膨胀土的组成及工程性质
摘要：本文主要介绍了膨胀土基本定义，在我国各省的具体分布情况、分类和主要判别方法。通过对膨胀土的膨胀和压缩、渗透性、强度特性等工程性质的介绍说明了膨胀土对于我们工程的危害很大，学习认识判断和研究膨胀土的作用机理是一件非常重要的事情。
关键词： 膨胀土 粘土 蒙脱石 亲水性 胀缩性
膨胀土是现代工程地质学和土力学中新近出现的一个名词，它是在自然地质过程中形成的一种具有多裂隙和显著胀缩特性的特殊性粘土。其粘粒成分主要由亲水性粘土矿物组成，具有超固结性、多裂隙性、遇水膨胀、失水收缩开裂且反复变形等特殊工程性质。与一般粘性土显著不同，由于膨胀土具有多裂隙性以及土体中裂隙的杂乱分布，因此对建筑物产生的变形破坏作用往往伴有长期潜在危险的特点。由于膨胀土在形貌上和工程地质性质上的特殊性及其不良工程特性导致的工程问题或地质灾害的频繁发生而引起人们的重视。
1.膨胀土的定义、分布、类型及判定方法[1-2]
1.1膨胀土的定义、分布
所谓膨胀土，是指粘粒成分主要由强亲水性矿物组成，液限大于40%，具有显微裂隙和胀缩裂隙与非水稳性结构，吸水膨胀软化，失水收缩硬裂的高塑性粘性土。
膨胀土在自然条件下，多呈硬塑或坚硬状态，具有黄、红、灰、白等色，裂隙较发育，常见光滑面和擦痕；多出露于二级及二级以上的阶地、山前丘陵和盆地边缘，地形坡度平缓，无明显自然陡坎。在季节性干湿气候变化条件下，常导致低层砖石结构的建筑物成群开裂损坏。但是吸水膨胀，失水收缩是粘性土的共性，因此只有当粘性土的胀缩性增大到一定程度，产生膨胀压力或收缩裂缝，并足以危害建筑物的稳定与安全时，便可格其作为一种特殊土从中独立出来，称为膨胀土。
1.2.膨胀土的分类及判定方法
现在，国内外关于膨胀土的判别与分类方法有很多，研究者从不同的工作目的出发，采用不同的特性指标建立的判别与分类方法是不相同的。
1.2.1膨胀土的分类方法主要有以下几种：
（1）按其矿物成分不同进行分类；膨胀土的主要矿物成分是蒙脱石的，为高塑性粘土，一般承载力较高，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，性质极不稳定。常使建筑物产生不均匀的竖向或水平的胀缩变形，造成位移、开裂、倾斜甚至破坏，且往往成群出现，尤以较低建筑工程严重，危害性很大，裂缝特征有外墙垂直裂缝，端部斜向裂缝和窗台下水平裂缝，内、外山墙对称或不对称的倒八字形裂缝等；地坪则出现纵向长条和网格状的裂缝，膨胀土的主要矿物成分为伊利石和高岭土的膨胀土，伊利石和高岭土矿物在许多情况下同样具有膨胀性，含这些矿物成分粘土也属于膨胀土的范畴，不过蒙脱石粘土在含水量增加时出现明显膨胀，而伊力土和高岭土则发生有限的膨胀，
（2） 按最大胀缩性指标进行分类。主张这种分类的研究者认为，一个适合的胀缩性评价指标必须全面反映土的粒度成分和矿物化学成分，以及宏观与微观结构特征的影响，同时能消除土的湿度和密度状态的影响，即不随土的湿度和密度状态的变化而变化。而且还要适应胀缩土各向异性的特点。因此，推荐用直接指标，即最大线缩率，最大体缩率，，最大膨胀率，等指标作为分类的标准，
（3）根据粘粒含量、液限与线脓缩率，以及比表面积与离子交换量进行分类。这里的比表面积指标对土的膨胀性和强度特性有重要的影响，它能反映土体的主要粘土矿物，比表面增大，颗粒表面自由能亦增加，颗粒与介质溶液之间作用更强，使颗粒间水化腹厚度增大，从而降低了土体强度。
此外还有根据塑性图进行分类，按照自由膨胀率与地基变形量进行分类等方法。
1.2.2膨胀土的判别方法
（1）根据粘土矿物成分判别。膨胀土的粘土矿物成分是决定其工程特性的主要内在因素，膨胀土的粘土矿物成分中主要是蒙脱石，一般蒙脱石含量在12%以上的土，则具有一定的胀缩性兜呗叫做膨胀土。
（2）根据膨胀土宏观结构特征判别；各类膨胀土发育有特定形态的特殊裂隙。灰白色膨胀土裂隙很发育，裂隙一般呈网状分布，具碎块状结构。棕黄色膨胀土裂隙较发育，裂隙面多数为灰白色次生粘十充填，呈层状结构。灰褐色膨胀十裂隙很少，呈块状结构特征。
（3）.根据膨胀上特征指标判别；采用反映性质敏感的试验指标判别。通过膨胀土试验指标相关分析得出，胶粒含量、液限、缩限和胀缩总率等能反映主要土层的基本性质变化趋势。
2.膨胀土的工程性质[3-5]
膨胀土出于其组成含有多量的强亲水性粘土矿物，所以它具有吸水量大、高塑性、快速崩解性、以及剧烈的膨胀性与收缩性等特征。同时又因膨胀土沉积时代较早，固结状态较好，出此，其压缩性不大。这些性质构成了膨胀土区别于其它土类的独有工程地质特征。它们是对膨胀土进行工程性质评价比较重要的基本技术指标，同时也是水利工程设计中府研究的一些基本参数。
（1）.膨胀土的膨胀与收缩特性；膨胀土的胀缩特性除了受土体自身的粘土矿物成分及含量控制外。土体的基质吸力及湿度的变化也是重要的因素。膨胀土与水相互作用时.随着含水量的增加，其体积将显著地增大，即表现了强烈膨胀性。倘若在土体积增大过程中膨胀受到限制.则土中随即显示一定内应力，即膨胀力。显然，如果土中含水量减少，土的体积也必然随之缩小。即出现收缩现象并产生收缩应力。因此，特定条件下，土体的膨胀与收缩是基于膨胀上土与水体系中水介质的相互作用而引起土中膨胀力改变的结果。当膨胀土中含水量很高，处于接近饱和状态时具有很高的收缩潜势。在工程实践中，可以根据其含水量来预防膨胀土的胀缩性以防止造成工程破坏。
（2）.膨胀土的渗透和崩解性；渗透性是指膨胀土吸收水快慢的特性，它关系到膨胀土的胀缩特性及强度特性，渗透性较大的膨胀土一般膨胀和压缩较快，强度较低，这种土对工程损坏较大。
4.膨胀土的工程性质机理
膨胀土胀缩机理的理论研究是一项极为复杂的工作，从现象学的观察到理论分析，前人提出了各式各样的理论和求解方法，例如粘土矿物晶格扩张理论、流变本构方程的膨胀理论、湿度应力场理论、双电层理论、吸力势理论、一维膨胀理论、三维膨胀理论、基于胀缩路径方程的力学分析理论、温度应力场理论、渗透理论、弹性理论、表面张力理论、膨胀浴势理论、自由能变化理论、粘土矿物叠片体作用理论和弹性弯曲理论等。总的来说主要可以分为三大类
（1）.粘土膨胀的矿物学理论、主要从矿物晶格构造出发，认为粘土的膨胀取决于组成粘土的矿物成分及其矿物晶格的结晶化学构造，以及颗粒表面的交换阳离子成分等。
（2）粘土膨胀的物理化学理论，其中以渗透理论、双电层理论和热掺理论的应用较普遍。认为粘土的膨胀之要是在粘土一水体系中，由于粘土颗粒表面产生的复杂物理化学作用的结果。其粘土的膨胀性质取决于粘土矿物表面结合水层与扩散双电层的厚度，同时与溶液浓度、温度等因素密切相关。
5结论
膨胀土的变形原因与机理主要取决于组成膨胀土的物质成分及其在土中的空间结构特征。物质成分和和微结构特征两者都是膨胀土产生胀缩现象的内因，膨胀土所处的环境和击实条件是其发生变形的外因。对膨胀土各种理论的研究，在一定程度上反映了膨胀土一水体系作用的本质及其规律，有助于对粘土胀缩性质的认识，对于一些必要的工程措施也起到了一定的指导作用。但是由于自然地质作用形成的土的组织结构的复杂性，土的胀缩机理也是极其复杂。因此，研究膨胀土的工程性质及其作用机理仍然是一件相当重要和复杂的事情。它对我们的工程有很大的指导帮助作用。
参考文献：
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