中国膨胀土的分布及其研究现状综述

1/39中国膨胀土的分布及其研究现状综述Xxcxx摘要：膨胀土是颗粒高度分散、成分以黏土矿物为主、对环境的湿热变化敏感的高塑性粘土。因其吸水膨胀软化、失水收缩干裂的典型特性，给工程的设计施工和运营带来严重的安全隐患。从其被发现到现在，膨胀土在基础理论、试验方法、工程处理等方面的研究都取得了重大的成果和积累了丰富的经验。笔者对膨胀土近三十年来的研究现状作一概述，总结了膨胀土的成因与分布、组成与结构、判别与分类，重点叙述了膨胀土的工程性质，最后列出了几个膨胀土研究中的热点问题，代表人物及其突出贡献，以及膨胀土地区的具体工程问题及其处理方法。关键词：膨胀土；蒙脱石；粘土矿物；工程性质；多裂隙；超固结性1引言膨胀土系指土中粘土矿物成分主要由亲水矿物组成，同时具有吸水显著膨胀软化和失水收缩干裂两种特性，且具有湿胀干缩往复变形的高塑性粘土[1]。作为一种颗粒高分散、成分以粘土矿物为主、对环境的湿热变化敏感的粘土，因其吸水膨胀软化、失水收缩干裂的特性，工程界常称之为灾害性土，也有学者戏称其为“工程癌症”[2-4]。决定其膨胀性的亲水矿物主要是蒙脱石、伊利石、高岭石等粘土矿物。膨胀土的主要特征有（1）膨胀土中的粘土矿物成分主要是由亲水性矿物组成的，而蒙脱石则是最典型的强亲水矿物，伊利石（水云母）具有中等亲水性，这两类粘土矿物都具有膨胀的微观结构。对湿度状态的变化特别敏感。（2）吸水膨胀和失水收缩，这种变形是可逆的，即可以吸水膨胀、失水收缩，再吸水膨胀，失水收缩，并胀缩变形显著。（3）吸水膨胀后强度降低，并有随之湿化崩解的现象；而失水收缩后的土强度增大，一般都较干硬，但常伴有裂隙产生。（4）膨胀土一般具有高液限、低塑性以及塑性指数较高的特性，因为从土质分类与土的工程分类意义来讲，属于高塑型粘性土范畴。（5）膨胀土的粒度组成中粘粒（＜2μm）含量大于30%，属液限大于40%的高塑性和超固结性粘土。根据膨胀土在不同地区主要表现出来的特性不同，这类粘土有不同的叫法，比如在干旱地区，这类土主要表现的是失水收缩，叫胀缩土，有的由于裂隙发展影响工程安全与稳定，叫裂土；也有根据土的产地、颜色和性质等命名，比如英国伦敦粘土、南非黑泥、印度黑棉2/39土等。但在国际范围内公认命名为膨胀土（ExpansiveSoils），我国基本上叫膨胀土。膨胀土在世界范围内分布广泛，已发现有膨胀土的国家和地区大约有40多个，就亚洲地区而言，主要集中在北纬10°以为到北纬45°之间的广阔区域，在我国，膨胀土特别发育，且存在的工程问题突出。作为一种特殊粘土，其吸水膨胀软化、失水收缩干裂的特性使膨胀土地区的各项建筑工程如房屋、铁路、公路、堤坝、机场、渠道等经常遭受巨大的破坏，造成严重的经济损失。了解控制膨胀土工程特性的内在因素，探讨其胀缩机理，探讨膨胀土研究的新技术和新方法，研究膨胀土改良与加固新方法等问题是当下膨胀土工程研究的热点问题。本文主要对膨胀土的性质、全国分布和近30年来的研究现状做一个粗略的总结和归纳，为膨胀土研究和膨胀土地区的工程建设提供参考。2膨胀土的成因与全国分布2.1膨胀土的成因膨胀土主要是由含有硅铝酸盐的岩石风化，经流水搬运或就地残积而成的产物。这包括沉积岩、火成岩和变质岩经日晒破碎，经流水动力搬运与分选，在重力作用下沉积而生成的流水建造膨胀土，或经风化破碎，未经搬运，在原地堆积演化发育而生成的残积成因膨胀土，或是混合型膨胀土。因而根据膨胀土形成类型，可以将膨胀土分成残积成因膨胀土，河流冲积成因膨胀土，湖积成因膨胀土，洪积成因膨胀土，冰水成因膨胀土，此外还有海相沉积膨胀土。我国地域广阔，源于不同的地形地质和气候条件，膨胀土的成因类型多，这体现在不同地区的膨胀土的物质组成、结构和主要工程性质不一样。表2.1收集了我国典型膨胀土地区的膨胀土成因类型及其与母岩的关系[5]。3/39表2.1我国膨胀土主要成因类型从表中可以看出，我国膨胀土的成因多以冲击、湖积和混合成因为主，海相成因的较少，海相成因的膨胀土主要分布在沿海国家，这得益于其长大海岸线。2.2膨胀土的分布在我国，膨胀土特别发育，分布区域主要集中在西南、西北、东北，黄河中下游地区，长江中下游地区和部分东南沿海地区。现已发现有膨胀土的地区有广东、广西、海南、云南、贵州、四川、新疆、甘肃、宁夏、吉林、辽宁、黑龙江、湖北、安徽、江苏、浙江、陕西、山西、河南、山东、河北、北京等20多个省、市、自治区，总面积在10万km²以上，在全国范围内的具体分布见图2.14/39图2.1全国膨胀土分布图由图2.1可以看出，我国膨胀土的分布主要集中在从云贵高原到华北平原之间的各大小平原之间的平原、盆地、河谷阶地、河间地块和丘陵地带，这源于我国特有的地形地质和广泛发育的水系。典型膨胀土分布地区的分布特征（1）长江流域膨胀土的分布特征长江中下游地区的膨胀土分布特征主要表现以下三点1）膨胀土分布地域与区域地形地质条件相关，特别是地层的空间分布上表现明显。膨胀土多数呈零星分布，厚度也较薄。2）膨胀土分布与地貌密切相关，长江流域绝大多数膨胀土集中分布在!级阶地以上、盆地及平原内部，例如成都平原、南（阳）襄（樊）盆地、汉中盆地、合肥阶地等地区，仅少数残积坡积膨胀土分布在低山丘陵剥蚀的地貌单元上。3）膨胀土分布与气候有关，长江流域膨胀土主要集中在半干旱温热带气候地区。（2）南水北调中线工程中，黄河流域膨胀土分布及野外特征如表2.2所示5/39表2.2黄河流域膨胀土分布特征从表2.2可以看出，黄河流域膨胀土主要分布在渠首-汝河段，并以南阳盆地最为典型和集中。膨胀土形成类型包含了残积、坡积、冲积、湖积，并各有不同的野外特征。（3）西南地区膨胀土分布省份包括云南、贵州和四川，云南地区，膨胀土主要分布在滇西高原的下关-保山以东、蒙自-大屯盆地和鸡街盆地；贵州境内的膨胀土大多分布在黔东南和黔西北，这与广泛分布在这一区域的泥灰岩与粘土质岩石有关，此外在黔中的一些地区的小型山间盆地与丘陵缓坡；四川地区的川西平原、川中丘陵以及培江、岷江、嘉陵江及安宁河谷阶地，其中著名的“成都粘土”分布面积较大，属典型的膨胀土，对工程危害大。（4）西北和东北地区西北地区在陕甘宁地区，盐池、环县、内蒙古赤峰等膨胀土特别发育，有底地区甚至发现含有蒙脱石粘土矿物特别富集。东北地区的吉林、抚顺、图门与珲春发现膨胀土。（5）南部沿海广东地区的膨胀土分布零散，主要有粤西的湛江，粤北的韶关、乐昌等地。广西境内分6/39布较广，也比较典型，主要分布在右江、郁江、黔江等江河盆地，发现膨胀土出露的地区有南宁、隆安、田东、百色等盆地，尤以宁明盆地和桂林、柳州、来宾、贵县等地比较典型。膨胀土是自然地质历史作用的产物，其生成与发育与地区的地形地质、水文气候条件有密切的关系。我国地域辽阔，不同的地质背景造就了不同地区膨胀土的分布特点。3膨胀土的组成与结构3.1膨胀土的物质组成膨胀土的特殊工程性质是受其矿物组成和化学成分以及结构控制的，研究膨胀土的物质组成与结构不仅可以了解控制膨胀土工程特性的内在因素，探讨其胀缩机理，而且是探讨膨胀土研究的新技术和新方法所必不可少的途径，也是研究膨胀土改良与加固新方法的重要技术手段。3.1.1矿物成分膨胀土的矿物成分包括粘土矿物和碎屑矿物。碎屑矿物中大部分为石英、斜长石和云母，其次为方解石和石膏等矿物。碎屑矿物构成膨胀土的粗粒部分，含量有限，对膨胀土的胀缩性质影响不大。粘土矿物构成膨胀土的细粒部分，对膨胀土的工程性质取决定性作用，主要有蒙脱石和伊利石，其次为高岭石和蛭石、绿泥石等。研究发现，我国膨胀土粘土矿物成分主要是伊利石，含有一定量的蒙脱石、多水高岭石或高岭石等矿物组分的混合体，曲永新等[6]将其称为混层矿物，即为不同混层比的伊利石/蒙脱石的混层矿物。据最新研究认为，此种矿物是膨胀土中占优势地位的矿物，符合实际情况。问题是目前尚缺少一种能够顺利准确鉴定此类矿物的方法。此外，伊利石性质不稳定，在适宜的条件下会失去钾离子变成似蒙脱石。对膨胀土而言，影响其性质的是粘土矿物，就蒙脱石而言，只要土中蒙脱石有效成分含量超过5%时，对土的工程性质产生影响；有效含量超过20%-30%时，则土的胀缩性和强度特性基本上由蒙脱石决定。我国主要地区膨胀土以伊利石为主，蒙脱石含量在18%-44%之间，我国各地膨胀土主要矿物成分见表2.3[1]7/39表2.3我国各地膨胀土主要粘土矿物成分及鉴定方法8/393.1.2化学成分与矿物成分对应，膨胀土中化学成分主要包括：2SiO、23AlO、和23FeO，其次是MgO、CaO和2KO、2NaO，含少量的2TiO、MnO和25PO。膨胀土化学成分以2SiO为主，占其50%含量以上，23AlO一般占15%-25%，而23FeO的含量一般在4%-10%之间，三者为膨胀土的主要成分，大约在73%-86%之间。表2.4列出了我国典型地区膨胀土化学成分[1]表2.4我国部分地区膨胀土化学成分3.1.3粒度成分粒度，通俗地说是指颗粒大小，粒度成分是反映膨胀土性质的一个重要指标。与其矿物成分对应，组成膨胀土的粒度成分以细颗粒为主。调查表明，我国膨胀土中小于0.005mm的粘粒，一般的平均含量大多在50%以上，最低的都在30%以上；0.05～0.005mm的粉粒含量，一般在25%-50%之间；大于0.05mm的沙粒含量相对较少。从这来看，膨胀土为粘土或粉质粘土。表2.5是我国部分地区膨胀土的粒度成分。9/39表2.5我国部分地区膨胀土的粒度成分3.2膨胀土的结构特征3.2.1膨胀土的微结构特征对膨胀土微结构的研究有助于我们更加深入理解和认识膨胀土的力学性质及胀缩理论。膨胀土的微结构是指在一定地质环境和条件下，土粒和粒团的排列方式，微孔隙与微裂隙的大小、形状、数量及其空间分布与充填情况，接触与连接方式等所构成的微结构特征。膨胀土中片状粘土矿物彼此叠聚在一块，构成膨胀土中活动性的基本结构单元，这些叠聚体彼此集聚组合成粘土基质。少量的碎屑矿物成棱角状或次棱角状颗粒，悬浮在粘土基质中。现阶段对膨胀土微结构的研究，大多还只是在结构的形态特征描述方面，对于结构之间的联结性质的研究有待加强，尤其是对于结构特征与土的物理力学性质之间的关系的研究为10/39数不多。随着20世纪60年代末期X－射线衍射(XRD)、扫描电镜〔SEM〕、透射电镜(TEM)等测试技术的发展以及数字化图像处理技术的应用，人们对土的微观结构的认识更加深入[7]。在膨胀土中的粘土矿物颗粒，大多彼此以面-面的方式叠聚在一起，如图3.1所示[1]。图3.1膨胀土中粘土矿物颗粒的排列这种粘土矿物聚集体定向排列的特点与母岩即粘土页岩矿物的高定向是一致的，这种定向分布的微结构特性，决定它的力学性质和膨胀性的各向异性，其构成了膨胀土的吸水膨胀和失水收缩的最有利结构特征。对于高速公路路基来说通过碾压重塑破坏微结构的定向性是十分重要的。在膨胀土微结构的研究中，廖世文、李生林、施斌等研究发现膨胀土的胀缩性、强度特性以及变形特性，很大程度上取决于膨胀土的结构特征，并用微结构解析了膨胀土的膨胀机理；谭罗荣提出了一个评价试样定向度的公式；袁俊平（2003）提出了可以采用显示裂隙图像的灰度熵作为裂隙发育程度的度量指标；施斌（1996）使用DIPIX图像处理系统对郧县击实膨胀土的定向排列结构以及310国道路基土掺石灰前后的微结构形貌进行了定量处理。3.2.2土体结构自然界分布的膨胀土，往往不是均质单一的理想土层，很多是多个性质差异比较大的土层组成的复合体，单个土层也存在节理裂隙、地下水等，这些土层和节理、层理等不连续面构成了自然界的膨胀土复合土体。这些不连续面试影响膨胀土工程性质的最直接原因（卢再11/39华）。膨胀土体的宏观特征研究中，主要包括土层的裂隙、节理发育程度及其组合关系，各土层之间彼此接触关系及其层面的性质和产状，土体中间软弱夹层的性质及其空间分布规律，膨胀土层与非膨胀土层之间的接触关系，风化程度及其风化带的界面特性，土体膨胀与收缩变形及其变形时层间的关系，土体的节理与构造发育程度及其特征。这些土体结构构成了膨胀土的不连