膨胀岩(土)在南水北调中线工程河南境内沿线广泛出露。膨胀岩(土)具有特殊的物理力学性质,遇水会引起强度和体积的急剧变化,造成工程建筑物的破坏。　　 南水北调中线工程沿线出露的岩石以奥陶系和第三系地层为主,其中干渠渠底高程以上又以上第三系地层为主。奥陶系灰岩和白云岩属硬岩,不具膨胀性,而上第三系地层岩石属软岩至极软岩,具有不同程度的膨胀性,容易对工程造成危害。　　 上第三系潞王坟组出露的泥灰岩和粘土岩从岩土特性和出露范围上都有代表性,因此,被选为膨胀岩(土)工程地质性质和加固试验的主要研究对象。　　 由于上第三系泥灰岩和粘土岩都具有粘粒含量高及“半土半岩”的性质,具有遇水易崩解、膨胀的特性,使得用ISS离子固化剂、石灰等固化剂改性这类岩(土),将其作为回填材料加固渠坡渠基成为可能。　　 南水北调中线工程渠线长、投资大,工程地质条件复杂,尤其是膨胀岩土对工程的影响巨大,因此对膨胀岩土的研究迫在眉睫。对膨胀岩土的研究主要集中在两个方面,一方面,弄清其工程地质性质,为渠道工程提供详尽可靠的设计参数;另一方面,南水北调中线工程建设中需要回填大量土方,不具膨胀性的良好土质较少,将开挖出米具有膨胀性的膨胀岩(士)改性,然后应用到工程中。　　 ISS离子土固化剂(IonicSoilStabilizer,简称ISS)、石灰等固化剂改性膨胀岩土较其他物理改性,如土工格栅、土工袋等改性方式具有成本低、施工工艺简单等优点,可节约大量投资。因此,ISS离子土固化剂、石灰等固化剂改性膨胀岩土被选为加固试验的研究对象。　　 本文分析了南水北调中线工程出露的膨胀岩土原岩赋存的地层、沉积环境以及经历的构造运动。然后研究了膨胀岩土抵抗软化和耐崩解性的能力、波速特征和强度特征。选择改性材料,分析了固化材料的基本性质,研究了膨胀岩土改性前后的膨胀性质,为了研究膨胀岩土的膨胀机理以及加固机理,制订了各种固化剂最优配比方案,通过实验确定了各种同化剂的最优掺量,得出固化剂在不同组合下改性土的最优含水率和最大干密度,确定了实验制样的编号、制样方法及试什养护等研究内容。　　 用XRD射线衍射方法、热重/差热分析方法分析了膨胀岩(土)的矿物组成,以及结合水在改性前后的变化规律。用电镜扫描(SEM)方法观察了膨胀岩土的矿物微观结构及变形特征;用化学全分析的方法研究了膨胀岩土的氧化物含量及其烧失量;研究了膨胀岩土改性前后的比表面积变化。利用常规试验方法分析了膨胀岩土改性前后在不同介质中自由膨胀率的变化规律及其渗透性质和强度变化特征;改性前后膨胀岩土的膨胀特性与初始含水率的关系;通过红外光谱分析方法研究膨胀岩土中OH-的变化规律,从而研究膨胀岩土的膨胀机理问题。用英国生产的型号为ZS90的ζ电位及纳米粒度分析仪,分析膨胀岩土ζ电位的变化规律;采用氯化钡缓冲液法测定帖土中阳离子交换总量;在此基础上,研究了膨胀岩土结合水膜的变化规律,分析其膨胀机理和加固机理。　　 本文在最后探讨了有关施工参数的宴验研究,提出了合理灰剂量的确定方法、施工现场配合比的调整方法、施工现场成品改性土快速检测指标的确定。在施工组织设计中对碾压工艺进行了研究;提出了路拌法的施工工艺;指出了影响改性土性质的施工因素及防护措施的可行性。　　 本文的主要研究内容和结论为:　　 首先,南水北调中线工程出露的膨胀岩土的沉积相属第三系、河流—滨湖沉积环境,由于成岩时间短,在一定条件下,可呈现或“岩石”或“土”的特征。经过喜马拉雅旋回的晚期发展阶段,形成了河南省近南北向展布的隆东构造面和西高东低的现代地貌形态及黄淮海平原。由于构造运动发育,使得岩石中的裂隙和软弱夹层增多,岩士体的整体强度不高,从工程建设中的地质工程角度看,增加了工程建设的复杂性。研究区内膨胀岩土抵抗软化及崩解作用的能力都很低,耐崩解性等级属根低等级。　　 黄色粘土岩抗压强度低,不具备岩石的性质;泥灰岩和粘土岩的冻融质量损失率Lf虽然不大,但由于试验前对岩样进行了约束.故冻融质量损失率较小;若不进行约束,岩样会崩解,试验将无法进行。泥灰岩的5次和20次冻融系数均为0.05:粘土岩的5次冻融系数为0,09,20次冻融系数为0.06。实际上,两种岩石在遇水前属软岩,遇水后属极软岩,其自然饱和抗压强度都较低,特别是当岩石的冻融系数小于0.1时,几乎没有抗压强度,冻融后的岩样具有土的特征,这是膨胀岩土的又一特征。在天然状态下直接剪切的抗剪强度值最高,固结快剪和反复慢剪峰值妊度也很大;在同等试验条件下白色泥灰岩和红色粘士岩、黄色粘土岩的峰值强度有很大差别,混灰岩最高,是粘土岩强度位的2倍多,但是经过五次慢剪后,泥灰岩强度迅速衰减,残余强度仅比粘土岩的残余强度稍高。这一点也可以说明泥灰岩经过长期浸泡后,具有“土”的力学性质,和粘土岩相似的力学性质。　　 岩土体的土岩界限判定应采用天然状态下的指标,这些指标能够直观、真实反映岩土体对工程的实际影响;在天然状态下岩土体的抗压强度大于0.5Mpa、纵波波速大于1500m/s时,岩土样呈现“岩石”的性质:在天然状态下岩土体的抗压强度小于0.5Mpa、纵波波速小于1500m/s时,岩土样呈现“土”的性质。所测结果显示在天然状态下白色泥灰岩和红色粘土岩具有“岩石”的性质,黄色粘土岩具有“土”的性质。　　 固化剂分别为稀释的ISS离子士液体固化剂(1:250),其掺量为某一膨胀岩土的最优含水量:固体固化剂为生石灰和消石灰,掺量为60%。　　 其次,采用XRD射线衍射方法、能谱分析方法分折了膨胀岩(土)的矿物组成,研究结果认为,白色泥灰岩中的蒙脱石含量在31%以上、红色粘土岩中蒙脱石含量在35%以上、黄色粘土岩中的蒙脱石含量在42%以上。同时证明了泥灰岩中有大量方解石的存在,并含有长石、粘土矿物等,粘土岩中含有大量的粘土矿物。热重/差热分析得出,三种岩土样都有粘土矿物层间水的重量损失,说明粘土矿物的存在;在750℃左右有一个强烈的吸热峰,说明方解石的存在。电镜扫描(SEM)结果显示:泥灰岩具有粒状结构;矿物有溶蚀边,空隙较多;粘土岩和粘土具有似层状结构,为非完整层状结构,粘土矿物非完全定向排列,空隙度大,部分粘土矿物层面平直光滑,少量粘土矿物有弯曲面;纯水制作的膨胀岩土重塑土样结构中有小的空洞;原岩土经过1:250ISS离子土固化剂改性作用后,可以减小孔径,使相邻土颗粒连为一体,增加土的整体结构,土样较原岩土致密;经过生石灰和消石灰的改性作用后,空洞已经更小,进一步增强了改性土的整体性,且石灰改性后,胶结更加强烈,孔径虽有所增大,但数量有所减少;两种掺加剂都能增加土的强度,作用机理有所不同。粘土矿物主要含有层状硅酸盐,其结构形式改性前后表现基本一致,变化不大,说明改性后,没有产生新的矿物。　　 原岩中白色泥灰岩的比表面积最小,其次为红色粘土岩,黄色粘土岩的比表面积最大。无论哪种膨胀岩,改性后比表面积都有不同程度的减小,其中,单加ISS离子土固化剂改性土的比表面积降幅最小,加了ISS离子土固化剂和石灰后的比表面积降幅最大,尤以加了生石灰的比表面积最小。　　 改性膨胀岩土的强度特征:因“砂化”作用,石灰改性土的干密度较原岩重塑土的干密度有不同程度降低,仅只加ISS离子土固化剂改性土的干密度有所提高;渗透系数也有所降低,说明改性土的渗透性较重塑原岩的渗透性减弱。掺加剂对中～强膨胀土改性的效果更明显。从改性土的强度分析得知,对弱膨胀土来说,纯水改性土前期强度增长很快,对中～强膨胀土的改性中,ISS离子土固化剂改性土后期强度增长很快,ISS离子土固化剂对后期强度增长贡献很大。　　 第三,改性土在煤油中的自由膨胀最小,与煤油中羟基含量较少有芙,说明膨胀岩土与有机质的其他有机基较少反应,使得膨胀岩土膨胀量不大。在8%NaOH、5%HCl溶液中的自由膨胀率比在1:250ISS离子土固化剂中的自由膨胀率大,这是因为较大和较小的pH值对都不能很好地抑制改性土的膨胀性。三种原岩中,白色泥灰岩的自由膨胀率最小,红色粘土岩次之,黄色粘土岩最大,经过改性后,各自的自由膨胀率依然遵循这个规律,但量值有所降低。总体来说,以加ISS离子土固化剂和生石灰复合改性士效果最好。　　 改性膨胀岩土的水稳定性跟初始含水率有相当大的关系,当初始含水率为0(烘干状态),将岩土样放入水中容易崩解,将改性土后制成放入标准养护间养护厉,经过6个循环的干湿循环,改性土样不崩解,将土样自然养护至风干状态后浸水崩解时,试样的崩解性介于烘干和标准养护试样之间,水稳定性亦是如此。　　 在膨胀岩士中加入ISS和石灰后,其ζ电位都有不同程度的降低,反映了结合水膜相对变薄,但不同掺加剂对膨胀岩士的影响不同,使得ζ电位值下降低的幅度不同,ISS离子土固化剂加生石灰的复合改性土下降最大,消石灰改性土次之,只加ISS离子土固化剂的改性土下降幅度最小。　　 白色泥灰岩原岩的土颗粒半径与水膜厚度之比,大于红色粘土岩原岩、黄色粘土岩原岩的土颗粒半径与水膜厚度之比,黄色粘土岩原岩的土颗粒半径与水膜厚度之比最小;白色泥灰岩经ISS离子土固化剂改性后,颗粒半径与水膜厚度之比略有增大,加消石灰后再次增大,加生石灰后又有增大,当经过ISS离子土固化剂和生石灰的综合作用后,颗粒半径与水膜厚度之比升到最高,相对水膜变为最小,改性效果最好;红色粘土岩、黄色粘土岩的改性土也遵从白色泥灰岩改件土的变化规律,只是白色泥灰岩改性土颗粒半径与水膜厚度之比的值大于红色粘土岩和黄色粘土岩的改性土颗粒半径与水膜厚度之比的值,红色粘土岩颗粒半径与水膜厚度之比的值大于黄色粘土岩颗粒半径与水膜厚度之比的值。这说明,ISS离子土固化剂和石灰对膨胀岩土的改性效果遵从原岩膨胀率大小的原则,即原岩膨胀性越大,改性后的相对水膜也越厚。总的来说,改性后相刘水膜厚度减小。　　 红外光谱分析结果显示,膨胀岩土中所含的方解石、石英对膨胀性产生的影响很小;同时测得岩士中含有蒙脱石但政性后不改变蒙脱石的矿相。石灰可以使粘土矿物中OH-的对称伸缩减少,从而去掉大量的结合水,ISS离子土固化剂改性后OH-的对称伸缩依然存在,去掉结合水量有限,ISS离子土固化剂与石灰对膨胀岩土的改性机理稍有不同。　　 通过研究可得出以下几个结论,膨胀岩土产生膨胀其机理可解释是为:层状粘土矿物中存在的永久电荷和可变电荷是膨胀岩土产生膨胀的根本原因,也是产生ζ电位的根本原因。在两种或两种以上阳离子共存下,土体对它们进行吸附时,不同阳离子之间会发生竞争,当新的阳离子被吸附,原来吸附的阳离子被解吸。就会产生阳离子交换,这一物理化学现象皆遍存在于粘土矿物中。膨胀岩土的阳离子交换量大于改性后的阳离子交换总量,各样品可交换阳离子总量都有明显的降低。总的来讲改性后,阳离子吸附和交换的能力减弱,膨胀性也随之降低。　　 土体中铁、铝、锰等的氧化物及其永合物是对阳离子进行配位吸附的主要土体组分,层状硅酸盐矿物断健的边面也可对阳离子发生配位吸附。这些土体固相表面都具有类似的吸附点位,金属离子(通常是Fe3+、Al3+、或Mn3+,4+)与H2O形成配位体。这些大量的H2O配位体在双电层或三电层及Zeta电位的作用下,产生移动,进入晶层中,甚至与晶体中的负电荷配位,平衡永久电荷,另一方面直接与断键处的负电荷配位,平衡可变电荷,在化学意义上是利用大量的水合阳离子降低粘土矿物中的ζ电位;其物理意义是土体吸附了大量的水,逐渐膨胀,当吸附水达到一定量时,土体就不再膨胀从而达到“稳定”。在工程学中,这种“稳定”反而给工程带来相当大的危害,因为土体在膨胀的同时也降低了土体的各项力学指标。　　 ISS离子土固化剂对膨胀岩土的加大机理可解释为:由于ISS离子土固化剂呈酸性,离解有氢离子(H+),与岩土作用后生成亚甲基(-CH2+),亚甲基在岩土中较稳定,所以ISS离子土固化剂能够其抑制粘土矿物膨胀的作用。另外,ISS依靠“亲水头”与粘土颗粒表面所形成的化学链作用,ISS分子占据了粘土颗粒颗粒表面上的阳离子空位,并被吸附在粘土矿物的表面;ISS离解出来的阳离子与粘土颗粒表面的可交换性阳离子进行了离子交换作用,其作用的结果是ISS赶走了吸附在膨胀岩土颗粒表面上亲水性较强的阳离子(如Ca2+、Mg2+离子等),取而代之的是亲水性较低的阳离子;ISS“疏水尾”围绕着膨胀岩土颗粒表面形成了一个油性层,“疏水尾”对膨胀岩土颗粒表面上的水有一定的排挤作用,并阻止水份进入这个体系。正是在以上的共同作用下,ISS减小了膨胀岩土颗粒表面的结合水膜厚度。这也是ISS加固膨胀岩士的反心机理。　　 石灰与ISS离子土固化剂加固膨胀岩土的作用不同,石灰加固膨胀岩土的加固机理可解释为:消石灰中的氢氧根(OH-)离子同粘土矿物中的羟基(-OH)反应生成水(H2O)与M-O-,改性后M-O较稳定,生成的水以及外部的水不容易再进入岩土体中,从而抑制岩土的膨胀;生石灰与水产生水化,释放大量的热量,促成水化离子的解离,减小水膜厚度,同时水化后生成消石灰进一步与膨胀岩土中的羟基作用,生成稳定的M-O-,使得水很难对膨胀岩土产生水化作用,从而增强改性膨胀岩土的稳定性。　　 掺加剂与岩土体发生一系列的物理化学反应,相对减小了粘粒表层的结合水膜厚度,可降低降ζ电位及比表面积、阳离子交换量,使得水合离子较难进入土体,不易膨胀:同时,固化剂可降低土颗粒之间的排斥力而增加土颗粒间的吸引力,使颗粒之间得以相互聚集、靠近,土颗粒之间的连接增加,从而提高土的强度。