膨胀土的力学性质研究论文

一、前言

广东省茂名市存在着大面积民房裂缝问题。为此，1989年，我们与茂名石油工业公司的有关人员共同进行了调查研究，除宏观调查外，在房裂的13个村庄布置了25个钻孔，对5～10m 深的岩土进行取土分析。研究表明，民房裂缝的主要原因是膨胀土灾害所致。

二、房屋开裂的特征

1）房屋开裂成群出现：不仅一个村庄的房裂成群出现，而且成群房裂的村庄也是成群出现，现已发现有45个村庄的房屋出现成群的裂缝，这些村庄分布在约200km2范围内；

2）裂缝一般随气候的变化而变化：旱天裂缝张开或增大，雨季则裂缝减小或合闭，经反复胀缩，直至房屋不能使用；

3）特殊的裂缝形态：斜裂缝多，多见于墙角和山墙，前、后墙和隔墙也有，常呈倒八字形，垂直裂缝多出现在前、后墙的中部；交叉裂缝一般出现于变形比较严重的房屋，是斜裂缝的发展。

三、气候条件

茂名地区属亚热带海洋性气候。根据矿气象站1956～1987年的资料，年平均降雨量为1560mm，年平均蒸发量为，蒸发量大于降雨量，从1978～1987年，10年的平均值计算，其干燥度Kc=，属于亚湿润区。由于这种气候是季节性的干湿交替。引起膨胀土含水量的变化，导致季节性胀缩，房屋裂隙在旱季张开，雨季闭合，地裂情况也是如此。

四、地质地貌概况

茂名盆地属于中、新生代的沉积盆地，其中分布了白垩纪的红色砂岩及火山岩，上覆的第三纪（古、新近纪）河相、湖相，以及滨海沼泽相的沉积物，常出露在地表，组成陇岗的丘陵地形；第四纪的坡积、冲积层则分布于低洼处，所占面积较小。新第三纪（新近纪）的黄牛岭组、老虎岭组和高棚岭组的岩性，多各有差异，但主要是砂砾层、砂质粘土层、粘质砂土层和粘土的各种过渡层和交叉层，都属于河相、河湖相的沉积。裂缝的民房位于这3组中的粘土质土层即膨胀土层之上（图1）。

茂名膨胀土分布在陇岗的丘陵地带，地形坡度一般为2°～8°，开裂严重的民房大多位于山腰处，而山麓及山顶平坦场地上的民房一般不出现或开裂较微。究其原因是山腰处膨胀土层分布不均匀，且水分变化幅度大，造成差异胀缩大。此类膨胀土，在邻近的广西和云南等省（区）也有分布，这说明我国有一个有利于这类膨胀土的形成和演化的环境。

图1 露天矿采掘场上部黄牛岭地层剖面图

1—黄褐色粘土质砂；2—铁质沉积层；3—花斑状粘土（膨胀土）；4—黄色粘土质砂；5—灰白色粘土（膨胀土）；6—黄色粘土质砂；7—灰白色粘土（膨胀土）

五、岩土工程性质

1）颗粒成分：茂名膨胀土的颗粒成分示于表1，从表中看出，小于的粒径的含量一般较多，由于高分散性，这就增加了土的活性。

表1 茂名膨胀土的颗粒成分

2）化学成分：表2是样品的化学全分析结果，碱金属及碱土金属氧化物含量偏低，仅K20 含量稍高，主要原因是该区岩土风化程度较高。此外，由于铁质含量较高，为了弄清对胀缩性及岩土强度有否影响，采用了穆斯堡尔谱对结构铁和胶结铁进行区分。LZ11和M T13两个样分析表明，结构铁的含量分别占全铁的和，说明铁质主要以结构铁形式存在，对胀缩性影响不大。

样品阳离子交换量均偏低，但在与胀缩性指标对比后仍发现阳离子交换量值越大，胀缩性越高。

表2 茂名膨胀土的化学成分

3）矿物成分：样品的X 光粉末衍射（图2）、差热分析及红外光谱分析结果表明，粘土矿物主要为高岭石和伊利石，少量埃洛石和绿泥石，半定量分析结果见表3。

图2 X射线粉末衍射图

表3 茂名膨胀土粘土矿物半定量结果

4）微结构特征：在扫描电镜下，样品主要呈现4种微结构类型，面—面叠片结构、层状定向结构、蜂窝状结构和边面搭接的架空结构。

面—面叠片结构一般是以高岭石为主的土的结构特征，蜂窝状结构一般是以伊利石为主的土所特有，而层状定向结构及架空结构一般见于高岭石、伊利石为主的土中。

与膨胀力Pe对比后发现，具蜂窝状结构的土具较强的膨胀势，层状定向结构次之，而具面—面叠片结构及架空结构的土的膨胀势较弱。

表4 茂名膨胀土的物理性质

5）物理力学性质：物理性质中的液限是判别膨胀土的重要指标，从表4中看出，液限的平均值都大于49%，一般应判为膨胀土，其他物理指标也符合一般膨胀土的特征。

6）胀缩特征：胀缩特征示于表5。这些指标是按我国《膨胀地区建筑技术规范》的要求试验的，自由膨胀率是扰动土试验的结果，是判别指标，其范围值的40%～89%，膨胀潜势属弱到中等。其他3项指标是原状土试验的结果，用这些指标，按照上述规范的计算公式，结合膨胀土层的厚薄和土中含水量的变化幅度，可以计算出分级胀缩量的大小，以确定膨胀土地基的等级。

表5 茂名膨胀土的胀缩特征

六、水文地质条件

膨胀土所属的3个地层组即黄牛岭组、老虎岭组和高棚岭组，其岩性多变，含水条件复杂，特点是粘土隔水层和砂砾含水层交替出现，承压水、半承压水、自由水交替出现。

3个含水层的共同特点是大气降水为其主要补给源。图3表明了含水层的水位变化幅度随季节变化较大，一般为2～5m，为岩土的胀缩提供了外界条件。

图3 民井水位曲线

七、结论

通过大片民房裂缝的上部建筑结构和破坏特征的调查，下部地基基础的岩土测试，以及建筑场地的区域性的地质地貌、水文地质和气候等环境因素的分析，可以得出，茂名民房裂缝的主要原因是膨胀土灾害。有了这样的结论，茂名民房裂缝的重建和修复可以建立在正确认识的基础上了。

（本文原载：《中国地质灾害与防治学报》，第二届全国地质灾害与防治学术讨论会论文集，第5卷增刊，1994年10月，201～206页；作者还有李姗林、邓红灯、焦景有、蔡娌妮、郭福江）

土力学学术论文篇二 土力学发展概况 摘 要：随着社会的高度现代化，土力学在工程上的应用范围越来越广，人类对土力学的研究也更加的深入。本文通过回顾土力学发展历程，分析当前土力学研究的缺陷，包括土力学经典理论的局限性，非饱和土力学研究的缺陷性，动荷载作用下土体研究的不成熟性。最后结合土力学研究的缺陷，对今后土力学的发展提出预测。 关键词：饱和土 非饱和土 动荷载 中图分类号：TU41 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2014)04(b)-0225-01 土力学是运用工程力学的理论和方法来研究土体力学性质的学科[1]。它在实际工程如地基、挡土墙、土工建筑物中都有重要的应用。研究土力学，对我们从事土木工程活动的人士来说具有重要意义。本文根据土力学发展历史，分析当前土力学研究缺陷，预测土力学未来的发展。 1 土力学的发展历程 土力学历史悠久，起源于人类生产生活所积累的经验，古时候人们用压实土料修筑堤坝防洪，用夯实土基兴修各类工程等均属于土力学的范畴。近代土力学的发展开始于1776年库仑土压力理论的提出[1]。此后，1856年法国科学家达西发表了著名的达西渗透定律，1857年英国科学家郎肯发表了郎肯土压力理论，这些理论促进了近代土力学的发展。1925年太沙基提出了有效应力原理及渗透固结理论，从此土力学成为一门独立的科学。1950年后人类在土的基本性质、测试手段、计算技术、加固方法等方面均有较大发展。1980年后，土力学出现了新的分支，如计算土力学[2]，海洋土力学等。 土力学自成立以来经历两个发展阶段。第一阶段即1925年―1960年的近代土力学阶段，这一阶段土力学都是以太沙基理论为基础而展开研究的，但由于该理论过于片面，土体性质过于复杂，导致很多问题无法深入研究。第二阶段即1960年后的现代土力学阶段，以罗斯科为代表的临界土力学创立，从此人类对土体本构关系的研究步入了新的境界。人们开始综合考虑研究土体受力后的应力、应变、强度、稳定性以及它们和时间之间的关系[3]。 2 土力学当前发展中存在的问题 纵观土力学的发展历程，虽然取得了很大的进步，但是仍然存在着不少问题。 土力学理论不够完备 土力学是一门以实验为基础的理论学科，但是由于土体性质复杂，到目前为止，仍处于半经验办理论的发展阶段，未能形成公认的基础理论。太沙基把土体的压密和渗透结合起来推导出的一维固结微分方程能很好的反映土体单向固结的机理，但是在多维固结问题上并不适用。比奥固结理论能解出孔压分布，给出位移场，获得土体应力应变非线性、弹塑性和骨架的流变情况，但是参数确定的偏差会导致工程计算结果和实际测量结果差别很大[1]。所以这些理论都有自身的局限性，不能符合一般土体受力状态下的性能。 解决非饱和土问题方法欠缺 传统土力学理论只适用于解决饱和土的问题，其规律也是根据饱和土试验得出。然而工程中遇到饱和土的情况十分罕见，即使是软土地区，其表层土也不会是饱和的。将处理饱和土的方法应用于非饱和土不是很妥当，因为土的特性随其含水量有很大的不同，如膨胀土遇水后体积会膨胀，而失陷性黄土遇水后体积会收缩，而且它们的强度也会因遇水而降低[3]。于是有人提出了非饱和土强度理论，这些理论都是以吸力及为计算依据，但是由于吸力测试技术不够成熟，存在很多问题，不能被广泛采纳。 动荷载作用下土体规律的研究还不成熟 研究动荷载作用尤其是循环动荷载作用下土的力学特性，在道路的建设和维护方面具有重要意义[4]。尽管国内外开展了不少这方面的研究，提出了相关理论，但是动荷载作用下土体的变形、强度、以及液化规律比静荷载作用更复杂、更难把握，所以相关研究结论适用条件和范围都很有限，理论就更不成熟了。 3 土力学发展方向预测 土力学是研究土体特性的学科，土是经过漫长的地壳运动而形成的，不同地域的土其成分有很大的差异，即使是同一地方的土因所处的地层不同性质而相差很大，而且土的构造和结构对土的性质也有至关重要的影响，因此土的特性很强。土有的时候是饱和的，有的时候是不饱和的，有时可以看成是连续的介质，有时又不能看成连续的介质，它具有弹性、粘性和塑性等性能，这些都说明了土体的性质十分复杂。因此研究土力学需要采用理论、试验相结合的方式。 土的微观和细观研究 土是由固、液、气三相组合而成，土颗粒之间固液气三相的相互作用决定了土的力学性质区别于其他一切材料。土体强度、变形的宏观规律是与其微观结构直接相关的，通过微观试验研究，以探究土的非线性、弹塑性、各向异性、流变性等问题，可以更清楚的认识宏观规律的机理，从而初步把握其宏观规律。因此，微观和宏观相结合有可能使土体力学特性的研究出现转机。 土体的原位试验和无损探测 室内试验和原位试验之间存在着不可忽视的差别，室内试验时，压缩模量是在无侧向变形条件下测出的，而土的初始应力状况与沉积条件有关;在完全相同的条件下测量土的沉降量，试验结果表明压缩模量越大的土，它的计算沉降和实测沉降相差越大[3]。现有原位实验方法如标准贯入试验，触探试验只能用于小型工程，钻孔取土愈深，土的结构破坏愈大，试验结果的可靠度也就越差。因此发展更加先进的测探技术，可以克服取土后土结构的巨大变化和应力状态的改变，能大大提高试验结果的精确性。 非饱和土的研究 非饱和土力学理论之所以没能像饱和土力学理论一样同步发展，最主要的原因是影响非饱和土性质因素众多，关系复杂，它很难像饱和土那样找出应力应变之间一一对应的关系。此外非饱和土特性测试技术难度比饱和土大得多，这进一步制约了非饱和土理论的发展。由于非饱和土中存在气体，较之饱和土性质大有区别而且更加的复杂，研究非饱和土中固、液、气之间的相互影响关系成为解决非饱和土问题的重要出路。今后非饱和土的研究将着重于土体表面吸力的测定，土-水特征性能表征等方面。 4 结语 正如太沙基所说：土力学既是一门科学，又是一门艺术[1]。工程实践经验具有不可替代的重要意义。随着科技的进步，各种研究方法和手段不断进步，各种各样的工程勘察设备和试验设备得以研制，电子计算机的应用水平和实验测试技术的自动化程度不断提高，今后土力学的发展将呈现蓬勃的朝气。 参考文献 [1] 姜晨光.土力学与地基基础[M].北京：化学工业出版社，2013：8-12. [2] 蔡东，李国方.土力学的研究内容与学科发展[J].黑龙江水利科技，2008，36(2)：92. [3] 赵成刚，韦昌富，蔡国庆.土力学理论的发展和面临的挑战[J].岩土力学，2011，32(12)：3521-3522. [4] 焦贵德，赵淑萍，马巍.循环荷载下高温冻土的变形和强度特性[J].岩土工程学报，2013，35(8)：1553. 看了“土力学学术论文”的人还看： 1. 发表学术论文的心得 2. 关于学术论文的格式范文 3. 关于圆的学术论文 4. 大学物理学术论文2500字 5. 建筑学术论文范文