（岩土工程专业论文）西汉高速公路膨胀土路堑边坡加固技术研究.pdf

摘要 膨胀土是一种具有特殊性工程性质的土，产生的病害对高速公路建设和运营 有着巨大的危害和影响，其中膨胀土边坡破坏是常见的一种公路路基病害。 本文依托西汉高速公路实体工程，对西汉高速公路洋县勉县段的膨胀土进 行常规土工室内试验研究，通过对膨胀进行生石灰改性试验，从不同掺灰率的 改性土各项后指标对比，可以得出掺灰率为6 时各项指标呈现最优通过现场 调查总结西汉高速公路膨胀土路堑边坡破坏具有表层性和浅层性，针对膨胀土路 堑边坡的剥落、泥流和冲蚀表层破坏和溜塌浅层破坏的特点，提出表层加固方法； 改性土捶面、浆砌片石骨架+ 土工格室和浅层加固方法：石灰桩群。同时，运用 m a r c 专用软件对膨胀土边坡加固前后的变性与塑性区分布特征进行了数值仿 真分析，采用加固后的膨胀土路堑边坡所产生的变形减小约7 0 8 0 ，应力应 变减小约为8 0 。现场试验表明，采用本文所提出的加固方案在边坡稳定、经济 和美观绿化方面均优于原防护方案( 浆砌片石窗口式护坡) 。 关键词：膨胀土路堑边坡表层浅层加固数值分析 a b s t r a c t t h ee x p a n s i v ec l a yi sak i n do fs o i lw i t hs p e e h a le n g i n e e r i n gp r o p e r t i e sw h i c h h a ss e v e r eh a r ma n de f f e c tt oc o n s t r u c t i o na n de x e r t i o no ff r e e w a y t h es h a p eo f e x p a n s i v ec l a ys l o p ei sa no r d i n a r yd i s e a s eo fh i g h w a ye n g i n e e r i n g t h ep a p e rs t u d ya b o u te n g i n e e r i n go fx i a n h a n z h o n gf r e e w a y , s t u d y i n g l a b o r a t o r ye x p e r t m e n t so ft h ee x p a n s i v ec l a yo fv i ay a n gc o u n t r y m l a nc o u n t r y , a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t so fl i m ei m p r o v e de x p a n s i v ec l a yt h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e s o fe x p a n s i v es o i lb yx i a n h a n z h o n gf r e e w a ya r es u m m a r i z 硝t h ef a i l u r et y p e so f e x p a n s i v ec l a ys l o p eo nr o a dc u t t i n ga l o n gx i a l l h a n z h o n gf r e e w a y h a v e c h a r a c t e r i s t i co fs u r f a c ea n ds h a l l o w i na l l u s i o nt oc h a r a c t e r i s t i co fs u r f a c ed e s t r o y w h i c hh a v es t r i p p i n g 、e r o s i o na n dm u df l o wa n ds h a l l o wd e s t r o yw h i c hh a ss l o p e ，t h a t b r i n gf o r w a r dt h em e t h o d so fs u r f a c ea n ds h a l l o wr e i n f o r c e m e n tw h i c hh a v et h e b e a t i n g - c o v e ro fs o i lm o d i f i e d 、r e t a i n i n g + g e o e e l la n dq u i c k l i m ep i l eg r o u p t ol e a r n t h e o r yo ft h ef a i l u r eo fe x p a n s i v ed a ys l o p eo nr o a dc u t t i n g , a n a l y z ee x p a n s i v es l o p e i nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ( b e f o r er e i n f o r c e m e n ta n da f t e rr e i n f o r c e m e n t ) w i t hn o n l i n e a f f i n i t ee l e m e n tp r o g r a mo fm a r c t h em o d i f i c a t i o no fe x p a n s i v ec l a ys l o p e0 1 1r o a d e u t t 堍r e d u c e da tr a t eo f7 0 8 0 ，s t r e s sa n ds t i a i nr e d u c e d a tr a t eo f8 0 a f t e r r e i n f o r c e m e n t f i e l dt e s ts h o w st h a tt h em e t h o do fr e i n f o r c e m e n ti sb e t t e rt h a nt h e m e t h o do ft h ep r e v i o u sp r e v e n t i o n k e yw o r d s ：e x p a n s i v ec l a y ，s l o p eo i l r o a de n t t i n g ，s u r f a c e ，s h a l l o w ，r e i n f o r c e m e n t ； n u m e r i c a la n a l y s i s 论吏蚀纠住声。月 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，均己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： 缘铬 话杰知识产权仅属声明 ，币年十月落丑 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南接相关的 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： 导师签名 名锯 l 苗年斗月明 妒f 年垆月蟹日 凹锋 第一章绪论弟一早三；百化 1 1 概述 西安至汉中高速公路( 简称西汉高速公路，下同) ，是国道主干线( g z 4 0 ) 二连浩特至河口公路的重要组成部分。是陕西省“米”字型公路交通主骨架的 重要路段之一。该公路北起户县崂峪口，接己建成通车的西安至户县高速公路， 途径户县、宁陕、洋县、佛坪、城固、南郑、汉台、勉县等8 县区，南至勉县元 墩，接在建的勉县至宁强的高速公路。本项目建设对推动陕西省社会和经济的发 展有着十分重要的意义 西汉高速公路膨胀土区主要分布在陕南汉中地区，膨胀土主要分布于第四 系上更新统至全新统冲洪积、坡积的粘土、亚粘土地层，部分地段的全风化岩 石亦具有膨胀性，厚度在1 5 m 以内。膨胀士分布的地貌单元主要是中低山、丘 陵，洪积台地及高阶地区，在一、二级阶地表层的亚粘土亦具有膨胀性【4 】。 由于膨胀士具有与正常固结粘土一些不同的工程特性，如超固结性，裂隙 性和遇水膨胀、失水收缩开裂等，使得常规的边坡防护与加固措施及边坡稳定 分析方法不能适用于膨胀土边坡。膨胀土地区路基工程建设中的问题，尤其是 边坡的稳定性，已成为当前公路工程中一个亟待研究解决的重要技术课题。因 此。有必要对路堑边坡加固方法进行探讨。 膨胀土地区的公路，由于土体的性质、大气物理风化作用和湿胀干缩效应， 边坡土块崩解，土体抗剪强度衰减，常造成边坡的溜塌、滑坡、路基的不均匀 下沉、翻浆、冒泥等病害，且十分突出，路基的稳定性遭受破坏，造成路基失 稳，影响行车安全甚至交通中断。膨胀土边坡变形和破坏常常具有多次反复性 和长期潜在危险性的特点，我国铁道部门在总结膨胀土地区修建铁路时，就提 出膨胀土路基“逢堑必滑，无堤不塌”之说【1 1 。 随着我国西部大开发战略的逐渐实施，西部地区拟建的公路中约有3 3 0 0 k m 穿越膨胀土地区，膨胀土边坡失稳己经并将成为影响公路工程质量的主要因素 之一，研究膨胀土地区公路路堑边坡的加固方法，对保障膨胀土地区高速公路 的快速修建和安全运行、提高其通行能力，降低工程投资和公路运行成本具有 重要意义。 本文结合工程实践，对陕西省西汉高速公路膨胀土路段膨胀土特性和路堑 边坡加固方法进行了研究，旨在探索设计经验，解决相关的技术难题，并指导 施工 1 2 国内外研究现状 膨胀土又称裂土、膨润土、干缩土、超固结粘土、印度黑棉土( b l a c kc o t t o n s o i l s ) 、英国伦敦粘土( l o n d o nc l a y s ) 、加拿大丽达粘土( 1 e d ac l a y s ) 等，是 一种吸水膨胀软化、失水收缩开裂的特殊粘性土，其反复胀缩变形及因此引发 的强度衰减特性对轻型工程设旌存在长期、潜在、反复的危害作用。 膨胀土分布广，是一种细颗粒含量多，且主要由强亲水性矿物组成的特殊 粘土，具有多裂隙性、超固结性、强亲水性和反复胀缩等特征。膨胀土对人类 工程建设的危害是世晃性的，并造成了巨大的经济损失。自上世纪五六十年代 以来，膨胀土的工程问题己成为世界性的研究课题，引起各国学术界和工程界 的高度重视。在美国，首次膨胀土全国性学术会议于1 9 5 9 年在科罗拉多州召开 1 9 6 5 年在美国召开了首届国际膨胀土会议，之后的每届膨胀士会议、国际工程 地质大会、国际土力学及基础工程大会以及许多地区性的国际会议都将膨胀土 工程问题列为重要议题。自1 9 5 9 年至1 9 7 7 年，英国、前苏联、美国、日本和 罗马尼亚等国都先后组织力量专门研究膨胀土的工程性质，制定有关的规范， 增列了有关膨胀土的条文内容，充分反映了各国对膨胀士工程问题的高度重视 以及采取的科学态度【2 1 。 我国是世界上膨胀土分布最广、面积最大的国家之一，多年来，在膨胀土 地区公路工程的设计、施工和管理工作中往往将它作为一般的粘性土和老粘土 对待，对它所固有的特性及特殊的结构构造性认识不足，使膨胀土对公路工程 的危害十分严重。5 0 年代初，我国在修建成渝铁路工程中，首次遇到成都膨胀 粘土危害问题。随着工程建设事业的迅速发展，膨胀土的工程问题引起了工程 技术和科研人员的极大关注，自上世纪七十年代开始，有组织地在全国范围内 开展了大规模的膨胀土研究工作，取得了一批成果，建筑部门已制定了“膨胀 土地区建筑技术规范”，铁路工程膨胀土研究己有专著出版，并完成了铁道部重 点科研课题报告。目前我国膨胀土的研究工作，主要集中在以下几个方面：( 1 ) 工业与民用建筑膨胀土地基问题、( 2 ) 膨胀土地区筑路工程问题、( 3 ) 膨胀土的筑 2 坝问题、( 4 ) 膨胀土工程性质及测试技术等。其研究成果集中体现在有关的技术 规范中，有关膨胀土的试验内容和方法在各种土工试验规程及手册中均有体现。 早在上世纪三十年代，从粘土地基变形破坏和边坡失稳事故的分析中对膨 胀上的特殊性就有了认识，但直到上世纪六十年代才在有关文献中见到对这方 面的论述。以往对膨胀土的研究主要在膨胀土的物质成分及其工程性质、胀缩 机理、裂隙的形态、分布及成因、变形、强度、边坡稳定和试验方法等方面开 展了工作。以下主要是从膨胀土基本工程特性、膨胀土判别与分类、膨胀土改 良试验研究及膨胀土路堑边坡加固措施四个方面对国内外研究现状与进展进行 简要评述。 ( 1 ) 膨胀土的工程特性 膨胀土的特性是其体积随含水量的增加而膨胀，遇水后迅速膨胀软化，具 有明显的随季节变化而膨胀和收缩的循环变化特性。暴露于大气中的膨胀土极 易失水千缩、开裂，性质极不稳定。膨胀土的膨胀收缩性能主要决定于它的矿 物成份及其相互联结的状态，土中亲水性强的蒙脱石、高岭土，伊利石( 水云母) 等成份愈多，其膨胀性愈大，当有效蒙脱石含量大于8 1 0 条件下，随有效 + 蒙脱石含量的增加，膨胀势将迅速增大。膨胀土的工程特性大致可以归纳如下： 胀缩性；崩解性；多裂隙性；超固结性；风化特性；强度衰减性。 ( 2 ) 膨胀土判别与分类 在膨胀土地区进行各类工程建筑的勘察，设计中，最先遇到和最迫切需要 解决的问题就是对膨胀土的判别与分类若将膨胀土漏判或将强膨胀土判为弱 膨胀土，会给工程埋下隐患；若将普通土误判为膨胀土或将弱膨胀土判为强膨 胀土，会造成经济的巨大浪费。已有的工程教训证明，许多膨胀土的工程危害 是由工程人员对膨胀土误判造成。目前，国内外关于膨胀土判别分级的指标有 几十种之多，且至今仍有分歧，归纳起来大体可分为两类：一类反映土的天然 结构与状态，另一类反映土的物质组成与水的相互作用。主要有以下几种判别 方法：( 1 ) 原国家建委膨胀土地区建筑技术规范( g b j l l 2 - - 8 7 ) 的判别指标 为自由膨胀率f ：4 0 或蒙脱石的含量大于7 、地基沉降量s c 1 5 m 即为膨胀 土。其主要是按自由膨胀率与地基变形量来分类的；( 2 ) 多指标分类法，比如美 国垦务局u s b r 法，柯尊敬的最大胀缩指标分类法、自由膨胀率和胀缩总率分类 3 法，多指标综合分类法，印度黑棉士分类法等：( 3 ) 南非威廉姆斯分类法，采用 作图法，简单明了。但采用分类指标为 0 0 0 2 n n 粘粒含量百分比与塑性指数， 利用南非威廉姆斯分类对膨胀土进行分类，结果明显偏高，且理论依据不是很 明确；( 4 ) 中国科学院武汉岩土力学研究所谭罗荣教授建立了风干含水量和液限 的关系图，提出风干含水量判别法；( 5 ) 铁路系统2 0 0 1 年经过修编铁路工程岩 土分类标准( t b l 0 0 7 7 2 0 0 加1 2 3 2 0 0 1 ) 对膨胀土的分类标准进行了较大的 修改，提出了以蒙脱石含量和阳离子交换量为主要指标的判别与分类方法较为 合理，但对蒙脱石含量和阳离子交换量测试较为困难，难于推广；( 6 ) 近年来， 李生林教授等不少学者对灰色优化理论模型及人工神经系统网络理论在膨胀土 的判别分类中的运用作了大量研究，但其建模和大量的复杂数据取得在一般工 程中很难，所以应用不是很广泛。 ( 3 ) 膨胀土改良试验 目前处理膨胀土的方法主要是化学改性，如掺生石灰、水泥、粉煤灰、氯 化钠、氯化钙和磷酸等稳定膨胀土。其中用掺生石灰处理膨胀士是最普遍和有 效的方法。掺生石灰处理后能降低胀缩性主要是通过减小土的塑性来实现的 但是，石灰稳定的过程主要有三个：其一是生石灰掺入膨胀土中，在水的作用 下产生大量氢氧化钙( q ( 0 叮) ：) ，造成碱性环境，大量钙离子( e “) 与膨 胀土颗粒表面的钠离子( 札+ ) 发生阳离子交换，没有发生交换的钙离子可能 会被吸收，造成总的离子单位重量增大，因此改变了膨胀土颗粒表面的带电状 态，有利于膨胀土颗粒凝聚，提高改良土的初期强度；其二是在碱性环境中， 膨胀土的二氧化硅( s i o ：) 、三氧化二铝( a i ：d 3 ) 和生石灰在水的作用下发生 反应，生成水化硅酸钙( c a o s i 0 2 n h 2 0 ) 、水化铝酸钙( c a o a 1 2 0 3 n h 2 0 ) 和水化硅铝酸钙凝胶( c a o s i 0 2 a 1 2 0 3 - n i l 2 0 ) ，生成的三种胶凝性极强的物 质，具有良好的水稳性，它能把土颗粒紧密的胶结在一起，这就是石灰土强度 提高的原因；其三是土中多余的生石灰，经消化生成熟石灰，在空气和土中二 氧化碳的作用下，生成具有较高强度的碳酸钙。这一反应进行缓慢，对提高石 灰土的后期强度有一定效果。 ( 4 ) 膨胀土路堑边坡处治措施 4 国内外不少学者对膨胀土滑坡机理、滑坡基本特性即牵引性和浅层性进行 了探讨。李妥德等，李秉生等，廖济川、扬成斌、李伟、王帧对膨胀土坡的稳 定性计算进行了较专门的研究，提出了静力平衡分析法，判别分析法和简易设 计法等边坡稳定分析法，黄尚燕对膨胀土路堤边坡的破坏模式、破坏类型及稳 定性分析方法进行了分析和探讨，但这类分析方法未考虑降雨及吸力的影响。 秦禄生、郑健龙结合工程实践对膨胀土路堑边坡雨季表层滑坍稳定性分析，陈 善雄、王守义在考虑降雨的非饱和土边坡稳定性分析方法上有了一定的研究。 针对膨胀土的工程特性与膨胀土地基的病害特点，并考虑工程的经济性，可以 从换填、改性、隔水封闭、渗沟排水4 个角度，归纳总结膨胀土地基处理措施 与技术方法嘲 换填与膨胀土掺灰改性法f “读填法在府青地基处理方法中为最经济、可靠的方法。但换填方量过大时， 废土可能占用大量土地，并引发生态环境问题；某些地区可能还存在借土困难 或借土成本过大的问题。这时，可考虑膨胀土改性法或石灰桩加固法。 有机大分子溶液改良法： 47 改良技术既适用于斜面地基( 堑坡) ，又适用于平面地基( 路基基底) ，一 般多用于膨胀土堑坡的浅层稳定性处理。目前，国内比较成熟的有机大分子溶 液改良技术有d a h 改良液等。 石灰桩或灰土桩加固法： 石灰桩加固法对于斜面地基( 堑坡) 和平面地基( 路基基底) 均适用用 于厚度较大的膨胀土软基处理时，具有独特的优势当膨胀土软基厚度大于 2 0 m 时，可以考虑石灰桩加固。 隔水封闭与渗沟排水法： 隔水封闭是采用土工防水布、石灰与粘土混合料等材料对地基或坡面进行 隔水封闭，阻止气候干湿循环对膨胀土含水量的影响，达到稳定路基或边坡的 目的。由于隔水封闭法的施工质量控制标准要求较高，建议设计时慎用。 由于国内膨胀土路堤改性填筑或各种防护工程的应用，路堤边坡的稳定及 防护研究有很大进展，满开颜对植被对边坡的防护作用进行了研究，认为植物 的防护作用表现在减少雨水打击坡面的机会、分流雨水、提高了土的抗剪强度、 5 减少了坡面径流量，坡面侵蚀减弱。杨和平教授等在云南省公路工程项目中对 土工格网用于膨胀土路堤边坡加固作了有益的探讨，对膨胀土路堤边坡的防护 起到了较好的指导作用。 综上所述，国内外研究工作者对膨胀士的研究开展了大量工作，特别是近 年来，随着科技的发展，新理论、新技术的应用，膨胀土问题的研究在工程应 用方面有了一些进步。但由于膨胀土工程性质及影响因素复杂性，目前己有的 理论与应用方面的研究成果还远不能满足用于指导和解决高速公路建设中的实 际工程问题的需求，如在膨胀土判别与分类方面，公路部门还没有建立自己的 标准，在膨胀土路堑边坡稳定分析中土的强度参数取值、考虑膨胀力作用的稳 定分析模型的建立等方面还有待于研究。此外，膨胀土路堑边坡设计方法还没 有规范可依，因此，对路堑边坡的稳定性研究无论在理论上还是在实际应用上 都有待于加大力度，特别是需要深入开展有针对性的边坡设计和防护措施的研 究。 1 3 本文研究内容 针对膨胀土目前工程应用研究方面的不足，为解决西汉高速公路实际工程 问题，本文主要开展以下工作： 1 、西汉高速公路膨胀土的物质成分及工程特性试验 由于膨胀土的历史成因千差万别，土的物质成分是控制其工程特性的内在 因素，弄清其物质成分和基本工程性质是进行膨胀土工程病害防治的基础，因 此通过对西汉高速公路沿线膨胀土的取样试验，进行x 射线衍射、差热分析、 化学全分析，颗粒组成分析，获取得包括膨胀土的矿物化学成分、阳离子交换 性、颗粒组成、含水量、容重、界限含水量、压缩性、胀缩性质等基本资料， 分析确定西汉高速公路膨胀土的基本特性，为膨胀土的判别和分类做好基础工 作。 2 、西汉高速公路膨胀土石灰改良试验 基于膨胀土工程特性和物质成分分析，为解决西汉高速公路路堑边坡修筑 中的问题，采用石灰改良膨胀土路堑边坡作为研究对象，针对膨胀土的不良工 程特性进行石灰改良膨胀土的试验研究，确定合理的掺灰剂量。 3 、膨胀土路堑边坡加固方法及仿真分析 6 根据膨胀土路堑边坡塌滑的特点，建立浅层塌滑计算模型，提出相应的加 固措施。并运用有限元软件m a r c 进行数值仿真分析，并对其适用性作出具体 的评价。 4 、综合分析，提出西汉高速公路路堑边坡的治理措施 考虑影响膨胀土路堑边坡稳定的因素，结合本工程实际情况，提出防止边 坡病害的建议和措施指导膨胀士路堑边坡变更设计、防护施工。 总之，本文从研究膨胀土土体力学环境条件中的各要素及它们的相互关系 入手，在试验、调查研究、观测及数值仿真分析的基础上，结合工程特点，提 出相应可行并合理的加固方法，为西汉高速公路膨胀土路堑边坡防护提供可靠 依据 7 第二章西汉高速公路膨胀土特性 我国是膨胀土分布最广的国家之一，先后己在2 0 多个省发现有膨胀土，由 于它具有显著胀缩特性，使膨胀土地区的房屋建筑、铁路、公路、机场、水利 工程等经常遭受严重的破坏，对人民的财产造成巨大的损失，同时这种危害随 着工程建设事业的迅速发展而更加严重，引起了岩土工程界科技人员的极大关 注【2 l 。 西汉高速公路的洋县勉县段有近5 0 k i n 分布膨胀土，本文针对分布于此 段的膨胀土特性进行研究。 2 1 西汉高速公路膨胀土工程地质特性捌 2 1 1 成因及分布 西汉高速公路膨胀土地区主要跨两大地貌单元，盆地和阶地垄岗，沿汉江 河谷的汉中盆地中的河湖盆地与阶地，呈带状分布，形成的地质时代为q 1 q 3 ， 类型有冲积和洪积两种成因类型。 冲积、洪积膨胀土几乎在我国所有河谷阶地与一部分盆地和平原部有广泛 分布，是一套以深色物质为主，具有褐、黄、红、棕等色的有序或无序层次粘 性土，底部常有砂砾层。各种颜色粘土层常以互层出现，许多地方在红、黄粘 土之间，还夹有灰白粘土透镜体1 2 层，但各层之间无明显分界线。粘土裂隙 发育，裂隙面大多充填有灰白粘土条带或薄膜，里蜡状光泽，含有钙质结核， 有时富集成层形成钙盘，此外尚有铁锰结核及豆石膨胀土厚度较大，据钻探 揭露，汉江阶地一般为2 0 3 0 m ，南襄盆地4 2 8 0 m ，构成阶地垄岗与大片岗 地性波状平原的主体。据湖北郧县区域地质资料以及襄渝铁路施工，在汉江阶 地膨胀土中部发现含有东方剑齿象化石，时代应属于第四纪中更新世堆积。 冲积型：主要位于河流冲积平原地带，即分布路线里程桩号k 1 5 + 0 0 0 至 k 4 0 + 1 8 6 及k 6 2 + 0 0 0 至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 5 0 米至2 1 3 0 米不等，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：主要位于构造剥蚀微丘或垄岗地带，即分布于路线里程桩号 8 k 4 4 0 0 0 至k 1 3 4 0 0 0 及k 8 9 4 0 0 0 至i c 0 6 + 0 0 0 之间。主要由粘土及亚粘土组成， 厚度o 2 0 至1 2 5 0 米，为褐色，褐红色，黄褐色，含铁锰质结核。 2 1 2 物质成分与颗粒组成 对西汉高速公路洋勉段具有代表性的k “9 5 7k 5 + 1 2 0 、k 4 铷| 4 0 k 4 + 2 0 0 两个膨胀土路堑边坡分层分别采取土样，采用x 射线衍射分析及差热分析、化 学全分析、颗粒组成分析等方法确定其矿物化学成分及颗粒组成。 1 、矿物及化学成分9 l 进行x 射线衍射试验时，为进一步判明蒙脱石和伊利石混层矿物的存在， 取4 个试样做了1 3 个定向片，并对其进行了除屁，仍和有机质的处理，鉴定结 果( 表2 - 1 ) 表明，上述路堑膨胀土矿物成分多以伊利石、蒙脱石为主。高岭土含 量较低，其主要矿物成分为伊利石与蒙脱石不规则混层矿物、石英、长石、高 岭石、蛭石及极少量绿泥石等，蒙脱石含量，达1 0 2 5 ，其次为石英、伊 利石与蒙脱石不规则混层矿物。膨胀土伊利石含量为1 4 3 1 ，水云母含量 1 0 2 2 ，高岭石含量1 0 1 7 ，其它还含有方解石、石英、云母、绿泥石 等矿物。 表2 1 西汉高速公路路堑边坡膨胀土主要矿物成分 矿物成分 蒙脱石( )伊利石( )高岭石( )差热分析 士群 k 4 4 0 4 m k 和删1 4 2 21 5 2 61 1 1 5 蒙脱石、伊利石 k 4 + 9 5 7 x 5 + 1 2 01 伊2 31 4 2 01 0 1 6 高蛉石，石英等 对7 个样品作了化学全分析，对比全量土和胶粒土的化学成分可以看出( 表 2 2 ) ，全量土中s i 0 2 的含量明显较胶粒土高，平均增加2 6 ，而a 1 d 0 3 的含量 都分别减少2 7 。这一现象表明，在粗粒中石英矿物相对富集。其总的特点是 土中s i 0 2 的平均含量占全部化学成分的5 0 以上，说明： ( 1 ) 路堑段膨胀土的化学成分中以s i 0 2 ，a 1 2 0 3 ，f e 2 0 3 ，c a o ，m g o ，k 2 0 ， n a 2 0 等成分的含量较高； ( 2 ) 胶粒化学成分中s i 0 2 , a 1 2 0 3 的分予比( 即硅铝分子比) 平均为3 5 8 ，可以 看出，上述标准硅铝分子比率值说明研究的路堑段膨胀土中粘土矿物成分以伊 9 利石为主，且含有相当数量的蒙脱石； ( 3 ) 从化学成分中可以看出，土中较活泼元素k ，n a , ，c a ，m g 等碱金属和 碱土金属含量较高，表明它的风化淋溶程度有限，化学风化程度较低，只要环 境条件( 气候、水、氧) 发生改变，该膨胀土还将进一步风化，其工程性质也将 迸一步恶化。 表2 - 2 西汉高速公路路堑膨胀土化学成分 项且s i 0 2a 1 2 0 3鼢c a o m g o聊 n a 2 0s i 0 2 a 1 如 平均值 全量土5 1 3 1 9 3 1 0 81 44 4 4 8 o 6 4 5 2 ( ) 平均值 胶粒土4 0 7 2 4 5 1 3 8 1 2 8 4 5 8o 43 5 8 ( ) 2 、阳离子交换性 膨胀土中离子交换吸附作用是粘土矿物的一种重要物理性质，通过测定膨 胀土的阳离子交换性能可以定性地判定其组成的主要矿物类型，从而评价膨胀 土的亲水性、膨胀性和强度等重要性质。分析所取土样的阳离子交换性能可以 看出，全量土阳离子交换量的变化范围为1 5 5 3 3 9 7 4 m e 克土，平均为2 8 2 8 ， 而胶粒土的交换量则要大得多，阳离子交换量的变化范围为2 9 8 7 5 8 3 6 m e 1 0 0 克土，平均达到4 2 5 0 ，说明研究区的膨胀土矿物成分以伊利石为主，并且含 有相当数量的蒙脱石； 表2 - 3 西汉高速公路路堑膨胀土的阳离子交换量 阳离子交换量 交换阳离子成分( m e 1 0 0 克士： 项目 ( m e 1 0 0 克土)r n a + c a 2 + m 矿 盐基总量 范围值o 6 3 o 7 0 1 1 4 7 0 3 1 1 5 7 4 ( ) 1 5 6 3 3 9 7 4 1 - 1 8 1 3 5 2 9 6 38 9 84 1 5 0 全量土 平均值 ( ) 2 8 2 8 0 8 9 1 0 1 2 1 1 43 9 32 6 9 7 范围值1 7 4 1 0 8 2 4 4 5 0 6 8 4 4 3 8 ( ) 2 9 8 7 5 8 3 6 3 9 22 3 54 4 6 5 5 2 16 5 6 5 胶粒土 平均值 ( ) 4 2 5 0 2 3 8 l 6 53 3 6 7 2 3 34 0 0 3 1 0 由试验结果表2 - 3 可见，所研究的膨胀土交换性阳离子成分为c ，n a + ， c a 2 + 、m 矿等碱金属和碱土金属，并明显地以交换性c a 2 + 为主，其中全量土中 c a 2 + 含量为2 1 1 4 m e 1 0 0 克土，胶粒中c a 2 + 含量为3 3 6 7 m e 1 0 0 克土，分别占交 换盐基总量的7 8 8 4 ，说明该膨胀土属钙型伊利，其次是交换性m 矿+ ，全 量土中m 孑+ 约为1 4 ，但在胶粒土中仅约为5 ，变化较大，一价交换性阳离 子r 、n a + 的含量虽仅占1 ，但它们较高价阳离子具有更强的离子交换性能， 对膨胀土的性质影响很大，说明所研究的路堑膨胀土的亲水性和膨胀性均较强。 3 、颗粒组成【8 】 分别对西汉高速公路勉县洋县段的k 4 + 1 0 0 和k 5 + 0 5 0 处分层取样进行颗 粒分析，分析试验结果( 表2 4 ) 。 表2 - 4 西汉高速公路路堑膨胀土颗粒组成 颗粒组成( ) 土样位置取样深度 0 5 o 2 5 o 0 5 o 2 5 舢o 0 5 咖0 0 0 5 r a m 0 5 m 0 0 0 2 r a m 0 8 1 31 43 55 8 6 4 0 3 2 1 1 k i + l 1 4 2 03 21 0 44 9 53 6 9勰5 0 5 1 02 61 1 7锅。92 9 63 1 2 x 5 + 0 5 0 1 2 1 84 55 95 6 13 6 32 9 9 可以看出粒径小于0 0 0 2 r a m 占2 1 1 3 1 2 ，粒径小于0 0 0 5 r a m 占4 0 3 2 9 6 ，粒径为0 0 5 0 0 0 5 m m 占5 8 6 4 7 9 ，粒径大于0 0 5 m m 占1 4 1 1 7 。 由上可知，该膨胀土的颗粒成分有如下特点： ( 1 ) 膨胀土粒度成分以粘粒为主，其中小于0 0 0 2 r a m 的胶粒占有相当大的比 例，最高达到3 1 2 ，说明该膨胀土具有高分散性。 ( 2 ) 通常膨胀土粘粒与胶粒含量较高，膨胀性强，力学强度低，膨胀土中粘 粒具有较强的胶体化学性质，粘粒含量愈多，比表面积愈大，使膨胀土具有液 限高而膨胀性大的特性。当土中含水量较小时，水膜变薄，颗粒间的吸力加大， 使膨胀土具有较高的强度。若土中含水量很高时，吸附在粘粒周围的水膜变厚， 其强度就显著降低，压缩性愈大，工程性质就愈差。 2 2 膨胀土基本物理、胀缩性质 2 2 1 膨胀土基本物理性质 试样取自西汉高速公路洋一勉段具有代表性k “9 5 7 l k 5 + 1 2 0 、 k ) 4 i 畦- k 4 + 2 0 0 两个膨胀土路堑边坡分层分别采取土样。由观察得，粘土裂 隙发育，裂隙面大多充填有灰白粘土条带或薄膜，里蜡状光泽，含有钙质结核， 有时宦集成层形成钙盘，此外尚有铁锰结核及豆石，无垂直节理但有水平层理。 根据公路土工试验规程( f r j0 5 1 9 3 ) 进行室内常规土工试验，得到 膨胀土基本物理性质指标见表2 - 5 。 表2 - 5 膨胀土基本物理性质 泌 含水量液限塑限塑性指密度自由膨胀 m o ( ) 卿( ) ( ) 数lp p ( g c m 3 )率e ( 哟 1 9 踟晓2 5 2 2 4 7 5 3 4 k 4 + 9 5 7 _ 【5 + 1 2 04 9 5 5 41 7 6 8 1 8 2 1 2 3 6 3 5 2 8 12 9 6 8 0 2 2 2 3 0 2 2 0 4 1 8 8 4 6 1 8 k 和o 彻l _ 4 翻+ 2 0 05 0 5 4 62 4 6 3 0 3 1 5 2 42 4 62 0 0 1 67 8 3 从上表中可以得知，试验段的膨胀土属于高液限土，含水量较高，自由膨 胀率较大。 2 2 2 膨胀土胀缩性质 膨胀土的力学性质指标由压缩试验确定，包括：先期固结压力、压缩系数， 压缩模量、膨胀力等。 1 、先期固结压力 膨胀土具有超固结性，目前国内外最普遍的方法是采取原状土试样室内单 向压缩试验，求得压力p 与孔隙比c 关系，求出e 塘；p 关系曲线，由卡萨格兰 德法得出先期固结压力最，见图2 - 1 、2 - 2 。而现在上覆压力p 0 为6 0 k p a ，可以 “ 得到土样的超固结比：o c r = 之皇。试验结果见表2 - 6 。 g o 丑 握 高 压力( k p a ) 图2 - 1k 5 + 1 2 0 土样的e i o g p 曲线和求p c 的图解 一悲 lu 1 。m i l 、& 心 飞 n l 先期固结压力尼( k p a ) o c r ：丝 p o k 5 + 1 2 02 6 0 j 要暑= ll l _ | | i - _ 1 4 3 3 2 0 0k 4 + 1 6 01 2 0 表2 _ 7 土的压缩评价指标 压缩系数口1 2 ( 阮。) 之 口l - 2 ( m p a 4 )艮2 ( m p a )压缩性 带 k 4 + 9 5 7 - - k 5 + 1 2 0 0 2 9 4 0 4 8 41 0 6 5 6 1 5 6 7 3 中压缩性 k 4 + 0 4 0 k 4 + 2 0 00 4 9 0 72 5 7高压缩性 3 、膨胀力 膨胀力( p o ) ，土体体积膨胀受到限制时吸水后所产生的最大应力。由土的 膨胀力可得出符合实际的公路设计原则，采用足够的附加荷载以限制地基土的 膨胀，或采用相应措施，以防止路基或边坡发生变形，都将是极其重要的。试 验结果见表2 - 9 。 表2 _ 9 膨胀土膨胀力表 土样 k 4 + 9 5 7 - k 5 + 1 2 0 k 4 刊明o k 4 + 2 0 0 阮) 4 5 5 1 0 2 7 0 3 1 4 7 9 2 2 3 膨胀土强度特性伽豳 本次研究采用三轴压缩试验。试验装置为g d s 三轴试验系统，由英国g d s 公司研制生产该系统测量、控制精度高，可直接由计算机通过专用g d s l a b 软件控制试验进行并自动记录数据。g d s 三轴仪主要是由压力室、轴向加压设 备、围压施加系统、体积变化和孔隙压力测量系统组成。不同于一般三轴系统 的是g d s 中增加了计算机控制与分析系统。它的原理是在恒定周围压力( f l g d 主应力) o3 下，逐渐增加大主应力o1 进行剪切直至破坏。 考虑到汉中地区的大部分路基、边坡病害是在长期干湿循环的条件下形成 1 4 的，土体裂隙发育，且试验结果要能被广大的工程技术人员所接受和利用，所 以对土样进行常规固结排水剪切。试验结果见表2 1 0 ，图2 - 3 、2 - 4 。 表2 1 0 固结排水条件土样在三种围压下的抗剪强度值及其指标 漶 围压只 阮)f ( k p a )c p 4 )妒( o ) 轳 2 5 5 0 1 8 硒+ 1 2 05 06 4 0 2 2 6 8 72 2 1 0 0 9 2 9 3 2 53 8 6 2 1 0 4 + 1 6 05 04 9 6 42 1 8 41 7 1 0 0 6 7 7 3 一例7 一 图2 - 3k 4 + 1 6 0 土样在固结排水剪切条件下的强度包线 么2 2 2 “ 氛、一 图2 - 4k 5 + 1 2 0 土样在固结排水剪切条件下的强度包线 2 3 膨胀土工程分类。那町 目前，国内外膨胀土分类方法很多，所选择的指标和标准也不尽相同，不 同的研究者则提出了不同的标准，具有代表性的分类方法如下： 1 、按国家标准“膨胀土地区建筑技术规范”( g b j l l 2 - 8 7 ) 膨胀土的膨胀潜势等级：按自由膨胀率和地基变形量划分膨胀土的膨胀潜 势，从而对膨胀土进行分类，如表2 - 1 1 所示。 表2 - 1 1 膨胀土的膨胀潜势等级划分 自由膨胀率b ( )地基分级变形量& ( 栅)级别 4 0 b 6 51 5 3 5弱膨胀土 6 5 b 9 03 5 一 7 0 强膨胀土 2 、按最大胀缩性指标进行分类 主张这种分类的研究者柯尊敬认为，一个适合的胀缩性指标必须全面反映 土的粒度组成和矿物化学成分，以及宏观与微观结构特征的影响，同时能消除 土的湿度和密度状态的影响，即不随土的湿度和密度状态的变化而变化。而且 还要适应胀缩土各向异性的特点。因此，推荐用直接指标，即最大线缩率6 。、 最大体缩率6 ，、最大膨胀率6 ，等指标作为分类标准，如表2 - 1 2 所示。 表2 - 1 2 按最大胀缩性指标分类 项目弱膨胀土中膨胀土强膨胀土 极强膨胀土 ， 最大线缩率6 ，( ) 2 5 5 88 1 1 1 1 ， 最大体缩率6 ，( ) 8 1 6 1 6 2 32 3 3 0 3 0 ， 最大膨胀率6 ( ) 2 44 7 7 加 1 0 这里最大线缩率和最大体缩率是天然状态下土样膨胀后的收缩率和体缩 率，最大膨胀率是天然状态下土样在一定条件下风干后的膨胀率。 3 、按自由膨胀率和胀缩总率进行分类 根据室内试验直接测得胀缩性指标，综合国内有关专家提出划分类别界限 值归纳如表2 - 1 3 所示。 表中对于地基土按线胀缩总率6 。进行评价时，膨胀率是在5 0 k p a 荷载作用 1 6 下获得的，因此，膨胀等级划分标准不一，即强膨胀土6 。 5 ，中膨胀土 6 。= 5 2 ，弱膨胀土6 。 1 8 8 4 2 3 舳 屯一6 。4 - 丸( 一埘_ ) 式中屯线胀缩总率( ) 6 。土在5 0 枷荷载作用下膨胀总率( ) 士的天然含水量( ) 建筑场地土的最小含水量( ) ，即早季含水量的平均值 丸土的收缩系数，丸：竽 1 0 ) 4 、按塑性图判别分类 塑性图体系是由a 卡萨格兰首先提出，后来李生林教授作了深入研究，它 是以塑性指数i r 为纵轴，以液限吼为横轴的直角坐标系。运用塑性图联合使用 塑性指数和液限来对膨胀土进行分类，不仅能反映直接影响膨胀土胀缩性能物 质组成成分，而且也能在一定程度上反应控制形成胀缩性能的渗透吸附结合水 的发育程度。 s 、利用指标数学式对膨胀土进行判别分类 采用多元函数，即数学法进行主因子分析和逐步回归分析，提出综合指标 分类： z 一0 2 9 m l + o 3 2 d o , + o 3 8 嗲旷+ 0 1 2 6 工一0 3 3 w e + 1 0 9 e o 1 7 分类临界值见表2 1 4 式中：吼液限( ) q 缩限含水量( ) 6 矿- - f l 由膨胀率( ) 天然含水量( ) 屯士中小于o 0 0 2 m m 颗粒含量百分数 e o 一土天然状态孔隙比 表2 1 4 多元函数分类 l z 2 22 2 z 2 62 6 z 3 6z 3 6 l i非膨胀土膨胀土弱膨胀土中膨胀土强膨胀土 i 6 、多指标综合分类 根据粘粒含量、液限和线胀缩率，以及比表面积与离子交换量进行分类， 见表2 - 1 5 ，表中所列指标对土的膨胀性和强度特性都有重要的影响，特别是比 表面积反应土体中主要粘土矿物，比表面积增大，颗粒表面自由能增加，颗粒 与介质溶液之间作用增强，使颗粒间的水膜厚度增大，从而降低土的强度。 表2 _ 1 5 多指标综合分类 。着布 粘粒含量液限塑性指数比表面积 阳离子零荷载线 交换量胀缩总率 类型 o 0 0 5 r a m ( ) ( ) 昂。嘻 m e l o o g ( ) 弱膨胀土 3 5 4 0 1 8 4 8 2 5 3 4 0 8 7 、南非威廉姆斯分类标准 南非威廉姆斯( w i l e i a m s ) 提出联合使用塑性指数及小于o 0 0 2 m m 颗粒的成 分含量作图对膨胀土进行判别分类，见图2 - 1 所示，即分为极高、高、中等、 低等四级，该分类法在第六届非洲膨胀土会议上得到了推广。 1 8 i p ( 。 鼻= 2 0 么 a = o j 爹 两 少 ， 田 ， 一一 钐 低 小于2 “橛粒含量( ) 图2 - 1 威廉姆斯判别与分类 8 、西汉高速公路沿线膨胀土判别分类 以上介绍的分类的方法，并不完全适应公路工程，因为他们没有能够考虑 到公路工程的特点。对于公路工程来讲，应该有适合其特点的分类的标准。 为了使判别试验操作更具简洁性，选用胀缩总率、自由膨胀率和塑性指数 作为膨胀土的判别与分类指标。分类指标见表2 1 6 。 表2 - 1 6 膨胀分类标准 蠢逸遮 胀缩总率( )塑性指数( )自由膨胀率( ) 强膨胀土 1 2 2 5 中膨胀土8 1 21 8 2 55 0 8 0 弱膨胀5 7 1 73 0 5 0 根据上述分类方法，本文对西汉高速公路洋勉段k d 4 0 - - k 4 + 2 0 0 段和 k “9 5 7 k 5 + 1 2 0 段的膨胀土进行分类，试验结果见表2 - 1 7 。 表2 - 1 7 西汉高速膨胀土分类 泌 胀缩总率( )塑性指数( )自由膨胀率( )膨胀潜势 k