膨胀土的基本性质及影响因素

1.膨胀土的基本性质

膨胀土是一种吸水膨胀、失水收缩、胀缩变形显著的黏性土。一般强度较高,压缩性低,多呈坚硬或硬塑状态,常被误认是一种良好地地基。

(1)膨胀土的分布。膨胀土的矿物成分主要为蒙脱石、伊利石。一般根据其黏土矿物的主要含量分为以蒙脱石为主和以伊利石为主两大类。以蒙脱石为主的主要分布在我国的广西、云南、河南、河北等的某些地区;以伊利石为主的主要分布在我国的安徽、山东、湖北、四川等的某些地区。

(2)膨胀土的工程特性。膨胀土的工程地质特征如下:

1)物理力学指标。膨胀土其天然含水量通常为20%～30%,接近塑限,孔隙比一般为0.6～1.0,饱和度一般均大于85%,塑性指数为17～35,液性指数小。

2)膨胀土的胀缩特性。膨胀土的膨胀是指在一定条件下其体积,因不断吸水而增大的过程,是膨胀土中黏土矿物与水相互作用的结果。反映膨胀土的膨胀性能指标有自由膨胀率和不同压力下的膨胀率。

膨胀土的收缩特性是由于在大气环境或其他因素造成土中水分减少,在土体中引起土体收缩的现象。收缩变形可用收缩系数表示。收缩系数大,其收缩变形就大。

膨胀土的膨胀与收缩是一个互为可逆的过程。吸水膨胀,失水收缩;再吸水,再膨胀;再失水,再收缩。这种互为可逆性是膨胀土的一个主要属性,膨胀与收缩的可逆变化幅度用胀缩总率来表示。

3)膨胀土的危害。一般黏性土都具有胀缩性,但其胀缩量不大,对工程的影响不大。而膨胀土的膨胀—收缩—再膨胀的往复变形特性非常显著。建造在膨胀土地基上的建筑物,随季节气候变化会反复不断地产生不均匀的抬升和下沉,而使建筑物破坏。破坏规律如下:

①建筑物的开裂破坏具有地区性成群出现的特点,建筑物裂缝随气候变化不停地张开和闭合,而且以低层轻型、砖混结构损坏最严重。因为,这类房屋整体性较差、重量轻,且基础埋置浅,地基土易受外界环境变化的影响而产生胀缩变形。

②房屋在垂直和水平方向都受弯和受扭,故在房屋转角处首先开裂,墙上出现对称或不对称的八字形、X形裂缝。外纵墙基础产生水平裂缝和位移,室内地坪和楼板发生纵向隆起开裂。

③膨胀土边坡不稳定,地基会产生水平方向和垂直方向的变形,坡地上的建筑物损坏要比平地上更为严重。

另外,膨胀土的胀缩特性除使房屋发生开裂、倾斜外,还会使公路路基发生破坏,堤岸、路堑产生滑坡,涵洞、桥梁等刚性结构物产生不均匀沉降,导致开裂等。

2.影响膨胀土胀缩变形的主要原因

(1)内在因素。

1)矿物及化学成分。膨胀土主要由蒙脱石、伊利石等矿物成分组成,亲水性强,胀缩变形大。蒙脱石矿物亲水性强,具有既易吸水又易失水的强烈活动性。伊利石亲水性比蒙脱石低,但也有较高的活动性。膨胀土化学成分以氧化硅、氧化铝和氧化铁为主,氧化硅含量越大,胀缩量越大。

2)黏粒含量。黏土的颗粒细小,比表面积大,因而具有很大的表面能,对水分子和水中阳离子的吸附能力强。因此,黏粒含量越多,胀缩性越强。

3)土的天然孔隙比。土的胀缩表现在土体积的变化。对含有一定矿物成分的黏土来说,当其在同样的天然含水量条件下浸水时,土的孔隙比越小,膨胀性越大,收缩性越小;反之,土的孔隙比越大,膨胀性越小,收缩性越大。因此,在一定条件下,土的天然孔隙比是影响胀缩变形的一个重要因素。

4)含水量。土中原有的含水量与膨胀所需的含水量相差越大,遇水后土的膨胀越大,而失水后土的收缩越小。

5)土的结构。土的结构强度越大,土体限制胀缩变形的能力就越大。当土的结构受到破坏后,土的胀缩性随之增强。

(2)外在因素。主要指水对膨胀土的作用,包括以下几个方面:

1)气候条件。包括降雨量、蒸发量、气温、相对湿度、地温等。雨季土中水分增加,土体膨胀;旱季水分减少,土体收缩。

2)地形地貌。对同类膨胀土地基,地势低处的胀缩变形比高处的小,这是由于高地的临空面大,地基土中水分蒸发条件好,含水量变化幅度大,胀缩变形也较剧烈。

3)周围阔叶树的影响。在炎热和干旱地区,当无地表水或地下水补给时,由于阔叶树树根吸水,会加剧地基土的干缩变形,使在树木近旁的房屋产生裂缝。

4)日照程度。对建筑物来说,日照的时间和强度也是不可忽略的因素。调查表明,房屋向阳面开裂较多,背阴面开裂较少。