（岩土工程专业论文）膨胀土边坡病害防治技术研究.pdf

摘要 膨胀土是一种具有胀缩性、裂隙性和超固结性的特殊粘性土。随着我国公路交通事 业的迅猛发展，高速公路难免要穿越膨胀土分布区，膨胀土对公路建设和运营的危害日 益突出，而膨胀土边坡破坏是最常见、最难处治的膨胀土病害形式，因此展开对膨胀土 边坡防护机理和成套防护技术研究具有重要的现实意义。 本文依托西汉高速公路和小康高速公路具体工程，提出“以防为主，防治结合”的 边坡防护、处治指导思想，并按照由浅入深的处治顺序展开膨胀土边坡处治研究。采用 试验成果分析、现场监测、理论分析、现场工程实践为主要研究手段进行课题研究。 运用非饱和土力学中线弹性本构关系理论对土工格室植被护坡的防开裂机理进行 定量分析，通过引入土工格室预加应力，使膨胀土开裂的地表临界吸力值提高，减少开 裂。应用冲刷理论对土工格室植被护坡的防冲刷机理进行研究，认为土工格室在植被覆 盖率低时，防止面蚀作用不明显，但能显著削弱沟道冲刷作用；覆盖率高时，植被茎叶 的水文效应对减小雨滴溅蚀和坡面冲刷效果明显。 借鉴已有水泥灰土的研究成果，通过对水泥灰土桩处治膨胀土浅层滑坡机理的分 析，表明：水泥石灰土在不同条件影响下，表现出的强度特性能很好的满足膨胀土边坡 加固所需的条件，是膨胀土边坡加固理想的材料。 通过对某膨胀土滑坡监测，掌握了滑坡的性质、滑坡的主要原因和滑坡的要素，提 出了合理的处治方案，指导现场施工。 提出了土工格室植被护坡、水泥灰土桩设计、计算方法并应用于实体工程，取得了 良好的工程处治和社会经济、景观效果。 关键词：膨胀土，边坡病害，土工格室，植被护坡，水泥灰土桩，处治技术 a b s t r a c t t h ee x p e n s i v es o i li sas p e c i a lc l a ys o i lp o s s e s s i n gt h r e ef e a t u r e so fs w e l l i n ga n d s h r i n k a g e ，o v e r - c o n s o l i d a t i o na n df i s s u r e s w i t h f a s t d e v e l o p m e n to f t h e h i g h w a y c o n s t r u c t i o no fc h i n a ，t h eh i g h w a yh a v et og ot h r o u g ht h ed i s t r i b u t i o nr e g i o no fe x p e n s i v e s o i ls o m e t i m e s ，t h eh a z a r dt h a te x p e n s i v es o i lb r i n g st ot h ec o n s t r u c t i o na n dm a n a g e m e n to f h i g h w a yb e c o m e sm o r es e r i o u sa n dm o r es e r i o u s ，s oi ti so fs i g n i f i c a n c et os t u d yo nt h e m e c h a n i c so fp r o t e c t i v em e a s u r e so fe x p e n s i v es o i ls l o p ea n dc o m p l e t es e t st e c h n i q u eo f s l o p ep r o t e c t i o ni nt h ea r e a so fe x p e n s i v es o i l t l l ep a p e rw a sb a s e do nt h ee n g i n e e r i n go fx i - - h a nh i g h w a ya n dx i a o - - k a n gh i g h w a y t h ep r i n c i p l eo fs l o p ep r o t e c t i o na n dr e i n f o r c e m e n tt h a t p r e v e n t i o nf i r s t ，p r e v e n t i o na n dc u r e s h o u l db eu s e dt o g e t h e r w a sp r e s e n t e d ，t h e nt h ep r e v e n t i o na n dc u r er e s e a r c ho fe x p e n s i v e s o i lw a sd e v e l o p e da ss u b s e q u e n c ef r o ms u r f a c et od e e pd e p t hb yt h ef o u rm e t h o d so f e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n a l y s i s ，f i e l dt e s t ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n t h el i n e a re l a s t i cc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n so fu n s a t u r a t e d s o i l sm e c h a n i c sw a sa p p l i e dt o q u a n t i t a t i v e l ya n a l y z et h em e c h a n i c so fa v o i de x p e n s i v es o i l sd e h i s c e n c eo ft h eg e o c e l l - p l a n t s l o p ep r o t e c t i o n ，t h ei n t r o d u c e dp r e s t r e s so fg e o c e l li n c r e a s e dt h ec r i t i c a lm a t r i x - s u c t i o no f e x p e n s i v es o i l st or e d u c ec r a c k t h et h e o r yo fs c o u rw a su s e dt os t u d yo nt h em e c h a n i c so f p r e v e n t i o na g a i n s ts c o u r i n go ft h eg e o c e l l - p l a n ts l o p ep r o t e c t i o n , t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a t t h e r ew a s n to b v i o u sa c t i o no ns h e e te r o s i o n 、航t hl o wd e n s i t yo fc o v e r ，b u tt h e r ew a so b v i o u s a c t i o no nc h a n n e ls c o u ra c t i o n ；t h eh y d r o g r a p h i ce f f e c to fv e g e t a b l es t e ma n dl e a fc a l l o b v i o u s l ya b a t e dr a i n d r o ps p u t t e ra n ds c o u ra c t i o no ns l o p i n gs u r f a c e s b a s i n go nt h er e s e a r c hp r o d u c t i o no fc e m e n t - l i m e - s o i l ，r e s e a r c ho nt h em e c h a n i c st h a t t h ec e m e n t l i m e - - s o i lp i l ec u r e dt h ee x p e n s i v es o i ls u p e r f i c i a ll a n d s l i d ei n d i c a t et h a tt h e s t r e n g t hc h a r a c t e ro fc e m e n t - l i m e - s o i lu n d e rd i f f e r e n tf a c t o r sp e r f e c t l ym e t e dt h en e e d so f s l o p er e i n f o r c e m e n to fe x p e n s i v es o i l ，t h ec e m e n t l i m e - s o i li si d e a lm a t e r i a lt h a tr e i n f o r c e s t h ee x p e n s i v es o i ls l o p e b ym e a n so fm o n i t o r i n go nt h el a n d s l i d e ，i tw a sd e f i n i t et h a tt h en a t u r e ，m a i nc a u s ea n d e l e m e n tf a c t o ro fl a n d s l i d e ，a p p r o p r i a t es c h e m eo ft r e a t i n gl a n d s l i d ew a sg e n e r a t e dt oi n s t r u c t c o n s t r u c t i o n t h ed e s i g nc a l c u l a t i o nm e t h o do ft h eg e o c e l l p l a n ts o i lp r o t e c t i o na n dc e m e n t l i m e - p i l e w a se s t a b l i s h e da n du s e di na c t u a lp r o j e c t ，o b t a i n i n gg o o ds o c i o e c o n o m i ce f f e c t k e yw o r d s ：e x p a n s i v es o i l ，t h ed i s e a s eo fs l o p e ，g e o c e l l ，s l o p ep r o t e c t i o no fp l a n t ， c e m e n t l i m e s o i lp i l e ，t e c h n i q u eo f s l o p ep r o t e c t i o n i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 喜。冬乃 w 年月劲日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：兽。o 乃 加驴年兮月加日 导师签名： 渺年岁月巧7 日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 膨胀土是一种主要由蒙脱石和伊利石组成，具有强膨胀性、多裂隙性、超固结性和 强度衰减性的高塑性粘土，即使在一定的荷载作用下仍具有膨胀变形能力，它是区别于 黄土、红土、软土、冻土以及普通粘性土的一类特殊粘性土。又称裂土、膨润土、超固 结土、印度黑棉土( b l a c kc o t t o ns o i l s ) 、英国伦敦粘土( l o n d o nc l a y s ) 等。 膨胀土在世界范围内的分布十分广泛，分布范围已遍及世界六大洲约4 0 多个国家 和地区。我国是世界上膨胀土分布最广、面积最大的国家之一，先后已有2 0 多个省、 市、自治区发现膨胀土病害；遍及西南、中南、华东以及华北、西北和东北的一部分， 广泛分布在从黄海之滨n j i l 西平原，从雷州半岛到华北平原之间的狭长地带。自美国于 1 9 3 8 年在一座大型基础工程的重大事故中，首次认识了膨胀性地基土的严重危害起，膨 胀土对工程建筑物的危害便由少数国家逐步发展成为全球性的共同课题。膨胀土给人类 的工程活动带来的危害已成为全球性的地质灾害，估计每年的经济损失达1 5 0 亿美元以 l 【l 】 l0 随着我国公路建设事业的迅猛发展，已不可避免的遇到膨胀土筑路问题，如西部地 区拟建2 1 0 0 0 公里的公路就有3 3 0 0 公里穿越膨胀土地区【3 j 。由于膨胀土具有超固结性、 多裂隙性、吸水显著膨胀软化、失水收缩开裂且反复变形等与正常固结粘性土不相同的 工程特性，加之土体中裂隙杂乱分布，在膨胀土地区修建公路常有“逢堑必滑，有堤必 塌 之说。而且膨胀土的这种破坏作用常具有多次反复性和长期潜在的危害性，被称为 “工程中的癌症”。 膨胀土不宜作为路基填料，因此膨胀土地区工程建设引起的水土流失现象更加严 重，长期以来膨胀土引起的工程地质问题一直是全球性的难题。由于公路行业对膨胀土 研究起步较晚，对膨胀土边坡各种破坏机理和加固措施机理研究以及处治技术还不十分 成熟。自西部大开发战略实施以来，随着高等级公路向山区和西部地区快速延伸，公路 膨胀土问题越来越突出。由此造成的经济损失和生态环境破坏十分严重。云南楚大高速 公路修建时，遇到多处膨胀土路段，其中k 1 8 5 + 4 2 3 k 1 8 5 + 7 8 5 段路堑开挖的3 0 多万 方膨胀土全部废弃。l q 3 9 + 3 1 2 l 2 3 9 + 6 8 5 挖方段施工时，两侧高边坡多次滑塌，3 5 3 米长的路堑边坡经多次整治，耗资千余万元，近7 0 多万方膨胀土废方远弃，造成生态 环境破坏和工程投资大幅提高。2 0 0 2 年修建的南友高速公路在穿越宁明盆地边缘时，连 第一章绪论 续十几公里的宁明膨胀土给路基造成严重破坏，区域内几乎所有的开挖路堑边坡均有不 同程度的滑塌，多处还多次滑坡。路基采用远运借方、弃土换填；路堑开挖和清理塌方 边坡的膨胀土弃方量高达5 0 0 多万方，造成公路沿线大量水土流失和生态环境破坏。长 ( 治) 邯( 郸) 高速公路由于弃方造成的水土流失量达2 9 8 万立方米，后期治理费用达 整个工程防护费用的8 0 。渝( 重庆) 涪( 陵) 公路由于防护措施不力，通车仅7 个月 就由于少量水土流失发展到大型滑坡。膨胀土边坡破坏已成为膨胀土地区主要的公路工 程地质病害，给公路建设和运营造成了巨大的经济损失【3 1 。 陕南是指陕西省境内秦岭以南广大区域的简称。膨胀土在陕南汉江流域、嘉陵江流 域、丹江洛河流域的盆地及河谷中均有分布，以汉江流域的汉中盆地、西乡盆地及安康 盆地分布最广。膨胀土分布面积约为1 3 0 0 k m 2 ，占汉江流域中三个盆地的二分之一以上 【2 】 o 西( 安) 一汉( 中) 高速公路是国道主干线网及陕西省“米 字型公路交通主骨架 的重要组成部分。西汉高速公路穿越秦岭山区，地形地质条件复杂，工程艰巨。其中， 洋县( 槐树关) 一勉县( 元墩) 路段位于汉中盆地境内，路线总长5 0 k i n ，分布有大量 的膨胀土。 小( 河) 一康( 安康) 高速公路位于秦岭南部山区，横穿诸多山脉，沿线河流 切割强烈，地形复杂，地质条件差。小康高速公路穿越安康盆地，路线k 1 8 9 + 9 0 0 - - k 1 9 5 + 1 0 0 段经过河谷区的斜坡地带、残坡积层和月河二三级阶地冲洪积地层等膨胀土 地基，膨胀土等级为中等膨胀。在工程建设中遇到的膨胀土病害问题严重影响了项目的 实施，困绕着项目管理和施工单位。 本文根据西汉高速公路和小康高速公路的工程实际，借鉴已有膨胀土研究成果，结 合工程实践，对陕南膨胀土边坡破坏机理和加固机理进行了研究；分析膨胀土边坡开裂 和冲刷机理，提出了适合膨胀土地区的工程防护治理措施，旨在探索解决膨胀土边坡病 害问题的成套方法，积累治理膨胀土边坡的经验并指导施工。 1 2国内外研究现状 1 2 1 国内外主要研究成果 自1 9 3 8 年在美国俄勒冈州建筑工地首次发现膨胀土危害起，世界范围内因膨胀土 造成的工程建筑物损害越来越多。膨胀土研究由于受到生产实践的广泛重视而得到了迅 速发展。在美国，1 9 5 9 年召开了首次膨胀性粘土全国性学术会议。六十年代以来，膨胀 土研究工作开始进入极盛时期。1 9 6 5 年至今，每四年一次的国际膨胀土研究和工程会议 2 长安大学硕士学位论文 共召开了七次，取得了丰硕的成果。研究工作主要涉及到膨胀土的物质成分组成与结构、 土性判别、工程特性、室内试验与现场试验方法、膨胀土的工程性质改良等方面。许多 国家都颁布了各种国家级的标准化正式文件和规范。以d g f r e d l u n d 提出的非饱和 土理论面世并形成一套完整的体系之后，各国学者用它解释了许多膨胀土问题并揭示了 一些规律。由于膨胀土属于非饱和土的范畴，取代国际膨胀土研究和工程会议的是国际 非饱和土会议，标志着对膨胀土从非饱和土的角度进行研究达到了一个新的理论高度。 上世纪五十年代，我国在成渝铁路工程中首次遇到膨胀土危害问题。随后的二十年 里，铁路、水电、工业与民用建筑行业针对遇到的膨胀土危害问题，开展了一些具体的 研究工作，积累了丰富的膨胀土工程地质资料。七十年代开始，我国开始有组织、有计 划的在全国范围内开展大规模的膨胀土科学试验和研究工作。在膨胀土基础理论、工程 实践与试验研究等方面取得了可喜的成果。在八十年代，制定了膨胀土地区建筑技术 规范( g b j l l 2 8 7 ) ，规范涉及到膨胀土的判别方法、膨胀土建筑场地的综合评价、膨 胀土地基的沉降计算问题、膨胀土地基上建筑物的变形问题、大气影响深度等五个方面 的问题。 1 9 9 0 年在成都召开的全国首届膨胀土科学研讨会，充分展示了我国在膨胀土研究领 域取得的丰硕成果。研讨会对膨胀土的工程特性、工程处治技术做了深入探讨，其中一 部分内容已涉及到膨胀土地区公路的修筑问题【6 j 。1 9 9 2 年召开的全国非饱和土理论与实 践学术讨论会，表明我国开始重视土的非饱和特性。1 9 9 8 年在北京召开的第二届国际非 饱和土学术讲座会在基本理论和工程应用上都有许多新的突破。该届讲座会的召开标志 着我国膨胀土理论研究己达到或接近国际学术水平。2 0 0 4 年在广西南宁召开了全国膨胀 土学术研讨会。会议对膨胀土处治技术的理论、试验、工程实践等方面做了深入探讨， 促进了我国膨胀土处治技术的发展1 3 j 。2 0 0 5 年杭州召开的第二届全国非饱和土学术研讨 会展示了我国在非饱和土领域研究的最新成果和实践水平，进一步推动了我国在非饱和 土的基本特性、基本理论、测试技术和分析方法等方面的研究进展，促进了我国非饱和 土工程实践水平的提高p j 。 在我国，随着对膨胀土认识的不断深入，关于膨胀土问题的专著也陆续出版，其中 影响力较大的有：1 9 8 4 年，廖世文在膨胀土与铁路工程一书中，基于国外研究成果， 较为全面系统的对我国膨胀土方面的研究成果做了阶段性的总结。1 9 9 2 年李生林在中 国膨胀土工程地质研究中，对膨胀土的特性从地质角度做了深入的研究。1 9 9 5 年，肖 荣久出版的陕南膨胀土及其灾害地质研究，对陕南地区膨胀土的分布、灾害发生条 第一章绪论 件及规律、发生机理和治理措施等方面做了大量的研究工作。1 9 9 7 年，刘特洪在其著成 的工程建设中的膨胀土问题中，对膨胀土体结构面的成因类型及其特性、膨胀土变 形与强度特性、膨胀土渠坡原位监测、求解膨胀土问题的数学模型和数值分析方法以及 水利工程中的膨胀土问题处理方法进行了深入的研究，取得了突破性成果【4 】。 1 2 2 膨胀土的胀缩机理与特性研究 1 膨胀土的胀缩机理【1 , 2 , 4 】 膨胀土吸水体积增大，失水体积减小，即产生膨胀与收缩变形，这种现象称为膨胀 土的胀缩变形。膨胀土产生膨胀与收缩变形的原因极其复杂，较早的理论有：从矿物晶 格构造方面提出的晶格扩张理论，以毛细管现象为依据的弹性理论；而应用较为普遍的 有双电层理论、渗透势理论和吸力势理论，其次还有热渗理论、表面张力与弹性弯曲理 论等。 ( 1 ) 晶格扩张膨胀理论 基于粘土矿物学理论提出的晶格扩张理论认为：粘土晶格构造中存在着膨胀晶格构 造，在粘土矿物的晶格构造中，有一种构造型式是在各晶层之间由弱键相连接的晶格构 造，晶层与晶层之间的结合彼此很不牢固。在粘土一水体系相互作用时，形成水膜夹层， 引起晶格扩张，从而导致土体体积膨胀。这种晶格构造即为膨胀晶格构造。凡是具有膨 胀晶格构造的矿物都具有膨胀性。 ( 2 ) 双电层理论 根据现代胶体化学原理，粘土矿物颗粒由于晶格置换产生的负电荷，在颗粒周围形 成静电场。在静电引力作用下，颗粒表面必然吸附带有相反电荷的离子( 即交换性阳离 子) 来平衡。这些阳离子是以水化离子形式存在的，带有负电荷的粘土矿物颗粒必然吸 附水化阳离子，形成扩散形式的离子分布，从而形成所谓的双电层。双电层理论的基础 是基于在土体两部分之接触面上，特别当土与水相互作用时，在胶体颗粒表面上由于晶 格置换作用均可形成双电层。在双电层中的离子对水分子具有吸附能力，被吸附的水分 子在电场引力作用下，按一定取向排列被约束集聚在粘土矿物颗粒周围，形成表面结合 水。由于结合水膜加厚将固体颗粒“楔 开，使固体颗粒之间的距离增大，从而导致土 体积产生膨胀。当介质条件发生改变，使土体结合水膜变薄或消失时，则“楔力”解除， 粒间距离缩小，从而使土体积收缩。 膨胀土吸水膨胀、失水收缩的基本原因就在于土粒与水相互作用，土粒中的粘土矿 物晶格扩张和土中结合水膜厚度的变化引起土颗粒间距的扩大或缩小，因而引起土体积 4 长安大学硕士学位论文 的扩大或缩小。 2 膨胀土的胀缩特性3 】 徐永福等川和缪林昌等旧研究了不同含水率、干密度办、和压力p 对宁夏和南 阳击实膨胀土膨胀性的影响，认为膨胀率占h 和膨胀力随干密度的增加和初始含水率 的减小而增加，膨胀率随垂向压力的增大而减小，且这种关系均近似体现为线性，可表 示为： 6 m = q + 岛几+ q + d , p ( 1 1 ) = a 2 + b 2 p d + c 2 w o ( 1 2 ) 式中： a i 、6 l 、c i 、儡、口2 、b 2 、c 2 一试验参数。 刘松玉等研究了干湿循环对击实膨胀土胀缩特性的影响。研究结果表明，击实膨胀 土的胀缩变形并不是完全可逆的，随干湿循环的发展，膨胀土的膨胀速率加快，绝对膨 胀率总是增大而相对膨胀率则降低。这些变化主要是粘粒集聚、微结构改变的结果【3 3 1 。 朱建强研究了陕南西部的几种膨胀土的湿化特性。研究表明：试验前含水率和裂隙 发育状况对膨胀土在静水中的崩解有着重要影响，试前含水率小或裂隙发育程度高者崩 解快，且裂隙发育程度对崩解速率起决定性作用；膨胀土在静水中的解体是一个非平衡 过程，膨胀土的湿化过程可分为吸水增重阶段、崩解缓慢加速阶段、崩解剧烈发生阶段 和崩解减慢一终止阶段，吸水增重历时随起始含水率增加而增加；在同一含水率水平下， 不同土质的吸水增重历时亦不同；重塑土的崩解速率小于原状土的崩解速率，其湿化性 主要受试前含水率和于密度控制，含水率低、干密度小者崩解快【9 1 。 综上所述，膨胀土体的胀缩变形是由于土中湿度变化引起的，而促使土体湿度变化 的各种因素，均是造成体变诱发的原因。 1 2 3 膨胀土改良试验研究 膨胀土主要是由蒙脱石、伊利石、高岭石等矿物组成。膨胀土改性的目的就是通过 外掺剂与膨胀土矿物进行离子交换，改变膨胀土体的双电层结构和土体的渗流状况，使 膨胀土丧失胀缩特性，以达到对膨胀土改性的目的。 膨胀土改性的方法主要有无机改性、有机改性、复合改性和微生物改性。 其中，无机改性主要是在膨胀土中掺加石灰、水泥、粉煤灰、氯化钠和磷酸等外掺 稳定剂，是目前最普遍、最有效的方法之一。当前工程实践中最常用的外掺剂是石灰。 在工程建设中，积累了大量的理论和实践经验，取得了丰硕成果。 第一章绪论 膨胀土有机改性主要是在膨胀土中掺入少量高分子材料，通过离子交换吸附作用降 低膨胀土的膨胀和压缩特性，把土质变成既有强度又有韧性的新型土质，克服无机改性 土脆性大、易开裂的缺点。 李国华用烷基苄基吡啶化合物为主要成分的水溶液、多羟基多氮原子聚合物为主要 成分的水溶液来处理膨胀土，结果表明：膨胀土的抗剪强度有较大程度的提高，膨胀土 的胀缩变形也得到很好的控$ ! j t 2 5 1 。 复合改性是在无机改性剂中加入少量的有机大分子改性剂，使改性土既有较高强 度、降低膨胀土的胀缩性，又减少开裂 4 7 , 5 0 。目前国内外专家学者己研制出了定型的复 合改性剂。取得了良好的工程效果和经济效益。 微生物改性是受水利、石油等行业的启发，杨和平等人认为用生物能改变粘粒双电 层结构特性、能促进和加速钙离子等矿物成分的沉淀、发挥微生物的表面活性剂的作用、 能粘附在土颗粒表面形成复合生物膜，达到改良膨胀土的目的，在理论上是可行的【2 4 1 。 这种微生物改良膨胀土的新思路，有待工程实践的检验。 1 。2 4 膨胀土边坡处治研究 对运营和在建高速公路调查表明，现时工程中常用的防护措施主要有：刚性防护、 柔性防护和复合型防护。 刚性防护主要指：以圬工结构为主，辅以其它必要的综合处治措施相结合的处理方 案。其主要形式为：实体式护面墙、干砌片石护坡、浆砌片( 卵) 石护坡、水泥混凝土 预制块护坡、锚杆铁丝网喷浆或喷射混凝土护坡等。 柔性防护是指采用化学改良、土工织物等材料为主，辅以其它必要的综合处治措施 相结合的处理方案，包括封面和植物防护两大类型。封面柔性防护主要形式有：灰浆抹 面、捶面、喷浆或喷射混凝土等。植物防护主要有：种草、铺草皮、植树等。 复合型防护指当单一的刚性或柔性防护措施效果不佳时，采用上述两种或两种以上 防护措施相结合的边坡处治方案。工程实践中常采用的主要形式有：框格骨架+ 种草、 窗孔式护面墙+ 种草、拱架护坡+ 种草、六角空心砖护坡+ 种草、石灰土捶面+ 无砂大孔 混凝土骨架+ 坡脚挡土墙、锚杆框架+ 植草、表层土改性+ 浆砌片石骨架+ 多级挡墙等。 其中，柔性挡土墙加固膨胀土边坡表现出很强的生命力，通过试验研究和工程实践 取得了良好效果。长沙理工大学对土工格栅柔性挡土墙进行了研究，并用于工程实践， 取得了丰硕成果【3 】。杨惠林针对黄土地区冲刷的特点，提出了土工格室+ 种草的开放式 防护措施，并从理论上给以研究，在实践中也取得了较好的工程效果【2 1 】。 6 长安大学硕上学位论文 1 2 5 降雨对膨胀土边坡的影响研究 许多学者在研究膨胀土边坡稳定时，发现裂隙的存在及其发展变化对膨胀土边坡的 稳定性有重要影响。季节性干湿循环导致土体的湿度发生变化，引起裂隙的发展变化。 降雨通过裂隙作用于土体，使土体抗剪强度降低以至于诱发膨胀土边坡失稳破坏。 降雨条件下膨胀土边坡的渗流问题是典型的非饱和土渗流问题。许多学者和工程师 采用数值模拟和现场试验的方法进行了深入研究，取得了大量的研究成果，能较好的解 释膨胀土边坡破坏现象。而对于新开挖的路堑边坡和新填路堤边坡，降雨很难入渗，风 化营力作用破坏了土体表面的粒间联结，形成了风化层。在降雨作用下，使原本稳定的 边坡发生失稳破坏。 高民欢等编著的高等级公路边坡冲刷理论与植被防护技术在总结我国高等级公 路边坡防护技术研究与实践经验和教训的基础上，结合近几年关于冲刷防护技术研究方 面的主要研究成果，对边坡的冲刷机理和植被护坡的防护机理做了详细阐述，并介绍了 几种植被生态护坡的设计施工方法【1 9 】。 杨惠林通过现场试验对黄土边坡的冲刷机理进行了研究，提出了适合黄土边坡的开 放式生态防护技术措施【2 l 】，对膨胀土边坡防护也有借鉴意义。 刘义虎等通过模型试验对膨胀土地区路基水损害作用机理研究认为：干湿循环作用 下膨胀土路基中含水率的改变，使膨胀土强度特性发生变化；膨胀土路基的破坏原因由 膨胀土自身结构及其强度特性所决定，由自然因素所造成【2 6 1 。 丁加明等通过对大型室内模型试验的研究，分析了膨胀土路基水毁机理，指出雨水 冲刷及地表径流是影响膨胀土路基破坏的控制因素，而降雨入渗和干缩裂隙是导致膨胀 土路基破坏的间接原因。 目前的膨胀土降雨研究主要对裸露边坡进行试验、分析。而对防护措施的防护能力 和适应性研究较少，设计人员大多凭经验或是感觉设计，没有充分的理论依据，有必要 进行研究，为设计、施工提供参考。 1 2 6 植被护坡研究船“2 2 植被护坡的实践历史久远，而植被护坡形成- - f - j 学科，还是近十几年的事情。首次 专门以植被护坡为主题的国际会议于1 9 9 4 年9 月在牛津召开。国外一般把植被护坡定 义为：“用活的植物，单独用植物或者植物与土木工程和非生命的植物材料相结合，以 减轻坡面的不稳定性和侵蚀”。 最初植被护坡主要用于河堤的护岸及荒山的治理。早在中世纪，法国、瑞士的运河 7 第一章绪论 河岸就采用栽植柳树的方法来护坡。在我国，通过栽植柳树来加固与保护河岸的最早记 载出现在1 5 9 1 年的明代。1 7 世纪，植被护坡开始应用于保护黄河河岸。1 6 3 3 年，日本 德川五代将军纲吉采用铺草皮、栽植苗的办法治理荒山成为日本植被护坡的起源。1 6 5 6 年，在冈山藩的熊尺蕃郡内的群山上也有播种松树种植治理荒山的记载。 植被护坡这一古老的护坡技术在2 0 世纪初才被人们重新发现和认识。植被护坡作 为一项工程技术，许多专家学者主要从护坡理论和技术应用两方面进行了大量的研究。 欧美国家在植被护坡技术的应用方面主要是围绕着防止坡地免受雨水侵蚀的目的 进行的，常用的护坡方法有：活枝捆垛、活枝扦插、树枝压条、枝条篱墙等，主要应用 于公路边坡的防护和河堤护岸。另外，液压喷播技术自2 0 世纪5 0 年代发明至今也得到 了广泛应用。2 0 世纪8 0 年代又发明了三维网植草护坡法。总体看来，目前日本在植被 护坡研究方面处于领先地位。1 9 5 1 年川端勇作将外来草种的植生盘用于道路坡面，标志 着以牧草类为代表的外来草种开始用于坡面绿化。1 9 5 8 年4 月京都大学农学部造园学研 究所在大阪香里团进行了现场喷射试验，开发出喷射种子法，并于1 9 5 8 年l o 月、1 9 5 9 年3 月和9 月在京都东山道公路边坡喷射试验中确定了该法的实用性，后来在名神高速 公路路堑边坡中得到大规模应用。1 9 7 3 年，日本开发的纤维土绿化工法标志着岩体绿化 工程的开始，这也是日本最早开发了厚层基材喷射工法。8 0 年代又相继开发了高次团粒 s f 绿化工法和连续纤维绿化工法。在实际工程应用中，用于坡度小于1 ：o 5 的软岩、 中硬岩、硬岩边坡及强酸性土质边坡的坡面绿化，也有应用于混凝土面及片石挡墙面的 实例。其它常用的坡面绿化方法还有：框格植被绿化法和绿化网法。另外，1 9 9 5 年，又 开始研究植被型多孔混凝土用于防止水流对河岸的冲刷并考虑环境保护。 国内在植被护坡技术应用方面的研究起步较晚，2 0 世纪9 0 年代以前一般多采用撒 草种、穴播或沟播、铺草皮、片石骨架植草、空心六棱砖植草等护坡方法。自1 9 8 9 年 广东省从香港引进喷播机在华南地区进行液压喷播试验开始，经过十年左右的发展完 善，液压喷播技术已广泛应用于我国不同地区的公路、铁路及堤坝等工程的边坡防护。 1 9 9 3 年，我国引进了土工合成材料植草护坡技术，随后又研制开发了各式各样的土工产 品，如三维植被网、土工格栅、土工网、土工格室等，结合植草技术在公路、铁路、水 利工程中的边坡防护中陆续得到应用。对劣质土坡及岩质边坡的植被护坡，目前国内研 究较少，学者的研究主要集中在采用播种、植苗及植生带、栽植葛藤、松树等进行防护， 在借鉴日本同类技术的基础上，进行了以土壤为主要材料、硅酸盐水泥为粘结材料的喷 播植生试验，并在内昆、株六等铁路及惠河高速公路边坡绿化中进行了现场试验，取得 长安大学硕士学位论文 了一些成果。另外，许文年开发的植被混凝土边坡技术与客土喷播技术较为相似。针对 目前生态系统非常脆弱的西部黄土地区边坡中存在的问题，杨晓华教授等提出采用土工 格室内植草的方法对黄土公路边坡进行防护，取得了良好的经济和景观效果【4 1 1 。目前， 我国对劣质土坡及岩质边坡的植被护坡技术研究仍处于发展阶段，国内与国外研究水平 差距不是特别大，我国总体研究水平相当于2 0 世纪9 0 年代中期的国际先进水平。 1 3 本文研究内容 通过对膨胀土研究的回顾与总结，可以认清膨胀土边坡的处治是膨胀土地区工程建 设的难点，目前的工程处治措施仍没有很好的解决工程建设中遇到的具体问题。本文以 陕南膨胀土地区西汉高速公路和小康高速公路两个在建项目中遇到的膨胀土边坡问题 为依托，展开对膨胀土边坡病害处治技术的研究，并把研究成果应用于工程实践，指导 现场施工。同时提出适合膨胀土地区边坡防护的成套技术措施。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 通过对膨胀土边坡裂隙成因及边坡冲刷机理研究，从土工格室植被护坡的防 开裂、防冲刷和植被护坡方面对土工格室植被护坡的防护机理进行研究。 ( 2 ) 在土工格室植被护坡理论研究的基础上，提出土工格室植被护坡处治膨胀土 边坡适用范围、设计及施工方法。 ( 3 ) 在水泥改良灰土试验成果的基础上，研究水泥灰土桩改性机理；提出水泥灰 土桩适用条件、设计及施工方法。 ( 4 ) 根据膨胀土边坡位移及应力监测结果，在掌握边坡滑动特性的基础上，为膨 胀土边坡深层处治提出合理方案。 ( 5 ) 经过理论研究和现场工程实践，提出适合陕南地区膨胀土边坡防护的成套技 术方案。 9 第二章膨胀土边坡破坏特征及加同措施 第二章膨胀土边坡破坏特征及加固措施 2 。1 概述 膨胀土由于其组成成分及结构特性，在成土过程中由于温度、湿度及不均匀胀缩效 应形成了许多网状裂隙和薄弱结构面，使膨胀土具有一些独特的力学性质。膨胀土边坡 是一般土质边坡中稳定性较差的一种，影响着公路边坡的稳定性。 膨胀土具有失水干缩和遇水膨胀的土力学特性，导致新开挖的膨胀土边坡在干湿循 环的自然气候条件下发生反复胀缩，引起边坡表面土体裂隙的逐渐发展，土体强度不断 衰减，加上开挖卸荷作用在坡脚产生卸荷节理，更加速了膨胀土边坡裂隙系统的发展。 而裂隙系统的发展又大大增加了土体的渗透性，扩展了干湿循环范围，进一步加剧了土 体强度的衰减，最后在边坡局部应力集中的表层发生剪切破坏。这一恶性循环形成了膨 胀土边坡破坏的结构性、渐进性和牵引破坏特性。 针对膨胀土边坡的破坏特性及膨胀土地区的气候特征，对膨胀土边坡的防护、加固 应采用因地制宜的处治方案。 2 1 1 地形地貌特征 1 西汉高速公路 西汉高速公路位于汉中盆地境内，穿越膨胀土地区主要跨两大地貌单元：盆地和阶 地垄岗。沿汉水河谷形成盆地与阶地，呈带状分布，主要由各类火成岩和变质岩系风化 破碎，极度分解，形成的地质时代为q 1 q ，主要有冲积和洪积两种成因类型。 冲积型：主要位于河流冲积平原地带，沿线分布于桩号k 1 5 + 0 0 0 至k 4 0 + 1 8 6 及 k 8 3 + 0 0 0 之间。主要是由粘土、亚粘土、砂性土及碎石类土组成，其中粘土层厚度2 5m 2 1 3m 不等，粘土层多为褐色、棕黄色、灰黄色，含有铁锰结核及高岭土。 洪积型：主要位于构造剥蚀丘陵或垄岗地带，即分布于路线里程桩号k 4 + 0 0 0 至 k 1 3 + 0 0 0 及k 8 9 + 0 0 0 至k 9 6 + 0 0 0 段之间。主要由粘土及亚粘土组成，厚度o 2m 1 2 5 m ，为褐色、褐红色、黄褐色，含铁锰质结核。k 1 6 8 + 8 0 0 至k 1 6 9 + 3 4 0 ，k 1 7 0 + 1 0 0 至 k 1 7 3 + 0 0 0 及k 1 7 4 + 3 0 0 至k 1 8 0 + 4 0 0 段之间，膨胀土厚度2 0m 1 0 0m ，为低液限粘 土，褐红色含钙质结核，自由胀缩率e = 4 0 - - 5 8 ，膨胀力= 3 0 - 8 3 k p a ，收缩系数 九= 0 2 1 0 4 8 。 2 小康高速公路 小康高速公路位于安康盆地境内，沿线膨胀土分布于汉江、月河、黄洋河二、三级 1 0 长安大学硕士学位论文 河谷阶地、洪积台地及洪一湖积台地部位。分布于二级阶地的一般为弱膨胀土，时代为 q ，多呈双层结构堆积，分布面积较小，仅见于汉江两岸；分布于三级阶地及洪积台地 的中强膨胀土，时代为皱，多呈双层或多层结构堆积，其中除以透镜体和薄夹层存在 的为强膨胀土外，其余均为中等膨胀土，它们分布于付家河以东的汉江两岸及恒河以西 的月河南岸；在恒河以东广泛分布的洪一湖积台地强膨胀土，是安康盆地膨胀土主体。 2 1 2 区域水文气候条件 1 西汉高速公路 路线所属区域为秦岭南麓，沿线水系发育，均属长江水系，汉江支流主要河流有： 汶水河、蒲河、金水河、酉水河、以及马家沟、良心河、店子河等支流。 沿线气候湿润，植被发育，雨量充沛，地下水位较高，潜水是地下水的主要形式之 一，形成地表径流的主要来源。 路线地处亚热带半湿润性气候带，四季分明。春季天气多变，时寒时暖，乍雨乍晴； 夏季气温高，温度湿度大，较为炎热，遇暴雨会形成洪涝灾害；秋季天气凉爽，气候变 化明显，有时会出现连阴雨；冬季较稳定，湿冷无严寒，降雨少，积雪时间短。年平均 日照为1 6 9 5 3 h ，年平均气温1 3 4 ，极端最高气温3 8 7 ，极端最低气温- 1 3 1 ，年 平均蒸发量1 2 2 1 9 m m 。降雨时间较短但集中，年均降水量8 8 0 5 m m ，年最高降水量达 1 3 7 6 。l m m 。 2 小康高速公路 小康高速公路路线所属区域为秦岭南侧，月河由北西向南东方向流入汉江。安康盆 地内水系发育，池河、青泥河、恒河、付家河、苟河等支流形成丰富的地表径流，成为 该地区地下水的重要补给源。 该区属半湿润温暖山地气候，冬季多北西风，夏季多南西风；年平均气温1 5 2 1 5 7 ，极端最低气温- 9 5 。c ，极端最高气温4 1 7 ；雨季主要集中在6 - - 9 月份，年平均 降水量7 9 2 1 - - - 8 2 6 5 m m 。 2 2 膨胀土边坡的破坏类型及特点 2 2 1 膨胀土边坡的破坏类型乜一妇 膨胀土边坡无论是自然斜坡还是人工开挖的路堑边坡和渠道边坡，常常在各种营力 的作用下，发生坡面冲蚀、表层溜坍、边坡坍滑、滑坡等灾害。 坡面冲蚀是膨胀土边坡上的松散风化土，在降水作用下，呈层状或小沟状侵蚀。冲 第= 章膨胀t 边坡破坏特加同措施 刷切割的程度与风化程度有关。病害常发生在边坡表面深度一般小于0 5 m ，表面松敝 土体在水流作用下，常产生“v ”字形冲沟，多条汇集在坡面形成“鸡爪沟”，如图21 所示。 圈2 1 坡面冲蚀图 圈2 2 表层蓿坍示意图 表层溜坍：常发生于强风化带内，厚度一般小于1 5 1 1 1 ，可发生在边坡的任何部位， 但一般不涉及坡顶。表层溜坍的产生是由于大气降水使土体饱和，在重力和渗透压力的 作用下，向边坡下部流塑推移，如示意图2 2 所示。 边坡坍滑：边坡坍滑可涉及到边坡风化或未风化土体，厚度一般为2 2 5 m ，边坡 土体呈整体性下滑。出口一般位于坡脚，破裂面上陡下缓，滑面清晰，有擦痕，滑体一 般呈横向展示。产生原因主要是雨水沿裂隙面长期侵入而削弱了土体强度，致使边坡失 稳，如示意图2 3 所示。 歹 图2 3 边坡坍滑示意图圈2 4 滑坡示意图 滑坡是膨胀土地区斜坡上经常发生的地质灾害。滑坡变形涉及到的边坡及其上部斜 坡均不稳定，连同斜坡土体向下整体或分级牵引滑动。滑坡产生的原因主要是切坡使土 体失去支撑或边坡中软弱峡层在地下水作用下，使斜坡土体失去平衡而产生滑动。它的 发生常使建筑物遭到严重开裂和破坏，造成重大损失，如示意图2 4 所示。 长安大学硕士学位论文 2 2 2 膨胀土边坡的破坏特点口一一帕 由上节所述膨胀土边坡的破坏类型可以看出，膨胀土边坡与一般粘性土边坡稳定性 有相似性，但更反映了膨胀土边坡的特殊性。 新鲜的膨胀土边坡，由于膨胀土中含有一定数量的蒙脱石等粘土矿物和较多的粘粒 成分，具有较强的亲水性，对气候影响较为敏感，尤其是蒸发作用。在干旱季节，强烈 的蒸发作用使土体失水收缩，地表迅速开裂。随着蒸发的继续，沿微裂隙逐渐张开的密 集裂隙出现。裂隙的贯通发展，又促进蒸发作用，土体分解为小块土体，结构联结丧失， 土块间凝聚力下降。此时，在降雨作用下，小土块崩解、变小。而降水沿裂隙进入土体、 充满裂隙后沿坡面产流，冲蚀坡面。细小颗粒被坡面径流挟带、移运，产生坡面冲蚀。 同时，裂隙内水分使裂隙尖端处的膨胀土体吸水软化，土体强度降低，为更大规模的破 坏创造条件。 随降雨继续，吸水饱和的坡面在裂隙较深位置吸水软化，在重力和坡面渗透压力作 用下发生表面溜坍。随着溜坍规模的扩大，小的溜坍联结成片逐渐发展成边坡坍滑，形 成较大规模破坏。坍滑破坏沿滑动面继续发展，使上部斜坡土体失稳，发展成为大规模 的膨胀土滑坡。 膨胀土滑坡除具有一般滑坡的特性规律外，从产生滑坡的力学条件、成因类型、滑 坡机理方面都有它的特殊性。 1 膨胀土滑坡多为牵引式多次滑动 根据滑坡产生的力学条件，膨胀土滑坡绝大部分属于牵引式滑动。尤其是在膨胀土 中开挖路堑或