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膨胀土（岩）研究现状及科技支撑计划项目研究情况 （膨胀土工程特性、渠坡破坏机理及防治对策） 水利部长江勘测技术研究院 蔡耀军 2012年3月15日 目 录 一、膨胀土特性 1 二、膨胀土渠坡变形破坏机理 12 三、膨胀土渠道滑坡防治对策研究 14 四、渠道抬升变形机理与防治 19 五、十二五国家科技支撑计划膨胀土处理技术研究简介 20 一、膨胀土工程特性 1.膨胀土的物质组成与膨胀破坏机制 膨胀土是一种吸水膨胀软化、失水收缩开裂的特殊粘性土，这一特性常造成低层建筑物开裂变形，造成开挖边坡发生滑动破坏。此外，其反复胀缩变形及引起的强度衰减还对工程的长期安全运行构成隐患。矿物及化学成分和微观结构是膨胀土胀缩特性的内在因素。膨胀土的粘土矿物主要为蒙脱石、伊利石和高岭石等，但胀缩特性主要由亲水性粘土矿物蒙脱石和伊利石决定，它具有较大的比表面及阳离子交换量，在与水相互作用过程中，能吸水引起粒间膨胀及矿物晶体膨胀。粘土矿物在微观下具有不同的形状、排列方式及定向性等，不同的微观结构具有不同的膨胀特性。对膨胀土蒙脱石含量和阳离子交换量的测定，可以作为膨胀特性评判的依据之一。 在同一地质单元或地貌单元区，粘粒含量与土的膨胀性有一定相关性，总体上两者间呈正相关。但在不同地质单元区之间，粘粒含量与土体膨胀性之间相关性不明显，见图1-1。 表 我国部分水利工程膨胀颗粒成分 序号 工程名称 地区 粒 级 含 量 0.05mm 0.05~0.005mm 0.005mm 0.002mm 1 新汴河排洪渠 安徽宿州 10 46 44 26 2 高级渠 河北邯郸 11 39 50 30 3 南湾灌渠 河南信阳 7 40 53 32 4 漳河总干渠 湖北荆门 8 47 45 37 5 东风灌渠 四川成都 6 44 50 40 6 那板干渠 广西上思 7 35 58 42 7 南盛引水渠 广东茂名 7 46 47 28 8 西大沟引水渠 云南蒙自 3 40 57 38 9 花溪水库 贵州贵阳 9 30 61 36 10 引嫩工程 黑龙江富裕 7 32 61 37 11 引丹五干渠 湖北襄樊 5 50 45 28 12 岳城水库 河北磁县 6 27 67 41 图1-1 南阳膨胀土试验段及南阳盆地膨胀土（岩）粘粒含量与膨胀性关系 矿物成分测定主要利用X射线衍射法（简称XRD法）。XRD法是通过粘土矿物X射线衍射图谱，采用专用程序并根据粘土矿物2θ角强度和波峰宽度定量计算粘土矿物含量的方法。 膨胀土的碎屑矿物主要成分为石英和长石，少量为方解石和赤铁矿。碎屑矿物的特点是物理、化学性质稳定或较稳定，这也是为什么膨胀土中掺砂、掺粉煤灰能够改变其膨胀性的原因。 粘土矿物中，蒙脱石含量的多少是决定土体膨胀潜势的关键。南阳盆地灰绿色膨胀土蒙脱石含量最高，占30%~50%；棕红色、赤红色膨胀土蒙脱石含量次之，占25%~30%；褐黄色、黄褐色、棕黄色膨胀土蒙脱石含量占11%~25%；灰褐色膨胀土蒙脱石含量最低，占7%~15% 我国的膨胀土主要分布在侏罗系、白垩系、第三系和第四系。长江流域中下游地区侏罗系层间软弱夹层富含蒙脱石矿物，常常发育成为大型或巨型滑坡的滑带，如重庆万州一系列水平滑坡、嘉陵江流域众多的水平滑坡、云阳等地的巨型岩质滑坡。 新近世（N）粘土岩普遍具有中—强膨胀性，特别是灰绿色、灰白色粘土岩蒙脱石含量高、颗粒细腻，膨胀性强，膨胀力大。第四系膨胀土的矿物成分、膨胀性具有强烈的随机性。总地看，湖泊相或河湖相沉积的膨胀土蒙脱石含量相对较高，冲积、冰积膨胀土蒙脱石含量较小；具有红土特性的残坡积膨胀土蒙脱石含量较高。从膨胀土的化学成分Si/Al比也可间接判断矿物成分。 （3）阳离子交换量 引起膨胀土膨胀的主要矿物是蒙脱石，蒙脱石层间含有可交换性阳离子，阳离子交换量可以大致反映膨胀土中蒙脱石粘土矿物的近似含量。 依据国标《膨润土》（GB/T 20973—2007）的原理，用氯化钡溶液处理膨胀土，钡离子与膨胀土中交换性阳离子发生等量交换，膨胀土中交换性钡与硫酸镁反应，生成硫酸钡沉淀，以消耗加入的标准硫酸镁溶液测定出膨润土的阳离子交换量。坡积灰褐色粉质粘土阳离子交换量最低；弱膨胀粉质粘土阳离子交换量24.47~36.69 mmol/100g，平均值31.08 mmol/100g；中膨胀粉质粘土阳离子交换量29.10~36.07 mmol/100g，平均值36.07 mmol/100g。南阳石膏坑灰绿色粘土岩阳离子交换量最高，为67.57 mmol/100g。说明膨胀土阳离子交换性能与其沉积环境密切相关，阳离子交换量与土体膨胀性有很好的对应性。絮凝结构其基本单元主要为扁平状聚集体和片状颗粒。它们以边-面接触为主，边-边和面-面接触