浅谈合肥地区膨胀土的特性

刘奇，蒋晓庆

（1.安徽建筑大学，安徽 合肥 230022；2.安徽广播电视大学开放教育学院，安徽 合肥 230022）

0 前 言

合肥市是安徽省膨胀土覆盖的典型地区之一。本区属于亚热带湿润季风气候，一年中的降水量呈季节性分配。经相关资料查实，平均年降水量933mm，其中春夏季降水约677mm,约占全年降水量的68.1%，由于膨胀土对气候及水文因素有较强的敏感性，而这种敏感性往往会对工程建筑物产生严重的危害。膨胀土的胀缩引起建筑物的破坏是具有反复性和长期潜在的危险性。对于膨胀土有关的总结语言就非常的形象，如“雨时流不歇，天旱开大裂”，“晴时像块铁，雨天变成橡皮泥”等。美国工程界就称膨胀土为“隐藏的癌症”。

1 膨胀土的结构特性

膨胀土的结构特性包括其矿物成份、微观结构、裂隙性、固结性。其中矿物的组成成份微观结构和膨胀土的胀缩性有着直接的关系；而膨胀土的胀缩性、裂隙性、固结性又决定了膨胀土的抗剪强度的衰减程度的大小。

1.1 膨胀土的矿物成份及胀缩性

膨胀土矿物成分包括各种粘土矿物和碎屑矿物（原生矿物）。合肥地区膨胀土的粘土矿物成分以伊利石为主[1]，其次是蒙脱石和高岭石，含蛭石、石英及褐铁矿。安徽省地矿局中心实验室经X衍射分析表明：合肥膨胀土黏粒含量达63%～68%，其中伊利石占50%～52%，高岭石9%～12%，绿泥石3%～5%，其余部分，石英占30%～33%，长石2%～4%。伊利石的膨胀性低于蒙脱石的膨胀性，因此，合肥绝大部分地区分布着中弱膨胀土。研究表明，当膨胀土中蒙脱石的含量达到5%时，蒙脱石对土的胀缩性和抗剪强度产生明显的影响。因此，由化学成份、晶体构造及离子交换能力不同的粘土矿物及吸附不相同的阳离子的相同粘土矿物组成的膨胀土，其吸水膨胀性能将表现出明显的差异。

1.2 膨胀土的微观结构及胀缩性

膨胀土的结构和其胀缩性[2]也有直接关系，现有的研究结果表明：①组成膨胀土微结构主要是细小的蒙脱石、伊利石、高岭石颗粒；②膨胀土矿物粘土颗粒的形状大多为片状或扁平状，并形成聚集状；③膨胀土中颗粒相互之间排列的形式，有的呈微聚集体中片状颗粒成平行排列，微聚集体与微聚集体彼此成平行排列，具有高度的定向性，呈平行层状排列结构；④微聚集体与微聚集体之间，呈现出有面-面接触、面-边接触和面-边-角接触多种形式的组合，形成各种结构类型；⑤膨胀土是普遍发育有微孔隙和微裂隙的多孔隙粘性土，无论在聚集体内还是聚集体间，都普遍分布有各种大小不同、形状各异的微孔隙和微裂隙。孔隙、裂隙的大小不同，形状各异，膨胀土的微裂隙是构成膨胀土特有的微结构特征的重要组成部分，决定了膨胀土裂隙不连续的特点。

1.3 膨胀土的裂隙性

膨胀土的多裂隙性是膨胀土的又一重要特性。膨胀土中普遍存在发育的各种裂隙，按其成因分为两类，即原生裂隙和次生裂隙，而次生裂隙可分为：风化裂隙、减荷裂隙、斜坡裂隙和滑坡裂隙等等。原生裂隙具有隐蔽特征，多为闭合状的显微裂隙，需要借助光学显微镜或电子显微镜观察。次生裂隙具有张开状的特征，多为宏观裂隙，肉眼下即可看出。次生裂隙一般由原生裂隙发育发展而成，所以次生裂隙常具有继承性质。

1.4 膨胀土的超固结性

超固结性是膨胀土的重要特性之一。膨胀土在沉积过程中，在重力作用下逐渐堆积，土体将随着堆积物的加厚产生固结压密。由于自然环境的变化和地质作用的变化的复杂性，土的沉积并不是持续的，而是常因地质作用而发生卸载作用，于是土体由于先期固结所形成的部分结构强度阻止了卸载可能产生的膨胀而处于超固结状态。引起膨胀土超固结的原因有风化、冲刷、剥蚀地质作用、冰雪融化等等。

2 膨胀土的变形及强度特性

膨胀土的变形特性表现为吸水膨胀软化，失水干缩。对于膨胀土的变形可以分为两大类：一类是外载作用下的压缩变形；另一类是外荷载和浸水的共同作用下的湿胀变形。膨胀土的变形特性是防治的关键。应该依据大量的室内试验和工程特例，总结并建立反映湿胀、干缩特性的非饱和膨胀土的新型本构模型，来准确的反映膨胀土的变形特性。

膨胀土抗剪强度的研究分饱和土的抗剪强度理论和非饱和土抗剪强度理论。利用饱和土理论来研究膨胀土的抗剪强度得出，膨胀土的峰值强度是相当高的，但是从失稳的膨胀土土坡反算出的抗剪强度往往低于峰值。事实证明用饱和土的理论去研究膨胀土的抗剪强度是不成功的。膨胀土是一种典型的非饱和土，非饱和土强度理论采用Mohr-Coulumb准则。其中有代表性的理论有：Bishop理论、Fredlund理论、卢肇钧理论。但是各有缺陷，所以膨胀土的抗剪强度有待于进一步修正和发展。

3 合肥膨胀土地基建筑物的破坏特征

合肥地区膨胀土多分布于淝河两岸二级阶地，可分为两层，上层一般为褐黄色粘性土，硬塑～坚硬状态，厚度为1.5m～3m，岗地土厚度大，斜坡上厚度薄，甚至缺失，含直径1mm～3mm的球状铁锰结核，露头剖面上可见夹有厚度2cm～10cm的水平层状淋滤铁锰富集层；下部为灰黄色粘性土，呈硬塑～坚硬状态，近垂直或水平的两组裂隙发育，裂隙面光滑，呈蜡状光泽。本区膨胀土的自由膨胀率在44%～65%，膨胀潜能为中等偏弱。合肥地区膨胀土地基建筑物破坏具有以下特点：

①建筑历史较长，至少5～10年以上；

②建筑物多为体形简单，单层的民用建筑，合肥区1～3层房屋建筑产生严重裂缝多发于旱季，蒸发量大于降雨量；

③建筑物上的裂缝有以下两种形式，一是角端斜向裂缝，表现为山墙上对称或不对称的倒八字形裂缝，上宽下窄，倾角一般为45°；二是纵向的水平裂缝，一般发育在防潮层或底层窗台水平处，严重时呈“之”字形，在墙的中部也发育纵向裂缝。

4 合肥膨胀土地基处理

采用换填非膨胀土、化学方法[3～5]或其它方法来消除或减少地基膨胀性是根治膨胀土地基的好方法。合肥地区通常的方法有如下几种。

4.1 换土垫层

这是用砂、碎石、灰土等材料更换膨胀土，以减少房屋的胀缩变形量。垫层的厚度由计算确定，使地基剩余胀缩量在允许范围内。要求在最佳含水量时，压实土的干密度不小于15.5。这种方法在膨胀土层较薄或地基主要胀缩变形层不厚的情况下适用的。采用砂垫层效果不一。效果不好的原因是垫层厚度小，施工质量不好。特别是表层没有一层密实的防水层，往往成为蓄水层，造成下层土层胀缩变形。

4.2 化学固化处理

采用石灰、水泥等对膨胀土进行化学稳定处理，从而达到改良土的性质，取得一定的效果。通过合肥地区膨胀土石灰改性室内试验得知，在膨胀土中掺入石灰的掺入比在6%～8%为佳。通过相关资料参考，从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%～10%之间。

4.3 预浸水

建筑物地基预浸水是为了消除土的膨胀性，在施工前用人工的方法增加地基土的含水量，使膨胀土全部或部分膨胀，从而减少或消除在使用过程中的膨胀变形。采用预浸水必须解决在使用过程中能否保持土的高含水量；必须研究浸湿地基的变形和强度特性。

5 结 语

合肥地区乃至江淮地区上部土层的膨胀性早已引起人们的注意。近年来，合肥地区结合大量工程实践，做了一定的载荷试验和大型剪切试验用以研究膨胀土的工程特性、掌握土的承载力、抗剪强度与含水量、土体结构等诸多因素的关系，可以正确的评价膨胀土的力学性质、选择合适的建筑基础埋深与坡角、选择恰当的施工工序和施工方法。在大量的室内研究试验及室外考察，对膨胀土的结构特征及影响因素有了深入的认识。但是具体到某个工程的现场情况又会发现个别新的问题，从而又会引起新的思考。膨胀土的影响因素很多，从目前研究的成果看，非饱和土理论的研究是一条很有潜力的途径，对于一些理论的建立，多依据半经验或经验，特别是一些很难得到工程实例的验证，还需要更大的努力。应从以下几个方面进行强化研究：

①进一步加强膨胀土微观结构方面的研究，认识其胀缩和破坏机理，指导其它方面的研究；

②加强非饱和土理论，特别是荷载、含水量、吸力之间的关系，从而真正揭示膨胀土的强度和变形特性；

③加强现场测试，通过现场试验发展新的应用性的数值分析计算理论和方法；

④加强膨胀土工程处理方面的研究，解决工程问题。

[1]孙长龙,殷宗泽.膨胀土性质综述[J].水利水电科技进展,1995（6）.

[2]王志亮.合肥地区膨胀土颗粒粒径的分形分维研究[J].岩土工程技术,2003（4）.

[3]高坤,催可锐,高程东.合肥地区膨胀土微观结构特征及改良机理[J].地基与基础,2008（2）.

[4]宋亚,方诗圣,梁昌望,等.合肥滨湖新区膨胀土石灰改性室内试验研究[J].安徽建筑,2008（2）.

[5]蒋晓庆,程桦,卢松.掺灰膨胀土的膨胀特性试验研究[J].安徽建筑工业学院学报（自然科学版），2009（6）.