（道路与铁道工程专业论文）广西、北京膨胀岩土特性及堑坡处治技术对比分析.pdf

摘要 广西南友路修建时，基于对宁明膨胀土工程地质特性及堑坡破坏特点和规律 的深刻认识，长沙理工大学首创柔性支护技术攻克了膨胀土堑坡“屡治屡垮”技 术难题。随后的工程推广也在百色残积膨胀土上进行，该技术能否用于北方沉积 型膨胀岩( 土) ? 一直为工程师们所关注。2 0 0 9 年柔性支护技术在北京西六环膨胀岩 ( 土) 深路堑的成功应用，为分析研究提供了一极好平台。结合亲历的处治实践， 本文丌展两类膨胀岩土工程特性及堑坡柔性支护技术对比研究，以期为该工程新 技术的全面推广做点工作。 基于调研已有的相关研究成果资料，论述了南、北方膨胀岩土的主要成因类型、 分布特点、地质特性、工程危害程度、路堑边坡常用工程处治技术措施及应用效果 和主要优、缺点。 对开挖边坡进行现场宏观地质结构调查、钻探取样，工程地质类比，结合室内 系统土性试验，获得两地典型膨胀岩土物质组成、理化性质、胀缩特性以及南方残 积型与北方沉积型膨胀岩土的主要区别：前者为土、岩二元结构，后者是几种极 软岩互层的沉积结构；前者以蒙伊混层矿物为主，有效蒙脱石含量不到1 8 ，后 者为单矿蒙脱石且含量超过4 0 。两者成因类型、地质分类及膨胀性粘土矿物的不 同，导致在工程性质上存在较大的差别。 通过对两地膨胀岩土堑坡破坏特点及其演化规律调查研究，得到不同成因、不 同气候条件及不同岩土性质的堑坡变形、破坏规律及主要特点，发现它们的破坏形 式确实存在差异，但总的仍以浅层坍滑为主，受土、岩性质和气候环境的影响较大。 最后对两地采用柔性支护技术治理滑坍膨胀( 岩) 土鞭坡的设计方案及旌工方 法进行分析对比，证明了该新技术处治各类膨胀( 岩) 土堑坡的普遍有效性，但必 须针对具体工况“因地制宜”确定技术方案，才能使工程处治获得满意效果。 关键词：膨胀( 岩) 土、沉积型、残积型、工程地质特性、路堑边坡、柔性支护、 对比分析 a b s t r a c t b a s e do nt h ek n o w l e d g eo fe n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，c u t t i n gs l o p e f a i l u r ep r o p e r t i e sa n dl a w sf o rn i n g m i n ge x p a n s i v es o i l d u r i n gt h ec o n s t r u c t i o no f n a n y o ue x p r e s s w a yi ng u a n g x i ，t h ef l e x i b l e s u p p o r t i n gt r e a t m e n tt e c h n o l o g y d e v e l o p e db yc h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo v e r c o m et h ep r o b l e m o ff r e q u e n tl a n d s l i d eo fe x p a n s i v es o i l c u t t i n gs l o p e t h eg e n e r a l i z a t i o no ft h i s t e c h n o l o g yw a sp e r f o r m e do nt h eb a i s er e s i d u a le x p a n s i v es o i l h o w e v e r ，w h e t h e r t h i st e c h n o l o g yi ss u i t a b l et ot r e a tt h es e d i m e n t a r ye x p a n s i v er o c k s o i lo rn o ti s f o c u s e db yt h ee n g i n e e r s t h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o no ff l e x i b l e s u p p o r t i n gt r e a t m e n t t e c h n o l o g yf o rb e i j i n gw e s t e r ns i x t hr i n gh i g h w a yi n2 0 0 9w a sag o o de x a m p l ef o rt h e c o m p a r a t i v er e s e a r c h e s i nt h i sp a p e r ，t h ee x p a n s i v er o c k s o i le n g i n e e r i n gp r o p e r t i e s a n df l e x i b l e s u p p o r t i n gt e c h n o l o g yo fc u t t i n gs l o p ef o re n g i n e e r i n gi nb a i s ea n d b e i j i n gm e n t i o n e da b o v ew e r ec o m p a r e dt og e n e r a l i z et h en e wt r e a t m e n tt e c h n o l o g y a c c o r d i n gt ot h ei n v e s t i g a t i o no fe x i s t i n gr e l a t i v er e s e a r c h e s ，t h em a j o ro r i g i n ， d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，g e o l o g i c a lp r o p e r t i e sa n dd e g r e eo f e n g i n e e r i n gd a m a g e o f n o r t h e r na n ds o u t h e r n e x p a n s i v er o c k s o i la n dt h ee n g i n e e r i n gt r e a t m e n t t e c h n o l o g ym e a s u r e so fe x p a n s i v es o i lc u t t i n gs l o p ea n di t se f f e c t s ，m a i na d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e sa r ed i s c u s s e d t h em a j o rd i f f e r e n c e so fc h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，p h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e sa n d s w e l l i n g s h r i n k a g ec h a r a c t e r i s t i c sb e t w e e ns o u t h e r nr e s i d u a ia n dn o r t h e r n s e d i m e n t a r ye x p a n s i v er o c k s o i l sa r eo b t a i n e da c c o r d i n gt ot h ef i e l d g e o l o g i c a l s t r u c t u r e i n v e s t i g a t i o n ，d r i l l i n gs a m p l i n g ，e n g i n e e r i n gg e o l o g y a n a l o g ya n d s y s t e m a t i c a ll a b o r a t o r yt e s t i n go fe x p a n s i v er o c k s o i lp r o p e r t i e s t h eg e o l o g i c a l s t r u c t u r e so fe x p a n s i v er o c k s o i li ns o u t h e r na r e a sa r eb i n a r y ，b u tt h a t i nn o r t h e r n a r e a sa r eh o r i z o n t a l i n t e r l a y e r t h e r e f o r e ，t h ef a i l u r e s o fe x c a v a t e ds l o p e sa r e d i f f e r e n tf o rs o u t h e r na n dn o r t h e r ne x p a n s i v er o c k s o i l s t h ee f f e c t i v ec o n t e n to f m o n t m o r i l l o n i t eo fs o u t h e r ne x p a n s i v er o c k s o i lw i t hm o n t m o r i l l o n i t e i l l i t em i x e d l a y e rm i n e r a l i sl e s st h a n18 b u tt h a to f n o r t h e r n e x p a n s i v er o c k s o i l w i t h m o n o 。m o n t m o r i l l o n i t em i n e r a li sm o r et h a n4 0 t h e e n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s d i f f e r e n c e sb e t w e e nt h e ma r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ec u t t i n gs l o p ef a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h er e s e a r c ho ni t s d e v e l o p m e n tr u l e ，t h ed e f o r m a t i o n ，f a i l u r er u l eo fe x p a n s i v er o c k s o i lc u t t i n gs l o p e w i t hd i f f e r e n to r i g i n s ，c l i m a t ec o n d i t i o n sa n ds o i lp r o p e r t i e sa r ea c h i e v e d i ti sf o u n d i i t h a tt h ed i f f e r e n c e so fc u t t i n gs l o p ef a i l u r e sa r ee x i s t e db u tt h em o s tc u t t i n gs l o p e f a i l u r e sc o n s i d e r a b l ya f f e c t e db yc l i m a t ea r es h a l l o w f i n a l l y ，t h ed e s i g n s c h e m ea n dc o n s t r u c t i o nm e t h o do ff l e x i b l es u p p o r t i n g t r e a t m e n tm e a s u r e sf o rs o u t h e r na n dn o r t h e r ne x p a n s i v er o c k s o i lc u t t i n gs l o p e sa r e c o m p a r e d t h en e wt r e a t m e n tm e a s u r e sa r es u i t a b l ef o rv a r i o u se x p a n s i v er o c k s o i l c u t t i n gs l o p e s h o w e v e r ，t h et e c h n o l o g ys c h e m es h o u l dc h a n g ea c c o r d i n gt o t h e s p e c i f i cc o n d i t i o n st oo b t a i nt h es a t i s f a c t o r yr e s u l t s k e y w o r d s ：e x p a n s i v er o c k s o i l ；s e d i m e n t a r ys o i l ；r e s i d u a ls o i l ；e n g i n e e r i n g g e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ：f l e x i b l es u p p o r t i n g ；c o m p a r i s o na n a l y s i s i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：彳乞稿日期：山知年坚月乡f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 + 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名： 乞_ 确日期占口年多月毒f 日 刷隘辄护 日期：夕b o 年岁月岁日 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 上世纪9 0 年代以来，我国开始大规模基础设施建设，尤其是高速公路的大量 修建不可避免地遇到膨胀( 岩) 土工程地质灾害并造成巨大的经济损失和生态环 境破坏。交通部于2 0 0 2 年6 月专门立项，采取高校、科研、设计、施工单位联 合的方式，由长沙理工大学牵头历时五年完成了“膨胀土地区公路修筑成套技术 研究”项引2 1 ，取得系列创新性研究成果，提出成套的膨胀土地区公路修筑技术， 特别是路堑边坡柔性支护技术的发明和应用使膨胀土路基“逢堑必滑”的世界性 技术难题得以解决，项目成果获2 0 0 9 年国家科学技术进步奖一等奖。 膨胀土路颦边坡滑坍是膨胀土地区最严重、最易发生和最难治理的地质灾害 【3 】。以往，国内外处治膨胀土路堑滑坍，大多采取刚性支护并放缓边坡技术措施 【4 】【5 1 。虽然抗滑桩、挡土墙等刚性支护体具备一定抵抗膨胀土边坡开挖时的卸荷 应力释放和部分胀缩变形的能力，但由于在大气环境下边坡土体含水量的变化必 使膨胀土发生干缩湿胀，刚性支护约束其体积的变化，于是边坡土体中产生巨大 的膨胀( 能) 力足以造成刚性支护体的剪切破坏；此外，单纯为防止岩体胀缩， 采用能隔水隔热且有一定抗变形能力的全封闭工程措施，也不能适应胀缩岩体的 碎裂性和低强度性，且封闭措施阻碍裂隙水的排泄，而岩( 土) 体含水量的增加 会导致其强度降低，尤其是结构面的抗剪强度降低，也不利边坡稳定。工程实际 表明，刚性支护处治膨胀( 岩) 土路堑边坡常常不能奏效，曾出现过大量的失稳、 破坏现象，不仅没有达到防护加固的目的，还可能带来严重的工程安全隐患。 为解决这一“工程癌症”问题，长沙理工大学课题组在开展交通部西部膨胀 土项目研究时，先后组织过三次大规模的膨胀土处治工程现场调研，收集和分析 了大量水利、铁路、公路和建筑部门的研究成果及积累的处治经验和教训【6 j ，并 于2 0 0 4 年7 月历时近一个月，再次大规模地对在建南宁友谊关公路k 1 3 0 - k 14 4 膨胀土路段的3 6 个路堑边坡中的2 3 个滑坍边坡进行详细调查，查明了宁明 膨胀土路堑边坡破坏失稳的类型、搞清其破坏的机理和规律，针对边坡坍滑的牵 引性、浅层性、顺层性等特点，提出土工格栅加筋柔性支护技术，并首次在南宁 一友谊关高速公路上加以应用，成功解决了宁明膨胀土路堑边坡坍塌治理工程难 题【_ 7 1 。此后，交通部又为课题组下达“广西膨胀土地区公路修筑技术研究与应用 示范科技项目，希望继续在广西这一膨胀土工程破坏最为严重的地区开展应用 研究，为新技术的推广积累更多实际处治资料。课题组依托百( 色) 隆( 林) 高 速修建，再次在广西最著名的百色膨胀土上开展柔性支护处治技术推广应用研究 ( 8 】【9 1 ，也取得了良好的工程效果，带来可观的经济和生态环保效益。至此，柔性 支护处治技术已成功处治广西两大著名膨胀土分布区一宁明瓮地和百色瓮地的残 积型膨胀土路絮边坡工程问题。 可见这一时期，柔性支护技术处治颦坡滑坍的应用对象( 实体工程) 主要为 我国南方地区广为分布的残、坡积型膨胀土，这些地区季节性干湿循环的显著作 用是导致膨胀土路基严重破坏的直接肇因。而该技术对我国北方广泛分布的沉积 型膨胀( 岩) 土的工程应用尚未丌展，柔性支护技术能否用于北方沉积型膨胀( 岩) 土? 处治效果如何? 一直为研究者和工程师们所关注。 2 0 0 9 年9 月建成通车的北京西六环良乡一寨口段是六坏路工程的最后一期，也 是北京坏线建设中施工难度最大的一段，特别是k 9 + 6 0 0 - - - k 1 0 + 8 0 0 段深路颦， 2 0 0 8 年6 月开始施工，按原设计该边坡以1 ：o 8 5 的坡率开挖，施工过程中，路轭 边坡出现上层滞水渗出，坡面岩体失水收缩、干裂、剥落和溜塌；两侧坡面岩体 被断层切割的支离破碎，坡面剥落、溜塌和坡体滑塌、滑坡问题同益严重，并在 k 1 0 + 5 8 0 路龋段西坡形成了南北长1 0 0 0 余米、东西宽2 5 o 米、厚6 o 米左右的 滑坡体。通过对k 9 + 6 0 0 - - k 1 0 + 8 0 0 深路堑段的详细地质勘探及相关的土性试验 研究，发现该处不良地质体为强度低、空隙率大的沉积型膨胀性软岩。这是北京 地区多年高速公路建设中首次遇到的大型膨胀性岩( 土) 工程地质病害，尚无工程 处治经验，若采用常规的工程技术措施和方法可能难以稳定该开挖段路颦边坡， 西六环k 9 + 6 0 0 - k 1 0 + 8 0 0 段膨胀性软岩深路堑处治成为六环路修建亟待解决的 一大技术难题。鉴于此，北京市首都公路发展集团有限公司、北京西六环建设管 理处邀请国内在膨胀岩( 土) 工程处治方面最有经验的长沙理工大学特殊土工程 研究所参与该膨胀岩( 土) 深路堑的研究处治工作，通过对路段地质、气候条件 和土质特性调查及深入分析研究，提出适合处治北京西六环膨胀岩( 土) 深路鞭 边坡的柔性支护方案，并于2 0 0 9 年8 月顺利完成处治工程施工，这是柔性支护技 术第一次在北方沉积型膨胀岩( 土) 工程中的成功应用，证明了新技术对处治膨 胀岩土的普遍适用性。 柔性支护作为目前最为有效的膨胀岩土路堑边坡处治技术，已得到南北两地 有代表性工程的验证。为真正实现将这一新技术推广应用，有必要针对不同地区、 不同类型膨胀( 岩) 土的成功处治工程实例开展分析对比和总结经验；加之对该 技术的工作机理和设计方法上目前还存在一些未知或不明确的因素，缺乏理论依 据和成熟分析计算方法的现状也妨碍了将其进一步的推广应用。现已取得广西南 友路、百隆路残积型膨胀土及北京西六环沉积型膨胀岩( 土) 深路堑柔性支护技 术的成功应用经验，为研究者提供了_ 极好的对比分析平台，本文对两类膨胀( 岩) 土工程特性及堑坡柔性支护技术开展研究，可为全面推广和应用该工程新技术做 2 些基础性工作，同时也是在为2 0 1 0 年长沙理工大学特殊土工程研究所承担的“土 工格栅柔性支护处治膨胀土路雏边坡的理论与方法研究”国家自然科学基余项目 开展前期准备研究。 1 2 国内外研究现状 国外从2 0 世纪3 0 年代未发现膨胀土工程问题以来便开始了研究工作。1 9 5 9 年，美国首次召开了全国性膨胀土会议。1 9 6 5 年和1 9 6 9 年，国际性的膨胀土科 研工作会议在得克萨斯州举行。到目前为止，己经先后召开了八届国际膨胀土研 究与工程会议，在膨胀土的各个方面都取得了许多很有价值的研究成果 1 0 】，膨胀 土的研究己发展成为各国、各地区共同关注的世界性课题【1 1 l 【1 2 】【13 1 ，以后的膨胀 土会议被研究领域更广的国际非饱和土会议替代。加拿大的d g f r e d l u n d 和印尼 的h r a h a r d j o 在合著的经典著作非饱和土土力学【1 4 中，对膨胀土的相关理论 理论进行了论述：引入了吸力和负的孔隙水压力，建立了相应的流动、抗剪强度 理论、塑性与极限平衡、固结体积变化理论，同时对相关试验进行了介绍。美国 是最早对膨胀土地区公路修筑问题进行研究的国家之一，提出了换土、化学固化、 土工合成材料加固等技术措施。从1 9 5 9 年起苏联地基及地下结构物科学研究院就 进行了野外大型试验及室内试验。并在总结试验成果以及建筑物长期沉降观测资 料的基础上，第一次把膨胀土从粘土中划分出来作为独立的一类特殊土。 我国膨胀土问题的提出和专门研究始于2 0 世纪6 0 年代，如成渝、成昆铁路 修建时的“成都黏土滑坡问题”【1 5 】、西昌渡口地区的“昔格达层滑坡问题” 1 1 6 7 】【18 1 、太焦铁路的第三系杂色黏土滑坡问题【1 9 1 、广州军区在残积土地基上大 批营房的破坏等。1 9 9 0 年全国首届膨胀土科学研讨会在成都市召开，会议对我 国膨胀土的研究现状、膨胀土的工程性质和膨胀土处理技术及工程应用进行了广 泛的研讨，也涉及到了膨胀土公路修筑问题，对我国公路膨胀土改良处理、边坡 稳定性分析和膨胀土地区支挡结构设计第一次较为系统的进行了总结和探讨。 1 9 9 4 年在武汉召丌了“中加非饱和土学术研讨会”，标志着我国非饱和土理论研 究已经达到了一个新的高度。在这期间，在总结自己和前人研究成果的基础上出 现了许多膨胀土研究专著，代表性的有廖世文的膨胀土与铁路工程 1 7 】，刘特 洪的工程建设中的膨胀土问题【2 0 1 ，李生林的中国膨胀土工程地质研究 2 1 】。 借助于交通部西部膨胀土项目在处治南友高速公路宁明膨胀土路基的技术创新成 果，2 0 0 4 年底在广西南宁又一次召开全国膨胀土工程处治技术研讨会，出版了膨 胀土处治理论、技术与实践会议论文集【l 】，使我国的公路膨胀土工程处治技术 水平走在世界的前列。 3 1 2 1 膨胀岩( 土) 土性及工程地质特性的研究 膨胀岩( 土) 的工程性质十分复杂，工程中采取何种处治方式更为有效必须 依据工程所在地膨胀岩( 土) 的土性及工程地质、气候环境条件而定。因此，研 究膨胀岩( 土) 的土性及工程地质特性是膨胀岩( 土) 工程问题研究的基础。 徐辉等【2 2 】通过对襄荆与汉十高速公路面临的膨胀土问题采用x 射线衍射分析 和颗粒分析试验，进行了膨胀土膨胀特性的对比研究：杨虹等【2 3 对广西宁明瓮地、 湖南邵永路、衡南路、常张路膨胀土进行了对比试验，在此基础上分析了不同地 区膨胀土的特性及产生原因；罗文柯、杨果林 2 4 】对比研究了我国部分省区膨胀土 分布与工程特性，查明了我国典型膨胀土地区膨胀土的主要分布概况、矿物化学 成分、部分物理力学指标和胀缩性指标，并对各项指标进行一一对照比较；杨和 平、曲永新【2 5 】针对以往在膨胀土粘土矿物认识上的局限性、现行规范中判别土的 膨胀潜势方法的缺陷以及公路施工中遇到的严重膨胀土工程地质灾害等问题，对 广西南宁友谊关高速公路宁明段膨胀土的物质成分、理化特性及工程性质等开展 了多项试验研究。分析了膨胀土的成因类型、分布特征及干燥活化作用的影响， 对膨胀土的膨胀势做出了较为合理的判断：王萍、陈靖甫【2 6 】对长江流域内膨胀土 的分布、特性等进行了系统的分析与研究，通过大量的工程实例对膨胀土对工程 安全的影响机理进行了分析论述；刘特洪 2 7 l 研究了长江流域i i 、i i l 级阶地，山间 盆地及低丘缓坡地带广泛分布不同时代和不同成因类型的膨胀土分布与地域地质 背景、地貌以及气候的关系；冯玉勇等【2 8 】研究了宁西铁路南阳段上第三系湖相沉 积硬粘土、中更新统冲洪积粘土和上更新统与全新统河湖相粘性3 种地质成因和 时代膨胀土的空间分布特征和工程性质；高国瑞，韩爱民 2 9 】对“区域性膨胀土” 的工程特性和基本性质进行研究。这些的“区域性膨胀土”物理力学、物理化学 和微观分析的测试成果作了系统归纳，并对这些“区域性膨胀土”的分布规律和 工程特性的形成进行了综合研究；倪宏革 3 0 】通过实例说明膨胀土工程性质受其形 成时的区域地质背景、水文与地貌条件、气候分布等环境的制约，具有明显的规 律性；张永双 3 1 】在对南水北调中线工程南阳盆地、方城宝丰、邯郸永年三渠段 上百个原状样的物质组成、物理性质、物化性质、膨胀性和收缩性、强度特性系 统测试分析的基础上，总结了各类硬粘土的工程地质特性及其形成机理和变化规 律；张加桂 3 2 】通过对物质组成、水理和物化性质的测试，按粘土膨胀势判别的国 家标准对三峡库区膨胀土进行了判别并综合野外调查和室内测试结果，研究了峡 库区膨胀土的成因、分布和成灾机理，提出了治理措施；张永双【3 3 】基于野外调查 和室内试验测试结果，介绍了仙游寺膨胀性粘土的发育特征、成因时代及其工程 地质特性。 4 1 2 2 膨胀岩( 土) 边坡破坏特点及模式研究 膨胀岩( 土) 边坡的稳定性既受膨胀岩( 土) 的土性、地质条件控制又与当 地的气候环境条件密切相关，其破坏形式有复杂多样的特点。因此，膨胀岩( 土) 的破坏问题既是工程问题又是地质问题，膨胀岩( 土) 边坡破坏特点及模式的研 究基本上也是从分析工程地质特征、土性及气候环境方面着手。 来弘鹏【3 4 】分析了西汉高速公路膨胀土地区路颦边坡浅层破坏的工程特性；李 青云【35 】通过多种研究手段综合研究了南水北调中线膨胀土( 岩) 渠坡破坏机理，提 出合适的膨胀土( 岩) 渠坡稳定性分析方法，有针对性地研究了膨胀土( 岩) 渠道处理 措施，现场验证比较试验渠段后提出经济可行的处理方案；王文生，谢永利 6 】 综合分析膨胀土3 个基本工程特性( 胀缩性、多裂隙性、超固结性) 后，将颦坡 破坏划分为潜伏断面滑坡型、孤面渐进破坏型、浅表层崩塌型3 种模式；吕俊娥 【”】依托关中公路坏线渭南至阳郭段滑坡治理项目，分析研究k 15 + 7 0 + l3 0 段西 坡膨胀土滑坡主要原因，认为是土体的内在基因、环境影响条件、工程活动影响 三个方面；潘军利【38 】对膨胀泥岩堑坡进行分类后，分析其破坏机理主要是顺层剪 切、顺层溃曲、反倾弯曲一拉裂、水平压致剪切和切向楔体滑移等几种，并建立 相应模式；武雄【39 】以吉林珲春高速公路延吉盆地强膨胀软岩边坡为例，采取现 场调研、取样、大量室内试验和理论分析相结合手段，揭示边坡“蠕滑拉裂，梯级 牵引，大雨大动，无雨微动 的变形机理；刘龙武【4 0 】通过长期跟踪观察宁明盆地 第三系湖相沉积及其风化残积型膨胀土路颦边坡滑坍过程、系统地质调查和统计 分析，首次分析了台阶式滑坡的破坏机理；杨和平【4 i 】对广西南友路膨胀土路堑边 坡开挖中出现的大量滑坍开展详细工程地质调查，逐个进行勘察分析，结合土性 试验结果，全面分析了土性特征、堑坡工程地质特性及影响边坡稳定性的各种因 素，为合适治理方案的提出奠定了基础。 1 2 3 膨胀( 岩) 土路堑边坡处治技术研究 无论铁路、公路、水利或民用建筑的场地开挖工程，膨胀土挖方边坡的破坏 总是经常发生且难以治理。对此，国内外学者开展了大量研究，提出许多种边坡 的工程处治方法，撅括起来有；刚性结构支挡法、刚柔结合法、柔性支护法等， 不同的处治方法其效果也不尽相同，存在不少成功的例子也有很多失败的教训。 以往，铁道部门在膨胀土地区修铁路，如遇开挖边坡稳定性不足，通常采用 刚性支护措施，如抗滑桩、挡土墙以及这两种结构物联合进行加固，对大面积的 边坡坡面，主要采用全封闭的浆砌片石、挂网喷浆等进行防护。如庄仲欣【4 2 】对朔 黄铁路膨胀土路堑采取坡脚砌石挡墙支挡，边坡放缓至1 ：1 7 5 ，坡面用重塑土 反压，实现保湿防风化综合处治。张永防【4 3 】等对南昆铁路d k 5 0 + 2 0 0 d k 5 0 + 3 5 0 膨胀土( 岩) 段堑坡实施锚杆框架护坡，通过现场观测，论证该法加固边坡的作用。 5 早期公路部门对膨胀土堑坡的处治，大多也沿袭铁路部门的作法，如袁从华 【4 4 】等在分析湖北襄孝高速公路3 个膨胀土边坡失稳的原因后，采用削坡放缓、抗 滑桩加固、锚杆加固、抗滑挡墙加固四种整治方案对其进行试验研究，并从经济 和生态环保角度比较各自的优劣，认为坡高1 2m 以内，采用放缓边坡方案最经 济环保。杜英 4 5 】针对支护河南南邓高路膨胀土颦坡提出2 种方案：一是设( 1 ：1 7 5 1 ：2 0 ) 缓坡，其上采取浆砌片石；二是借用土工格栅加筋柔性支护技术治理。 2 0 0 2 年长沙理工大学丌展交通部西部膨胀土项目研究时，j 下是通过分析国内 外膨胀土边坡处治失败和成功的案例，认真总结经验、教训，于2 0 0 4 年7 月首次 提出并实施柔性支护技术，成功治理了南友高速宁明膨胀土路段1 4 个滑坍边坡， 经济、环保、有效的解决了这样一个世界难题【4 6 儿4 7 】【4 8 1 。 综上所叙，弄清膨胀( 岩) 土的成因类型、工程特性、路颦边坡破坏模式， 分析已有工程措施的技术原理及处治效果，吸取成功经验和失败教训，进而提出 经济、有效、环保的设计方案和技术措施，是柔性支护新技术诞生的基本路径。 1 3 本文的主要研究内容 柔性支护新技术的提出及发展遵循的技术思路是：对膨胀土( 岩) 的性质及 工程地质特性的全面正确认识一对膨胀土( 岩) 路堑边坡破坏特点及模式的深刻 理解一对已有边坡处治措施不断总结研究一突破传统思路提出创新技术。 因此，本研究将继续遵循这一技术路线，以广西南友、百隆高速公路及北京 西六环高速公路建设为背景，通过对开挖边坡的地质调查，认真分析广西典型残 积型及北京沉积型膨胀岩( 土) 工程地质特征和堑坡破坏特点；采取钻芯取样、 土性试验，对这两类膨胀( 岩) 土的物质成分、工程特性开展对比研究；归纳总 结南、北方不同膨胀岩( 土) 类路堑边坡的破坏规律及模式；通过对两地处治工 程的技术总结，得到不同地质状况、土性、气候条件下膨胀岩( 土) 路斯边坡实 施柔性支护方案设计及施工方法上的异同，论证柔性支护技术的普遍适用性及全 面推广应用时需把握的关键技术要点。 拟丌展的主要研究工作如下： ( 1 ) 尽可能多的开展已有研究成果和相关工程处治资料的文献调研，归纳总 结我国膨胀( 岩) 土的主要成因类型、时代与分布特点、地质特性、对工程的危害 程度，并通过详细的调研资料介绍膨胀( 岩) 土路堑边坡常用的工程处治技术措施、 应用效果及主要优、缺点。 ( 2 ) 对西六环膨胀岩( 土) 与广西地区典型膨胀土( 岩) 的宏观地质结构特 点、物质成分及基本工程性质进行分析比较，找出北京沉积型膨胀岩( 土) 以及 广西典型膨胀土( 岩) 工程地质特性的异同点。 ( 3 ) 通过对西六环膨胀岩( 土) 路堑边坡坍滑破坏的现场调查，结合已有广 6 西典型膨胀土( 岩) 路堑边坡破坏特点调研成果，深入对比分析广西膨胀( 岩) 土与西六环膨胀岩( 土) 路颦边坡的破坏模式，以探究各自的破坏规律和发生机 理，为设计处治方案提供依据。 ( 4 ) 总结以“保湿防渗”、“以柔治胀”作为主要技术思路，针对不同地质 状况、土性、气候条件下两地路颦边坡处治设计方案的异同点，具体工程施工方 法存在的差异，提出不同条件下土工格栅加筋柔性支护采用的施工工艺与方法。 ( 5 ) 基于上述分析研究，提出不同地区、不同气候、不同膨胀( 岩) 土性质 条件下实施柔性支护处治矩坡的技术设计及施工要点，供工程参考与借鉴。 7 第二章我国膨胀( 岩) 土工程地质特性及堑坡处治方 法调查研究 中国是世界上膨胀岩、土分布最广的国家之一，已查明至少有2 6 个省市自治 区有区域性膨胀岩土的分布，我国大陆地表出露和地下隐伏的膨胀性岩、土约占 陆地总面积的i 3 左右；中国亦是膨胀岩、土地质成冈类型最复杂的因家，它包 括了世界上己知的膨胀岩土的各种类型【5 i j ；中国还是膨胀岩土地质灾害最严重的 国家之一，膨胀性岩、土的不良工程地质特性给中国各类基础工程建设造成严重 危害【4 9 1 。由于膨胀岩、土成因、时代各异而工程性质往往有巨大差异。因此，研 究南、北方膨胀( 岩) 土的成因类型、分布规律、地质特性、危害特点以及工程中 常用的处治方式对指导工程建设具有重大意义。 2 1 膨胀( 岩) 土的成因类型、分布、地质特性及危害特点 2 1 1 膨胀( 岩) 土的成因类型 纵观我国膨胀( 岩) 土的形成作用，广泛分布的膨胀( 岩) 土实际上主要为 两大成因类型，即风化残积型膨胀土和沉积型膨胀( 岩) 土【5 0 】。 风化残积型膨胀土因母岩矿物化学成分和化学风化程度不同而各异，其母岩 一是泥质岩系列，包括泥岩、页岩、粘土岩、泥灰岩，二是中基性火成岩( 玄武 岩、安山岩) 。前者由于泥质岩本身富含粘土矿物( 特别是蒙脱石) ，风化作用 导致母岩联结的破坏和性质的活化以及粘土矿物的转化：后者由于岩石贫二氧化 硅易于风化，因母岩中富含镁而易于形成蒙脱石。 沉积型膨胀( 岩) 土因沉积作用( 湖积、洪积、坡积、冲积) 和沉积时代( 固 结程度) 的不同而各异。由于第四世期间中国东部中纬度南温带和北亚热带的蒙 脱石化作用发生，山地和丘陵提供了丰富的富含蒙脱石的粘土矿物，在平原和盆 地形成了富含蒙脱石的洪积、湖积、冲积粘土。 2 1 2 南、北方主要省份膨胀( 岩) 土的成因时代、分布及地质 特征 残积型膨胀土不仅是世界也是中国热带和亚热带地区膨胀土最主要的成因类 型，也是地质灾害最严重的膨胀土类型，它们主要分布在热带亚热带的准平原、 古高原面、山间盆地和低矮丘陵区。 富含膨胀性粘土矿物的沉积性膨胀岩( 土) 主要分布在中维度的暖湿气候区， 8 即暖温带和北亚热带。沉积型膨胀岩( 土) 的工程性质初受形成的古气候和古环 境的影响外，特别是受形成年代的即沉积固结的长短所控制，形成的地质年代越 老，密度愈高，相对含水量越小。 为对我国南、北方膨胀( 岩) 土的分布、成因及地质特征有一个清晰明确的 认识，参考中科院地球与物理研究所曲永新研究员的对全国主要膨胀土分布区埋 深3 0 m 以内浅表层膨胀性岩土的信息集成【5 ，以了解我国膨胀( 岩) 土的相关特 征。 表2 1 我国南、北方主要省份膨胀( 岩) 土的成因时代及地质特征 省、区成冈时代分布地质特征 绿色枯十、灰向色料十、 e 系湖积泥质岩南。j 。盆地、卣色盆地、j 。明盆地、 黄色粘七、灰黄色粘十、 和风化残积十上思盆地 深灰色泥岩 广西壮 紫红色、棕红色高孔隙高 族自治 安山玢岩残积红 陆川安山玢岩残匠区含水拦的红十强风化壳， 区土 其全强风化带厚大下7 m 石灰岩溶蚀红粘广西岩溶洼地，准平原，河谷盆地 红色、棕红色粘七 十如河池、柳州、桂林 上第二系湖积软分布在上第三系断陷盆地( 鸡街盆以残积粘土为主，膨胀岩 泥岩、泥灰岩和地、曲靖盆地、开远盆地、昭通盆较少，灰白色、黄色、棕 残积粘十地、文山盆地等)黄色 中上三叠系泥质 云南省岩的残积十和风滇东、滇南强风化带粘土 化岩 j e 岩残积粘十滇中j 红层盆地泥质岩风化壳 灰岩自云岩残坡 昆明盆地边缘山前倾斜平原红褐色、棕黄色粘十 积红十 q 2 ( q 3 ) 洪积粘 在江汉盆地两北、北、东北倾斜平 褐黄色、棕黄色便粘十， 湖北省十( n 一湖积枯七原，襄樊一钟祥断陷沉积谷地，南 裂隙化 在深部)襄盆地南部和鄂两北山间小盆地 n i $ 1 j n 2 湖积硬粘 南脚j 盆地q 系底部( 南l ；u 、邓县镇 棕红色、黄褐色、灰绿色 河南省平) 、伏牛山、外方山山前带( 平 土 硬粘土 顶山、宝丰、叶县、舞阳) 9 表2 1 我国南、北方主要省份膨胀( 岩) 土的成因时代及地质特征( 续 表) 省、区成冈时代分布地质特征 南田i 盆地( 南、镇平、唐黄褐色、棕黄色粘十，便粘 中更新世洪积粘十 河) 、犬别山北麓 十 n 2 三趾马红十山前倾斜平原棕红色硬粘十 陕西 中更新世洪积粘十与早安康盆地、两乡盆地、汉中 q l 、q 2 灰绿色、褐黄色裂隙 省 更新世湖积粘十 盆地 粘十 上新世二趾马红十关中盆地及陇阳黄十高原橘红色硬粘十 n 1 湖相硬粘十州和及曲汉水盆地灰绿色和紫红色硬粘十 中新世( n 1 ) 天坛组湖 北京的丰台、宣武、西区q砖红色泥岩及风化层( 与砂 相软泥岩系底部泥质杂色砾岩间层) 北京 q 2 洪积粘十北京莲花池地区棕黄色枯十、褐黄色粘十 市 j 泥岩风化层北京房山区两黑灰、灰绿色泥岩 k 1 黄色泥岩北京两南白垩系沉积盆地浅紫色弱风化泥岩 从表2 1 可以看到我国部分主要膨胀土分布区膨胀( 岩) 土的特点是： ( 1 ) 类型多。各种成因类型都有，时代各异。( 2 ) 多发育于盆地。因盆地内独特的小 气候和地形有利于膨胀( 岩) 土的形成。( 3 ) 南方以残坡积型为主。广西，云南 两省区埋深3 0 m 以内浅表层膨胀性( 岩) 土，下部为不同类型的泥岩或页岩。( 4 ) 北方以沉积型为主。三个代表省区都为湖积型膨胀硬粘土或软岩。 基于上述我国主要膨胀( 岩) 土的分布及地质特征归类可知，本文研究对象 一一广西宁明贫地和百色瓮地膨胀( 岩) 土及北京西六环膨胀岩( 土) ，其成因 和类型与南、北方主要膨胀土的类型类似或接近，具有较好的典型和代表性。 2 1 3 我国膨胀( 岩) 土的工程危害 总体看我国膨胀岩土的工程问题十分突出，无论是残积型膨胀土还是沉积型 膨胀( 岩) 土都有严重工程问题的例子，特别是2 0 世纪7 0 年代以来， “大小三 线建设”中出现的成渝铁路、成昆铁路建设中的“成都粘土滑坡问题”、广西军 区在残积土地基上大批营房的破坏等膨胀土问题；又如南昆铁路百色瓮地段，穿 越强风化下第三系泥质、钙质泥岩残积粘土层，遭遇路堑滑坡，挡墙和抗滑桩破 坏，路堤下沉坍塌的严重工程问题，致使通车多年内年工程维修费用高达5 0 0 0 多万元。云南蒙自地区机场营区l 3 层建筑8 5 以上遭到破坏，砼路面开裂 8 c m 5 2 】。陕西地区襄渝铁路早阳安康七里沟段，和平关安康铁路通过汉中盆地， 西乡盆地、安康盆地膨胀土路堑边坡滑坡、路基下沉、道床翻浆使铁路工程严重 1 0 破坏【”】。 我国大量膨胀土地质灾害的分布具有鲜明的地域性，即某些地域膨胀土地质 灾害严重，某些地域则比较轻微。产生这种地域分布原因一是与土的成分和性质 有关，二是与各地域的气候干湿条件有关【5 4 1 。 总之，在中国广泛分布的沉积型膨胀( 岩) 土，受气候影响，膨胀土地质灾害 较轻，而南方地区广泛分布的泥灰岩、狄岩、页岩残积粘土因含水量高、极低密 度其膨胀土工程危害往往严重，特别是在气候极为干燥的热带沙漠、热带草原和 季节性干湿强烈交替的气候区，膨胀土的工程问题往往非常严重。尤其在热带和 亚热带的强烈化学风化作用下形成的高孔隙性、高含水量、高塑性、强收缩的膨 胀土，受岩性和气候双重控制，如云南蒙自、鸡街、广西百色、宁明等地的残破 积膨胀土灾害严重，这些地区所发生的道路、铁路、工业民用建筑物严重破坏是 我国膨胀( 岩) 土破坏的典型。 而某些沉积型膨胀岩、土地区分布的膨胀岩、土虽然含水量高、密度低、物 理化学活性强，但灾害和问题的发生却相对轻微。因此气候因素中，干湿交替的 幅度和持续时间的长短对膨胀岩、土的胀缩变形起着至关重要的作用。 2 2 膨胀( 岩) 土边坡的工程处治措施及其应用效果 由于开挖边坡的稳定性是膨胀( 岩) 土工程中最难解决的问题之一，针对膨 胀( 岩) 土边坡的工程整治，国内外工程技术人员提出了大量的处治方法，做了 许多有益的尝试，概括起来可将其分为刚性措施、柔性措施和刚柔相济处治措施 盘占 守0 2 2 1 刚性支护处治技术 含水量的变化是造成膨胀( 岩) 土体积变化、频繁发生边坡失稳的直接原因， 也是膨胀土地区公路、铁路路基发生破坏的主要肇因，因此膨胀土工程处治的基 本原则就是保湿防渗。围绕这一技术思路，国内较早开展膨胀土路基边坡稳定方 法研究的铁道部门，采用最多的技术是刚性支护和坡面全封闭措施【5 5 】【5 6 1 。而早期 公路部门处治膨胀土路堑边坡所采取支护措施，尤其是对大型膨胀土滑坡，主要 也是沿用铁路部门的已有的做法。 如图2 1 为焦柳铁路与汉宜公路交汇处( 雅雀岭段) 铁路路颦边坡发生大面 积滑坡后重新采取的滑坡处治的系统设计，其设计思路是在放缓边坡的同时采用 大直径抗滑桩及重力式挡墙抵抗主滑坡体，坡面采用分级窗式骨架护坡，并在主 滑坡体的第一级坡面上采用浆砌片石全封闭护坡，一方面阻止坡面土体的膨胀变 形，另一方面是阻止雨水沿坡面下渗，减少抗滑桩的受力。在路堑顶部用浆砌片