淺談合肥地區膨脹土的特性

劉奇，蔣曉慶

（1.安徽建筑大學，安徽 合肥 230022；2.安徽廣播電視大學開放教育學院，安徽 合肥 230022）

0 前 言

合肥市是安徽省膨脹土覆蓋的典型地區之一。本區屬于亞熱帶濕潤季風氣候，一年中的降水量呈季節性分配。經相關資料查實，平均年降水量933mm，其中春夏季降水約677mm,約占全年降水量的68.1%，由于膨脹土對氣候及水文因素有較強的敏感性，而這種敏感性往往會對工程建筑物產生嚴重的危害。膨脹土的脹縮引起建筑物的破壞是具有反復性和長期潛在的危險性。對于膨脹土有關的總結語言就非常的形象，如“雨時流不歇，天旱開大裂”，“晴時像塊鐵，雨天變成橡皮泥”等。美國工程界就稱膨脹土為“隱藏的癌癥”。

1 膨脹土的結構特性

膨脹土的結構特性包括其礦物成份、微觀結構、裂隙性、固結性。其中礦物的組成成份微觀結構和膨脹土的脹縮性有著直接的關系；而膨脹土的脹縮性、裂隙性、固結性又決定了膨脹土的抗剪強度的衰減程度的大小。

1.1 膨脹土的礦物成份及脹縮性

膨脹土礦物成分包括各種粘土礦物和碎屑礦物（原生礦物）。合肥地區膨脹土的粘土礦物成分以伊利石為主[1]，其次是蒙脫石和高嶺石，含蛭石、石英及褐鐵礦。安徽省地礦局中心實驗室經X衍射分析表明：合肥膨脹土黏粒含量達63%～68%，其中伊利石占50%～52%，高嶺石9%～12%，綠泥石3%～5%，其余部分，石英占30%～33%，長石2%～4%。伊利石的膨脹性低于蒙脫石的膨脹性，因此，合肥絕大部分地區分布著中弱膨脹土。研究表明，當膨脹土中蒙脫石的含量達到5%時，蒙脫石對土的脹縮性和抗剪強度產生明顯的影響。因此，由化學成份、晶體構造及離子交換能力不同的粘土礦物及吸附不相同的陽離子的相同粘土礦物組成的膨脹土，其吸水膨脹性能將表現出明顯的差異。

1.2 膨脹土的微觀結構及脹縮性

膨脹土的結構和其脹縮性[2]也有直接關系，現有的研究結果表明：①組成膨脹土微結構主要是細小的蒙脫石、伊利石、高嶺石顆粒；②膨脹土礦物粘土顆粒的形狀大多為片狀或扁平狀，并形成聚集狀；③膨脹土中顆粒相互之間排列的形式，有的呈微聚集體中片狀顆粒成平行排列，微聚集體與微聚集體彼此成平行排列，具有高度的定向性，呈平行層狀排列結構；④微聚集體與微聚集體之間，呈現出有面-面接觸、面-邊接觸和面-邊-角接觸多種形式的組合，形成各種結構類型；⑤膨脹土是普遍發育有微孔隙和微裂隙的多孔隙粘性土，無論在聚集體內還是聚集體間，都普遍分布有各種大小不同、形狀各異的微孔隙和微裂隙。孔隙、裂隙的大小不同，形狀各異，膨脹土的微裂隙是構成膨脹土特有的微結構特征的重要組成部分，決定了膨脹土裂隙不連續的特點。

1.3 膨脹土的裂隙性

膨脹土的多裂隙性是膨脹土的又一重要特性。膨脹土中普遍存在發育的各種裂隙，按其成因分為兩類，即原生裂隙和次生裂隙，而次生裂隙可分為：風化裂隙、減荷裂隙、斜坡裂隙和滑坡裂隙等等。原生裂隙具有隱蔽特征，多為閉合狀的顯微裂隙，需要借助光學顯微鏡或電子顯微鏡觀察。次生裂隙具有張開狀的特征，多為宏觀裂隙，肉眼下即可看出。次生裂隙一般由原生裂隙發育發展而成，所以次生裂隙常具有繼承性質。

1.4 膨脹土的超固結性

超固結性是膨脹土的重要特性之一。膨脹土在沉積過程中，在重力作用下逐漸堆積，土體將隨著堆積物的加厚產生固結壓密。由于自然環境的變化和地質作用的變化的復雜性，土的沉積并不是持續的，而是常因地質作用而發生卸載作用，于是土體由于先期固結所形成的部分結構強度阻止了卸載可能產生的膨脹而處于超固結狀態。引起膨脹土超固結的原因有風化、沖刷、剝蝕地質作用、冰雪融化等等。

2 膨脹土的變形及強度特性

膨脹土的變形特性表現為吸水膨脹軟化，失水干縮。對于膨脹土的變形可以分為兩大類：一類是外載作用下的壓縮變形；另一類是外荷載和浸水的共同作用下的濕脹變形。膨脹土的變形特性是防治的關鍵。應該依據大量的室內試驗和工程特例，總結并建立反映濕脹、干縮特性的非飽和膨脹土的新型本構模型，來準確的反映膨脹土的變形特性。

膨脹土抗剪強度的研究分飽和土的抗剪強度理論和非飽和土抗剪強度理論。利用飽和土理論來研究膨脹土的抗剪強度得出，膨脹土的峰值強度是相當高的，但是從失穩的膨脹土土坡反算出的抗剪強度往往低于峰值。事實證明用飽和土的理論去研究膨脹土的抗剪強度是不成功的。膨脹土是一種典型的非飽和土，非飽和土強度理論采用Mohr-Coulumb準則。其中有代表性的理論有：Bishop理論、Fredlund理論、盧肇鈞理論。但是各有缺陷，所以膨脹土的抗剪強度有待于進一步修正和發展。

3 合肥膨脹土地基建筑物的破壞特征

合肥地區膨脹土多分布于淝河兩岸二級階地，可分為兩層，上層一般為褐黃色粘性土，硬塑～堅硬狀態，厚度為1.5m～3m，崗地土厚度大，斜坡上厚度薄，甚至缺失，含直徑1mm～3mm的球狀鐵錳結核，露頭剖面上可見夾有厚度2cm～10cm的水平層狀淋濾鐵錳富集層；下部為灰黃色粘性土，呈硬塑～堅硬狀態，近垂直或水平的兩組裂隙發育，裂隙面光滑，呈蠟狀光澤。本區膨脹土的自由膨脹率在44%～65%，膨脹潛能為中等偏弱。合肥地區膨脹土地基建筑物破壞具有以下特點：

①建筑歷史較長，至少5～10年以上；

②建筑物多為體形簡單，單層的民用建筑，合肥區1～3層房屋建筑產生嚴重裂縫多發于旱季，蒸發量大于降雨量；

③建筑物上的裂縫有以下兩種形式，一是角端斜向裂縫，表現為山墻上對稱或不對稱的倒八字形裂縫，上寬下窄，傾角一般為45°；二是縱向的水平裂縫，一般發育在防潮層或底層窗臺水平處，嚴重時呈“之”字形，在墻的中部也發育縱向裂縫。

4 合肥膨脹土地基處理

采用換填非膨脹土、化學方法[3～5]或其它方法來消除或減少地基膨脹性是根治膨脹土地基的好方法。合肥地區通常的方法有如下幾種。

4.1 換土墊層

這是用砂、碎石、灰土等材料更換膨脹土，以減少房屋的脹縮變形量。墊層的厚度由計算確定，使地基剩余脹縮量在允許范圍內。要求在最佳含水量時，壓實土的干密度不小于15.5。這種方法在膨脹土層較薄或地基主要脹縮變形層不厚的情況下適用的。采用砂墊層效果不一。效果不好的原因是墊層厚度小，施工質量不好。特別是表層沒有一層密實的防水層，往往成為蓄水層，造成下層土層脹縮變形。

4.2 化學固化處理

采用石灰、水泥等對膨脹土進行化學穩定處理，從而達到改良土的性質，取得一定的效果。通過合肥地區膨脹土石灰改性室內試驗得知，在膨脹土中摻入石灰的摻入比在6%～8%為佳。通過相關資料參考，從考慮固化效果和經濟成本，固化膨脹土的水泥摻量一般在4%～10%之間。

4.3 預浸水

建筑物地基預浸水是為了消除土的膨脹性，在施工前用人工的方法增加地基土的含水量，使膨脹土全部或部分膨脹，從而減少或消除在使用過程中的膨脹變形。采用預浸水必須解決在使用過程中能否保持土的高含水量；必須研究浸濕地基的變形和強度特性。

5 結 語

合肥地區乃至江淮地區上部土層的膨脹性早已引起人們的注意。近年來，合肥地區結合大量工程實踐，做了一定的載荷試驗和大型剪切試驗用以研究膨脹土的工程特性、掌握土的承載力、抗剪強度與含水量、土體結構等諸多因素的關系，可以正確的評價膨脹土的力學性質、選擇合適的建筑基礎埋深與坡角、選擇恰當的施工工序和施工方法。在大量的室內研究試驗及室外考察，對膨脹土的結構特征及影響因素有了深入的認識。但是具體到某個工程的現場情況又會發現個別新的問題，從而又會引起新的思考。膨脹土的影響因素很多，從目前研究的成果看，非飽和土理論的研究是一條很有潛力的途徑，對于一些理論的建立，多依據半經驗或經驗，特別是一些很難得到工程實例的驗證，還需要更大的努力。應從以下幾個方面進行強化研究：

①進一步加強膨脹土微觀結構方面的研究，認識其脹縮和破壞機理，指導其它方面的研究；

②加強非飽和土理論，特別是荷載、含水量、吸力之間的關系，從而真正揭示膨脹土的強度和變形特性；

③加強現場測試，通過現場試驗發展新的應用性的數值分析計算理論和方法；

④加強膨脹土工程處理方面的研究，解決工程問題。

[1]孫長龍,殷宗澤.膨脹土性質綜述[J].水利水電科技進展,1995（6）.

[2]王志亮.合肥地區膨脹土顆粒粒徑的分形分維研究[J].巖土工程技術,2003（4）.

[3]高坤,催可銳,高程東.合肥地區膨脹土微觀結構特征及改良機理[J].地基與基礎,2008（2）.

[4]宋亞,方詩圣,梁昌望,等.合肥濱湖新區膨脹土石灰改性室內試驗研究[J].安徽建筑,2008（2）.

[5]蔣曉慶,程樺,盧松.摻灰膨脹土的膨脹特性試驗研究[J].安徽建筑工業學院學報（自然科學版），2009（6）.