膨胀土的特征与判别：土木工程地质视角

膨胀土一般强度较高，压缩性低，易被认为是建筑性能较好的地基土。但由于其具有膨胀和收缩的特性，当利用这种土作为建筑物地基时，如果对它的特性缺乏认识，或在设计和施工中没有采取必要的措施，结果会给建筑物造成危害。

（一）膨胀土的特征

一般根据野外特征，结合室内试验指标及建筑物的破坏特点进行综合判别的方法来判定膨胀土。其主要特征为：

（1）在自然条件下，土的结构致密，多呈硬塑或坚硬状态；具有黄红、褐、棕红、灰白或灰绿等多种颜色。

（2）裂隙发育，常见裂隙有竖向、斜交和水平三种，裂隙中常充填灰绿、灰白色黏土，土被浸湿后裂隙回缩变窄或闭合。

（3）自由膨胀率不小于40%；天然含水量接近塑限，塑性指数大于17，多数在22～35之间；液性指数小于零；天然孔隙比变化范围在0.5～0.8之间。

（4）多出现于二级及三级以上河谷阶地、垅岗、山梁、斜坡、山前丘陵和盆地边缘，地形坡度平缓，无明显自然陡坎。

（5）土中成分含有较多亲水性强的蒙脱石、多水高岭石、伊利石（水云母）和硫化铁、蛭石等，有明显的湿胀干缩效应。暴露在空气中时，易干缩龟裂。

（6）膨胀土地区旱季地表常出现地裂，雨季则裂缝闭合。地裂上宽下窄，一般长10～80m，深度多在3.5～8.5m之间，壁面陡立而粗糙。

（二）膨胀土的判别

膨胀土的判别为了判别膨胀土以及膨胀土的胀缩性，常用如下一系列胀缩性指标。

1.胀缩性指标

（1）自由膨胀率δef。将人工制备的磨细烘干土样，经无颈漏斗注入量土杯（容积10ml）盛满刮平后，将试样倒入盛有蒸馏水的量筒（容积50ml）后加入凝聚剂并用搅拌器上下均匀搅拌10次。土粒下沉后每隔一定时间读取土样的体积数，直至认为膨胀达到稳定为止。则自由膨胀率为

式中　V0——干土样原有体积，即量土杯的体积，ml；

Vw——土样在水中膨胀稳定后的体积，ml。

自由膨胀率表示膨胀土在无结构力影响下和无压力作用下的膨胀特性，可反映土的矿物成分及含量。该指标一般用作膨胀土的判别指标。

（2）膨胀率δep。膨胀率表示原状土在侧限压缩仪中，在一定压力作用下，浸水膨胀稳定后，土样增加的高度与原高度之比，表示为

式中　h0——土样的原始高度，mm；

hw——土样浸水膨胀后的高度，mm。

（3）线缩率δs。线缩率是指土的竖向收缩应变与原状土样高度之比，可表示为

式中　h0——土样的原始高度，mm；

hi——试验中某次测得的土样高度，mm。

（4）收缩系数λs。根据不同时刻的线缩率及相应的含水量，可绘制收缩曲线（图4-2），可以看出：当含水量减小时，图的收缩过程分为三个阶段，即收缩阶段（Ⅰ）、过渡阶段（Ⅱ）和微缩阶段（Ⅲ）。第一阶段的界限含水量即为收缩含水量的比例限值（ωsy），在收缩阶段中含水量每降低1%时，所对应的线缩率的改变即为收缩系数λs

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式中　Δδs——收缩过程中与两点含水量之差对应的竖向线缩率之差，%；

Δω——收缩过程中直线变化阶段两点含水量之差，%。

2.膨胀土的判别

具有下列工程地质特征的场地，且自由膨胀率δef≥40%的土，应判定为膨胀土。

（1）裂隙发育，常有光滑面和擦痕，有的裂隙中充填着灰白、灰绿色黏土，在天然条件下呈坚硬或硬塑状态。

（2）多出露于二级或二级以上阶地、山前和盆地边缘丘陵地带，地形平缓，无明显自然陡坎。

（3）常见浅层塑性滑坡、地裂，新开挖坑（槽）壁易发生坍塌。

（4）建筑物裂缝随气候变化而张开和闭合。

3.膨胀土的膨胀潜势

图4-2　线缩率与含水量的关系曲线

通过上述膨胀土的判别，还需要进一步确定膨胀土的胀缩性能强弱程度，不同胀缩性能的膨胀土对建筑物的危害程度有明显的差别。调查表明：自由膨胀率较小的膨胀土，膨胀潜势较弱，建筑物损坏轻微；自由膨胀率高的膨胀土，具有强烈的膨胀潜势，则较多建筑物将遭到严重破坏。GBJ112—87《膨胀土地区建筑技术规范》按自由膨胀率的大小划分土的膨胀潜势强弱，以判别土的胀缩性高低，见表4-6。

4.膨胀土地基的胀缩等级

根据地基的膨胀、收缩变形对低层砖混结构房屋的影响程度，膨胀土地基的胀缩等级按分级胀缩变形量sc大小进行划分，可按表4-7分为级。等级越高其膨胀性越大。

表4-6　膨胀土的膨胀潜势分类

表4-7　膨胀土地基的胀缩等级

地基的胀缩变形量sc可按下式计算

式中　δepi——基础底面下第i层土在压力为（该层土的平均自重应力与平均附加应力之和）作用下的膨胀率，由室内实验确定；

λsi——第i层土的竖直线收缩系数；

hi——第i层土计算厚度，cm，一般为基础宽度的0.4倍；

Δωi——第i层土在收缩过程中可能发生的含水量变化的平均值（以小数表示），按GBJ112—1987《膨胀土地区建筑技术规范》公式计算；

n——基础底面至计算深度内所划分的土层数，计算深度一般根据大气影响深度确定；有浸水可能时，可按浸水影响深度确定；

ψ——计算胀缩变形量的经验系数，可取0.7。

膨胀土地基的设计，除按变形量设计外，还应进行地承载力计算和地基稳定性计算，其计算方法查GBJ112—87《膨胀土地区建筑技术规范》，在此就不另加阐述。