，抗剪强度越大。此外土的颗粒组成、矿物成分、粘粒和可溶盐的含量对抗剪强度也有影响。目前对黄土的透水性研究不多，其渗透系数在10-6cm/s。第四章特殊土地基第4页，共45页，2023年，2月20日，星期三第一节湿陷土黄土的性质及其地基处理（三）黄土的湿陷性1.湿陷的成因黄土是由于土中的水分较少，颗粒间的相互粘结力较大，而上覆土层压力的增加不足以克服增加的粘结力，因而处于疏松状态，一旦水浸入较深，颗粒间的粘结力减少甚至消失，就产生了湿陷性。第四章特殊土地基第5页，共45页，2023年，2月20日，星期三第一节湿陷土黄土的性质及其地基处理（三）黄土的湿陷性2.湿陷系数第四章特殊土地基式中——土样在压力p作用下沉稳后的高度；——上述加压稳定后的土样在浸水作用下，下沉稳定后的高度；——土样的初始高度；——土样在压力p作用下，下沉稳定后的空隙比；——上述加压稳定后的土样浸水作用，下沉稳定后的空隙比；——土样的初始空隙比；第6页，共45页，2023年，2月20日，星期三第一节湿陷土黄土的性质及其地基处理（三）黄土的湿陷性湿陷系数是判别黄土湿陷性的依据，一般认为第四章特殊土地基非湿陷性弱湿陷性黄土中等湿陷性黄土强湿陷性黄土第7页，共45页，2023年，2月20日，星期三第一节湿陷土黄土的性质及其地基处理三、湿陷性黄土地基的处理（1）重锤表层夯实法和强夯发（2）土夯法、灰土垫层（3）土桩挤密法（4）桩基础（6）化学加固法，主要用硅化加固法和氢氧化钠溶液加固法。（7）预浸水法（8）热加固法第四章特殊土地基第8页，共45页，2023年，2月20日，星期三第二节膨胀土的性质及其地基处理

一、膨胀土的成因和分布

膨胀土是指粘粒成分主要由强亲水性矿物组成，液限大于40%，且涨缩性能较大的粘性土。膨胀土在自然条件多呈硬塑或坚硬状态，颜色为黄、红、灰白色，裂隙发育，常见光滑面和擦痕。第四章特殊土地基第9页，共45页，2023年，2月20日，星期三中国膨胀土的分布图第10页，共45页，2023年，2月20日，星期三第二节膨胀土的性质及其地基处理

第四章特殊土地基第11页，共45页，2023年，2月20日，星期三第12页，共45页，2023年，2月20日，星期三第13页，共45页，2023年，2月20日，星期三第二节膨胀土的性质及其地基处理二、膨胀土的性质及膨胀原理

膨胀土属于粘性土，具有一般粘性土所共有的物理力学性质外，最重要的特性是强亲水性、多裂隙性、强膨胀性、强收缩性等。当含水量增加，表现出体积增大的能力，即具有强烈的膨胀性；若收到约束，产生的内力为膨胀力。相反则产生收缩力。具有胀缩特性，而且胀缩变形可随环境温度和湿度的变化往复发生。第四章特殊土地基第14页，共45页，2023年，2月20日，星期三膨胀土的主要物理力学特征：粒度组成中，通常黏粒含量大于30%。粘土矿物成分中，伊利石和蒙脱石等强亲水性矿物占主导地位。具有多裂隙性。膨胀，收缩变形可随环境变化往复发生，导致土的强度衰减。多数属于液限大于50%的高液限土。表现出较强的超固结特性。第二节膨胀土的性质及其地基处理第15页，共45页，2023年，2月20日，星期三第二节膨胀土的性质及其地基处理二、膨胀土的性质及膨胀原理（一）土的膨胀性指标（1）膨胀含水率第四章特殊土地基式中——试样的干土质量；——膨胀稳定后土中水分的质量；第16页，共45页，2023年，2月20日，星期三第二节膨胀土的性质及其地基处理（一）土的膨胀性指标（2）自由膨胀量（3）膨胀压力第四章特殊土地基式中——试样的初始体积；——膨胀稳定后土的体积；（4-3）（4-4）式中——施加的总平衡力；——试样面积；第17页，共45页，2023年，2月20日，星期三第二节膨胀土的性质及其地基处理二、膨胀土的性质及膨胀原理

（二）膨胀土的判别建筑、机械、水电等系统根据膨胀土地区建筑物的变形危害调查，提出膨胀土的临界判别值为：自由膨胀率Fs≥40%；液限wL≥40%。第四章特殊土地基第18页，共45页，2023年，2月20日，星期三第二节膨胀土的性质及其地基处理二、膨胀土的性质及膨胀原理

（三）膨胀土的膨胀机理由于粘土矿物颗粒的表面特性和水分子的极性，膨胀土与水分子相互作用时，在颗粒周围形成水膜将颗粒推开，扩大粒间距离使土的体积膨胀。第四章特殊土地基第19页，共45页，2023年，2月20日，星期三三、膨胀土地基的处理（一）工程建设中的膨胀土问题1）在天然状态下，膨胀土通常强度高，压缩性较低，在地面以下一定深度取样时难以发现宏观裂纹。但一旦在大气中暴露，含水率发生变化时，很快出现裂纹，土体结构迅速崩解，透水性不断增加，强度迅速减小直至为零。2）作为堤坝回填土时，因其干密度与含水率关系非常密切，很难压实，压实质量难以控制。3）当建筑物基础直接与膨胀土层接触时，即使基础建基面位于地下水位以下，由于建筑物荷载变化，土体体积和强度仍然会不断发生变化，给工程带来负面影响。第四章特殊土地基第二节膨胀土的性质及其地基处理第20页，共45页，2023年，2月20日，星期三三、膨胀土地基的处理（二）高速公路建设中的膨胀土问题由于膨胀土分布的广泛性，在膨胀土地区修筑高速公路这样巨型带状工程时，不可避免地会穿越膨胀土地区，尤其在南方降雨充沛的地区，存在明显的干湿循环，因此在路面结构层中通常会出现裂缝，这些裂缝又随之反映到路面上。反复的干湿循环效应还使得土体发生崩解，加之路基内部的含水率分布不均，使得路基内部产生不均匀的胀缩变形，在路面表现出来的就是波浪式的变形特征，影响公路的安全使用。第二节膨胀土的性质及其地基处理第21页，共45页，2023年，2月20日，星期三

确定膨胀土的胀缩等级，确定合理的灰剂量，对合理灰剂量的改良土的一系列性质进行室内试验验证。1.改良膨胀土第四章特殊土地基第二节膨胀土的性质及其地基处理三、膨胀土的地基处理（1）防水措施（2）换土与改土（3）支挡措施第22页，共45页，2023年，2月20日，星期三

改良的几种思路：1）通过物理、化学过程降低土粒分散程度，让土粒互相聚集形成结构较为牢固的团粒结构，增加土团间的连接力，提高土体水稳定性。2）通过反离子层的阳离子置换，用高价阳离子替代原来的低价阳离子，从而使反离子层厚度即结合水膜厚度降低，减少其吸湿能力和膨胀能力。3）通过化学反应，用键能较大的离子替代键能较小的离子，在土体中形成连接力较大的网状空间结构化学生成物，使土体的结构强度和水稳定性得到显著的提高。第四章特殊土地基第二节膨胀土的性质及其地基处理第23页，共45页，2023年，2月20日，星期三膨胀土的化学改良法机理其主要矿物成分为蒙脱石和伊利石，土壤矿物表面带有大量负电荷，当土壤改良剂和它相遇后，改良剂带正电荷的亲水基和膨胀土就会紧密结合，疏水基一致向外，置换出膨胀土颗粒表面的亲水金属阳离子，降低了膨胀土颗粒表面的吸附水膜厚度，使土壤颗粒进一步靠近，封闭各土团之间的孔隙，减少了吸水性和胀缩性，使膨胀土的水稳定性得到提高。第二节膨胀土的性质及其地基处理第24页，共45页，2023年，2月20日，星期三膨胀土化学改良剂有：（一）无机类改良剂1）石灰类改良剂2）水泥类改良剂3）工业废渣类改良剂4）水玻璃类改良剂（二）有机类改良剂1）丙烯酸盐系列2）聚液态丁二烯和铵类第二节膨胀土的性质及其地基处理第25页，共45页，2023年，2月20日，星期三2、膨胀土改良的试验研究扰动土改良——掺石灰、水泥等进行化学改良膨胀土改良原状土改良——掺中性无毒液性有机化学改良剂第四章特殊土地基第二节膨胀土的性质及其地基处理第26页，共45页，2023年，2月20日，星期三石灰改良膨胀土机理分析：1）离子交换2）凝硬反应3）碳化作用4）胶结作用2.1石灰改良膨胀土第四章特殊土地基第二节膨胀土的性质及其地基处理第27页，共45页，2023年，2月20日，星期三合理掺灰量研究改良土的强度性状改良土的变形性状改良土的水理特性改良土的渗透性2.1石灰改良膨胀土第四章特殊土地基第二节膨胀土的性质及其地基处理第28页，共45页，2023年，2月20日，星期三2.1.1合理掺灰量研究图2-1-1不同灰剂量改良土的击实曲线1）击实曲线第四章特殊土地基第二节膨胀土的性质及其地基处理第29页，共45页，2023年，2月20日，星期三图2-1-2

掺生石灰与消石灰的改良土界限含水率与灰剂量的关系曲线2）界限含水率第四章特殊土地基第二节膨胀土的性质及其地基处理第30页，共45页，2023年，2月20日，星期三图2-1-3掺生石灰与消石灰的改良土自由膨胀率与灰剂量的关系曲线3）自由膨胀率第四章特殊土地基第二节膨胀土的性质及其地基处理第31页，共45页，2023年，2月20日，星期三图2-1-4素土的线膨胀率与时间的关系（初始含水率为22.6%）图2-1-5改良土的膨胀率与时间的关系（初始含水率为23%）表3-1素土与不同灰剂量改良土的膨胀性第四章特殊土地基第二节膨胀土的性质及其地基处理第32页，共45页，2023年，2月20日，星期三2.1.2石灰改良膨胀土施工工艺在实际施工中必须保证掺灰均匀和有效压实，需根据膨胀土特点结合现场施工条件选择合适的石灰掺入方法﹑掺入时机和碾压机械组合工艺。一般膨胀土天然含水率高，透水性差，原状土一般以较大的团块存在，黏性较大，不宜粉碎。能否将石灰和土料拌和均匀是影响改良效果的主要因素之一，因此石灰改良膨胀土施工工艺中最重要的一环就是掺灰工艺。第二节膨胀土的性质及其地基处理第33页，共45页，2023年，2月20日，星期三第二节膨胀土的性质及其地基处理石灰与膨胀土的拌和方法：（1）路拌法（2）场拌法影响石灰改良土压实效果和强度的因素：（1）土的种类（2）土颗粒的大小（3）石灰的掺入量（4）掺入石灰的类型（5）掺入石灰与压实成型之间的等待时间（6）石灰与土拌和的均匀程度（7）碾压前填土含水率（8）碾压工艺（9）养护条件（10）龄期第34页，共45页，2023年，2月20日，星期三图5-10渗透改良膨胀土试验装置2.2CTMAB改良天然膨胀土

让CTMAB溶于水，使溶液从土体表面自由入渗。试验装置见右图所示，入渗完成后，取不同深度的土进行一系列试验，对试验结果进行分析总结，判断改良效果第四章特殊土地基第35页，共45页，2023年，2月20日，星期三2.3水泥石灰复合改良膨胀土技术水泥石灰复合改良的机理：

水泥土的强度主要来源于水泥本身的水化产物的胶结作用和水泥水化时产生的Ca(OH)2与土中活性物质之间的硬凝反应所产生的水化物的胶结作用。用水泥加固软土时，水泥颗粒表面的矿物很快与软土中的水发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙及含水铁酸钙等化合物第四章特殊土地基第36页，共45页，2023年，2月20日，星期三第二节膨胀土的性质及其地基处理四、一种特殊的膨胀土—红粘土（一）红粘土的分布和组成红粘土是石灰岩、白云岩等碳酸盐类岩石在亚热带温湿气候下经风化作用而形成的褐红色粘土。它主要分布在北纬33°以南地区，在我国贵州、云南、广西最为典型，且分布较广。红粘土的化学成分以SiO2，Fe2O3，Al2O3为主，矿物成分以石英、高岭石为主。由于石英组成的骨架和铁质胶结物的影响，红粘土具有较好的水稳定性。第四章特殊土地基第37页，共45页，2023年，2月20日，星期三第二节膨胀土的性质及其地基处理四、一种特殊的膨胀土—红粘土（二）红粘土的物理力学性质（1）天然含水率较高，以结合水为主，自由水较少。（2）天然容重介于16.5~18.5kN/m3之间，天然空隙比大于1.0。（3）由于粒间胶结作用，土体仍处于硬塑或坚硬状态，其压缩系数在0.1~0.4MPa-1之间，属于中等偏低压缩性。第四章特殊土地基第38页，共45页，2023年，2月20日，星期三四、一种特殊的膨胀土—红粘土红粘土是较好的地基土，但需要注意以下问题：（1）红粘土具有膨胀土的性质。（2）红粘土厚度分布不均匀，容易产生不均匀沉降。（3）沿深度从上向下含水量增加，土质有由硬到软的明显变化。（4）由于地表水和地下水运动引起的冲蚀和潜蚀作用，在潜伏岩溶上的红粘土层常有土洞存在，这对建筑物的稳定不利。第二节膨胀土的性质及其地基处理第四章特殊土地基第39页，共45页，2023年，2月20日，星期三第二节膨胀土的性质及其地基处理四、一种特殊的膨胀土——红粘土（三）红粘土地基的处理（1）对土与基岩石芽交错的地基，可去掉石芽作垫层，以减小差异沉降。（2）当土质不均匀或厚度变化时，可采用换土垫层地基加固措施。（3）