（水工结构工程专业论文）土袋处理膨胀土的试验研究及机理探讨.pdf

摘要 当前建设之中的南水北调中线工程途经南阳、沙河及邯郸等地带分布有膨胀 土，为了确保工程的顺利进行，首先需要解决膨胀土地基所带来的一系列问题。 本文结合南水北调中线工程采用土袋技术处理膨胀土的方法，进行了膨胀土以及 袋装膨胀土的各项特性试验，在获得各项有效数据的同时通过分析证实了该方法 对南水北调中线工程膨胀土地段工程建设的有效性。 本文首先对南水北调中线工程南阳段膨胀土进行了渗透特性、浸水变形、膨 胀力、循环胀缩特性以及强度特性试验，并就试验结果总结了南阳膨胀土的各项 基本特性规律。为了充分说明土袋处理膨胀土的优越性，对袋装膨胀土也进行了 一系列与膨胀土相对应的平行试验，并在此基础上，比较了袋装膨胀土与膨胀土 的特性差异。 通过数值计算的方法简便地说明土袋处理膨胀土的优越性，推导了袋装膨胀 土在无侧限状态下抗压强度计算公式，将试验结果与理论计算结果进行了对比， 验证了理论计算公式的正确性。 关键词：膨胀土，土工袋，破坏机理，强度，变形，干湿循环 a b s t r a c t e x p a n s i v es o i lh a sb e e nf o u n di nt h ea r e a so fn a n y a n g ，s h a h ea 1 1 dh a n d a na l o n gt h e c e n t r a lr o u t eo ft h es o u t h t o - n o n hw a t e rd i v e r s i o np r o e c t t os e c u r et h ep r o i e c t ，t h e p r o b l e m sc a u s e db ye x p a n s i v es o i ls h o u l db ed e a l tw i t hb e f o r e h a n d i nt h i sp a p e r ， v a r i o u so fc h a r a c t e “s t i c so fe x p a n s i v es o i la n db a g p a c k e de x p a n s i v es o i lw e r et e s t e d a n dt h et e s tr e s u l t s 、v e r ea n a l v z e dt oc l a r i f yt h ee f 王e c t i v e n e s so ft h i ss o i l b a gt r e a t m e n t f o rt h ee x p a n s i v es o i lp r o b l e m si nt h es o u t h t o n o n hw a t e rd i v e r s i o np r o ie c t as e r i e so fe x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tt od e t e r m i n em a i nc h a r a c t e r i s t i c so fn a n y a n g e x p a n s i v es o i l ， i n c l u d i n g i t si n f i l t r a t i o n ， s w e l l i n g ，s w e l l i n gs t r e s s ，s t r e n 舀ha n d c h a r a c t e r i s t i c sd u r i n gd r y i n 2 一w e t t i n gc y c l e s ，ac o n c l u s i o nw a ss u n l m e dt h e r e a r e r p a r a u e le x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u to ns o i l b a g sf i l l e dw i t he x p a n s i v es o i lt o d e m o n s t r a t et h ed i f f e r e n c eb e t w e e nc e r t a i nc h a f a c t e r i s t i c so fe x p a n s i v es o i la n dt h a t o fb a g p a c k e de x p a n s i v es o i la n dt h es u p e r i o r i t vo ft h el a t t e r at h e o r e t i c a lf o 肌u l ad e 丘n i n gt h es t r e s ss t a t eo ft h ee x p a n s i v es o i li nt h es o i l b a g sw a s d e d u c t e dt op r e s e n tt h ea d v a n t a g e so ft h i st r e a t i n gm e t h o d ，a n dt l l i sf o r i i l u l aw a st h e n v a l i d a t e db yc o m p a r i s o no fc a l c u l a t i o n sa n dt e s tr e s u l t s k e y w o r d s ：e x p a n s i v es o i l ；s o i l b a g ；m e c h a n i s m ；s t r e n 舀h ；d e f o m a t i o n ；d r y i n g 一、v e t t i n g c y c l e 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：o 荸年6 只lb 日 学位论文使用授权说明 河海大学，中国科学技术信息研究所，国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印，缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：o d 年毛bfob 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 膨胀土是在自然地质过程中形成的一种多裂隙并具有显著胀缩性的地质体，粘粒成 分主要由强亲水性矿物蒙脱石与伊利石组成。膨胀土广泛分布于全世界六大洲四十多个 国家，主要分布于美国、印度、南非、以色列、中国、澳大利亚和加拿大等国家。而我 国是世界上膨胀土分布最广泛的国家之一，在华北平原、长江中下游平原、云贵高原、 四川盆地、两广地区和华东地区均有膨胀土分布，范围遍及云、贵、川、鄂、豫、皖、 冀、鲁、陕等2 2 个省和自治区，大约有3 亿以上人口生活在膨胀土分布地区。 膨胀土因其特殊的矿物组成( 蒙脱石，伊利石等矿物) 和特殊的微结构特征( 发育微孔 隙和裂隙结构等) 而呈现出吸水膨胀并形成膨胀压力和失水收缩并形成收缩裂缝的特 性。在自然条件下，多呈硬塑或坚硬状态，具黄、红、灰白等色，裂隙较发育，常见光 滑面和擦痕；多出露于二级及二级以上的阶地、山前丘陵和盆地边缘，地形坡度平缓， 无明显自然陡坎；在季节性干湿气候变化条件下，常导致低层砖石结构的建筑物成群开 裂损坏【l j 。总体来说膨胀土具有三大特性：胀缩性、多裂隙性和超固结性。膨胀土的这 些特性使它成为一种“难对付的土 ( 日本) 或“问题多的土”( 美国) 。 在这种地区建设工程往往会带来一系列的问题或事故，既表现在地表建筑物上，也 反映在地下工程中。它不仅包括铁路、公路、渠道的所有边坡、路面和基床；也包括房 用某础、地坪；同时包括地下洞室及隧道围岩、衬砌；甚至还包括这些工程中所采取的 稳定性措施，如护坡等。以至从某种意义上讲，膨胀土对工程建筑的危害是无所不包的。 而且，这种破坏作用常常具有多次反复性和长期潜在危险性的特点，采用多种工程措施 后常使工种造价显著提高。这类问题不论国内或国外均时有发生【2 。5 l ，美国每年因膨 胀土造成的损失，平均在1 0 亿美元以上，我国前几年因膨胀土造成的直接损失也在亿 元级之数【6 j 【7 j 。所以，人们把膨胀土比喻为昂贵土( e x p e n s i v es o i l ) ，或是称膨胀土是“隐 藏的灾难”【引。 河海大学硕士学位论文 1 2 国内外有关膨胀土研究现状 关于膨胀土的研究，国际上在2 0 世纪5 0 7 0 年代曾形成一个热潮，因为当时在工 程中出现不少问题。而我国最早的研究是从2 0 世纪6 0 年代为解决膨胀土地区房屋开裂 和倒塌而兴起的，曾研究过膨胀土的鉴别，测试技术等，以及制定规程规范的工作。研 究的内容偏重于膨胀土的变形问题，也涉及其他问题，如膨胀土的填筑标准等。 2 0 世纪7 0 8 0 年代，铁路部门针对当时中西部地区若干条新建铁路的边坡失稳问 题，对膨胀土的基本性质、测试方法、判别标准，填土的填筑条件以及处理措施等进行 了多方面的试验研究。获得了许多有用的成果。 2 0 世纪8 0 9 0 年代初，长江水利委员会综勘局在南阳地区作过膨胀土的物理力学 特性、边坡稳定分析的方法和参数等方面的较系统的研究，这些研究除了涉及变形问题 外，主要偏重于强度参数及其变化规律的研究。 从2 0 世纪7 0 年代至今，已召开过多次国际膨胀土研究与工程会议，以及国际膨胀 土会议，后又把国际膨胀土会议改成了国际非饱和土会议。通过研究以及会议总结已经 就膨胀土的分布与成因、分类与判别、结构特征、力学特性、变形特点等方面取得了很 有价值的研究成果，下面就膨胀土的判别分类、胀缩特性以及膨胀土处理方法等研究现 状作简要概述。 1 2 1 膨胀土的分类 国内外对于膨胀土的分类做了大量的研究，基于不同的目的，提出许多分类方法， 诸如按粘粒含量、液限与自由膨胀率分类；按蒙脱石含量、比表面积与阳离子交换分类； 按总胀缩率分类；按塑性图分类；以及应用模糊数学与灰色理论来评判膨胀土的胀缩等 级等。 1 2 1 1 按自由膨胀率分类 g b j l l 2 8 7 的膨胀土地区建筑技术规范和铁路工程地质膨胀土勘测规范1 分别按自由膨胀率易将膨胀势分为三类，见表1 1 。同时，按膨胀土的胀缩特性指标， 预估地基的胀缩变形量，将地基的胀缩等级相应分三级( 表1 2 ) 。另外，根据地形、地 2 第一章绪论 貌条件将场地分两类：一是平坦场地，建筑物地基按变形控制设计；另一类是坡地场地， 建筑物地基除按变形设计外，尚应验算地基的稳定性。 表1 1 膨胀土的膨胀潜势分类 膨胀土地区建筑 提出部门铁路工程地质膨胀土勘测规范 技术规范 c e c 指标名称 6 。f ( )m ( ) 6 。f ( ) l7 m m 0 1 ( n h 4 + ) 1 0 0 9 土】 弱膨胀土4 0 三圣。f 6 07 m 1 71 7 c e c 2 6 4 0 ! 圣。f 6 5 中膨胀土6 0 三$ 。f 9 01 7 s m 2 72 6 s c e c 3 6 6 5 三圣。f 9 0 强膨胀土 6 。乏9 0 m 2 7c e c 三3 6 6 e 之9 0 表1 2 膨胀土地基的胀缩等级 地基分形变形量 级别 s c ( m m ) 1 5 皖 3 0 最大膨胀率 2 44 77 1 0 1 0 5 0 k p a 荷载 1 2 1 3 按膨胀土结构特征与力学参数分类 从渠道工程及水工建筑物的角度出发，针对南水北调中线工程膨胀土的研究深度进 行分类，给予定性与定量的评价，如表1 4 所示n l l 。 表1 4 南阳膨胀土判别指标 抗剪强度 现场 变形模量承载力 指标 结构特征膨胀力尼( k p a ) 室内直剪 类别 人剪 历( m p a )( f 。) ( k p a ) t g 咖 t g 咖r t g 咖 强 膨 灰白色粘土，网状裂隙 0 2 70 1 50 2 0 i 很发育，土体呈碎块状 1 2 01 8 3 01 5 0 2 0 0 胀 结构，水对其影响特别 十 显著。 0 3 50 2 5o 3 0 棕黄色粘土，裂隙发育， 0 3 20 2 5o 3 0 中 i i 。 充填有薄层连续灰白色 4 0 1 2 03 0 4 02 0 0 3 0 0 粘土，呈层状结构，水 膨 对其影响显著。 o 4 2 o 3 00 3 5 胀 棕黄色或红色粘土夹礓 o 3 80 3 00 3 2 土 石，裂隙较发育，部分 4 0 7 04 0 6 02 8 0 4 0 0 i i ： 为灰白色粘土充填，呈 厚层状或块状结构。 o 4 50 3 2o 5 2 弱 0 3 30 3 20 3 2 膨灰褐色或褐黄色粘土， i 裂隙不发育，随机分布， 5 04 0 5 02 2 0 3 3 0 胀 呈块状结构 o 4 60 3 5o 4 4 土 4 第一章绪论 1 2 2 膨胀土的胀缩特性 膨胀土胀缩特性指标主要有自由膨胀率、线膨胀率、膨胀力、线缩率、体缩率、缩 限等。这些指标的大小主要取决于组成膨胀土的粘土矿物成分、物理化学特性和结构特 征，以及起始湿度与密度。同类膨胀土的起始湿度小、密度大，则膨胀率与膨胀力就大。 1 2 2 1 膨胀土的胀缩率特性 膨胀土在吸水过程中体积会膨胀，而在失水过程中体积又会不断减小口2 i 。土的胀缩 特性对地基以及其上的建筑稳定性都将产生一定的影响。膨胀土的胀缩特性与很多因素 有关，例如含水量、竖向压力f 1 3 。17 1 。 缪林昌、仲晓晨、殷宗泽通过试验发现膨胀土的膨胀变形率与初始含水量、垂向压 力成反比，与干密度成正比，垂向压力对土样的膨胀变形具有明显的抑制作用n 引。并在 试验数据的基础上建立了膨胀变形与土样初始含水量、干密度和垂向压力的定量关系， 希望在实际工程中可以依据这些定量关系检测膨胀土体的含水量的变化，以预测膨胀土 体可能产生的变形或对工程可能产生的危害。 苏龙、白一琴通过宁夏膨胀土的膨胀率试验，对膨胀量与含水量、压力的相关性进 行了分析n 钊。发现膨胀土的膨胀量与含水量线性相关；而与压力作用负指数相关。并通 过相关回归分析结果证明是可行的。 李献民、王永和、杨果林等以湖南邵阳膨胀土为例，对三种击实膨胀土工程变形特 性进行了试验研究瞳川，试验结果表明：含水率与干密度是影响膨胀量大小的主要外部因 素；膨胀率曲线的变化规律为指数关系。三种膨胀土样所反映出同种膨胀土的胀缩特性 取决于其含水率和干密度，膨胀土的湿度愈小、干密度愈大，则其膨胀量越大。并给出 了膨胀量的回归方程，为预测和估算膨胀土地基的膨胀潜势和差异隆起与沉降提供了依 据。 李振、邢义川、李鹏等在压缩仪上对不同干密度及不同起始含水率的膨胀土进行 分级浸水增湿和一次性浸水饱和膨胀变形试验瞳妇瞳引，测试了试样在浸水前后不同压力下 膨胀变形量的变化过程。发现干密度与膨胀速率之间存在一定的关系：膨胀土在分级浸 河海大学硕士学位论文 水的初期阶段，干密度越小的试样，其膨胀率增加较快，而干密度较大的试样膨胀率增 加较慢；当浸水快到饱和状态时，干密度较大试样的膨胀率迅速增加达到最大值并趋于 稳定；不同浸水路径在浸水的初期阶段对膨胀土的膨胀变形速率有一定的影响，但膨胀 率最终值基本一致；可见膨胀土的浸水方式对膨胀土最终的膨胀率值没有影响。压力对 不同初始含水率试样膨胀率的影响较小，对不同初始干密度试样的影响较大；压力对膨 胀土的膨胀变形的影响主要在压强从o 开始增大的初期阶段，抑制作用最显著。不同浸 水路径和不同加荷方式下，压力均对膨胀土膨胀变形的抑制作用有很大的影响：先加压 后浸水试验即使低压力强度对膨胀变形量的抑制作用也较强。浸水膨胀再压缩试验中压 缩稳定后的膨胀率比先压缩再浸水膨胀试验膨胀稳定后的膨胀率要小，但变化较快，并 随着压力的增大，加压后膨胀率逐渐减小，最终两种试验的膨胀率趋于一致。同时得到 了对于膨胀土膨胀率的线性估算公式。 孟庆云、杨果林通过南( 宁) 友( 谊关) 膨胀土大量室内试验乜3 1 发现膨胀土的初始含水 量、干密度与膨胀变形量存在着一维线性关系，随初始含水量减小和干密度的增大，膨胀 变形量呈增大的趋势，反之，随初始含水量增大和干密度的减小，膨胀变形量呈减小的趋 势。膨胀土膨胀曲线和收缩曲线都有明显并且相似的规律性，都分为三个阶段：直线剧 烈等速膨胀( 收缩) 阶段、外凸弧线减速膨胀( 收缩) 阶段、直线缓慢膨胀( 收缩) 阶段。 根据这些研究结果可总结膨胀土膨胀率具有以下特性：膨胀土膨胀率与初始含水 率、制样干密度以及垂直向压力之间存在着紧密的关系。同种膨胀土的胀缩特性取决定 于其含水量和干密度，膨胀土的湿度愈小，干密度愈大，则其膨胀量越大，并且随着垂 直向压力的增加，膨胀土膨胀率将会减小。这样的定性关系在很多研究中都得到了论证， 甚至有些得出了定量的关系，为预测和估计膨胀土地基的膨胀潜势和差异隆起与沉降提 供了依据。 1 2 2 2 膨胀土的膨胀力特性 膨胀土在吸水膨胀的过程中若其膨胀趋势受到限制，将相应的体现出膨胀力。研究 膨胀力对深入了解膨胀土的变形和强度特性很有意义。许多专家学者已经就膨胀力问题 进行了很多有价值的试验和理论研究。 缪林昌、仲晓晨、殷宗泽等用常体积法进行了膨胀土的膨胀力的变化规律的研究n 8 | ， 建立了膨胀力与土样初始含水量、干密度之间的非线性的定量关系，并得到以下结论： 6 第一章绪论 膨胀土的膨胀力与初始含水量成反比，而与干密度成正比。 李献民、王永和、杨果林等以湖南邵阳膨胀土为例，对三种击实膨胀土工程变形特 性进行了试验研究啪1 ，试验结果表明：含水率与干密度是影响膨胀力大小的主要外部因 素；膨胀力曲线的变化规律为指数关系；同种膨胀土的胀缩特性取决于其含水率和干密 度，膨胀土的湿度愈小，干密度愈大，则其膨胀力越大。 孟庆云、杨果林认为乜3 1 膨胀土的初始含水量、干密度与膨胀力存在着一维线性关系， 初始含水量减小和干密度的增大，膨胀力呈增大的趋势，反之，初始含水量增大和干密度 的减小，膨胀力呈减小的趋势。 谢云、陈j 下汉，李刚等经试验证明比钔同一初始含水量的土样，干密度越大膨胀力越 大。当干密度一定时，随初始含水量增大膨胀力会减小。并且竖向膨胀力总是大于水平 膨胀力，两者之间的比值随着土的含水量和干密度不同而变化。相同含水量时，水平膨 胀力与竖向膨胀力的比值随干密度的增大而增大。 丁振洲、郑颖人、李利晟发现乜5 1 不同含水率制备的相同干密度土样，膨胀力随初始 含水率的增大而减小。当起始含水率变化范围较小时，仇。与具有线性负相关关系， 起始干密度越低的线性越好：当起始含水率接近饱和含水率时，n 。值逐渐下降接近于 零，为非线性负相关关系。该规律除受起始含水率影响外，还与高含水率状态的土颗粒产 生更剧烈地破碎、滑移、重组等不可逆变形有关。 现有研究可总结为：膨胀力的大小与膨胀土的初始含水量与干密度有很大的关系， 随着膨胀土含水量的降低与干密度的增加，其膨胀力将增大。 1 2 2 3 膨胀土的反复胀缩特性 膨胀土具有吸水膨胀失水收缩的特性，但这种循环特性并不是一个可逆的过程，在 反复胀缩循环的过程中，膨胀土的相对、绝对膨胀率以及其强度都会随之发生变化。针 对膨胀土的这一特性，很多学者做了大量的试验【2 6 。3 2 】。 孟庆云、杨果林通过膨胀曲线和收缩曲线的对比分析口羽，发现了膨胀与收缩并非可 逆过程，膨胀变形量要远大于收缩变形量：膨胀土吸水剧烈膨胀，膨胀变形的初始速度要 远大于收缩变形的初始速度：膨胀变形达到稳定的时间比收缩变形达到稳定的时间短得 多。 7 河海大学硕士学位论文 杨和平、张锐、郑健龙为获取符合工程实际的设计参数，对宁明原状膨胀土进行了 有荷载条件模拟干湿循环过程的试验研究瞳8 。，得到其胀缩变形和强度的变化规律。结果 表明膨胀土的胀缩变形过程并不完全可逆。在一定荷载变化范围内，经历相同的干湿循 环次数，荷载越大膨胀土的绝对和相对胀缩率越小；土的抗剪强度随上覆压力的增大而 增大，且在同一级荷载下随着干湿循环次数的增多而衰减，但随着荷载增大其衰减率变 小。荷载对干湿循环过程中膨胀土的胀缩幅度及强度衰减具有明显抑制作用。 有荷条件下，膨胀土的干缩湿胀变形并不完全可逆。随干湿循环次数的增多，试样 的相对胀缩率和绝对胀缩率都在逐渐减小；在第1 、2 次循环过程中其变形的变化幅度 最大，之后基本趋于稳定；强度随干湿循环次数的增大而衰减，同样第1 、2 次中衰减 最大，其后也渐趋稳定。 外荷载的作用将导致非饱和膨胀土的结构变化，从而极大影响其在干湿循环作用下 的强度及变形特性。同一干湿循环条件且处于膨胀土正常工作荷载的变化范围内，土样 受到的竖向作用力越大，其相对和绝对胀缩率越小，荷载对膨胀土的干缩湿胀变形有明 显的抑制作用。 膨胀土在同一干湿循环条件且处于正常工作荷载的变化范围内，所受竖向荷载越 大，其强度衰减越小，荷载对膨胀土的干湿循环强度衰减也有明显的抑制作用。 杨和平、肖夺阽门认为膨胀土除具有一般非饱和土的共性外，还受季节性气候的影响， 其抗剪强度具有明显的变动特性。为此，通过模拟土体季节性的干缩湿胀，采用常规直 剪试验方法，测试了宁明膨胀土击实土样经干缩湿胀饱水后的抗剪强度。 采用室内干湿循环模拟试验可获得膨胀土抗剪强度的变动规律。总的来说，气候因 素对膨胀土体强度的影响比较明显，特别是宁明膨胀土经一个干湿循环后，土体强度( 无 论是c 值或妒值) 衰减最大，在进行路基设计和边坡稳定性分析时，必须考虑季节性干湿 循环效应对土体强度的影响。 根据研究可发现：膨胀土的胀缩过程并不是一个可逆的过程，随着膨胀土的反复胀 缩过程，其吸水膨胀失水收缩的特性将会降低，并且在开始的两个循环中体现的尤为明 显。同时，在循环过程中，土样的强度也随着裂隙的产生而不断衰减，这种衰减尤其体 现在最初的两个胀缩循环；但是对土样上加一定的荷载将有利于缓解这种强度的衰减， 8 第一章绪论 荷载的变化范围内，所受竖向荷载越大，其强度衰减越小，荷载对膨胀土的干湿循环强 度衰减也有明显的抑制作用。 1 2 3 膨胀土的抗剪强度特性 不同初始含水量对膨胀土强度有很大的影响，随着初始含水量的增加，其强度明显 下降。并且随着初始含水量的变化，粘聚力的变化比其摩擦角的变化大。膨胀土的强度 特性主要归因于其非饱和土的性质，近年来在强度随含水率变化机理、吸力等方面的研 究有很多，这些理论性的试验研究对增长我们对非饱和膨胀土本质的认识很有帮助，但 现有的研究成果并不能满足工程实际中的应用。另一研究方向则针对膨胀土的总应力强 度随含水率的变化规律，着眼于实际应用这一方向更为可行口4 。3 引。 卢肇钧、吴肖茗、孙玉珍等铂提出了非饱和土抗剪强度是由以下三个部分组成： 真凝聚力c ：外力产生的摩擦强度( 盯一“。) 辔矽：吸力所产生的内摩擦强度( 吸附强 度) r 。并对三种理论公式及吸附强度计算式进行了总结对比，指出b i s h o p 和f r e d l u n d 公式因其吸力及参数均复杂难以测定，至今尚未能在工程实际中广泛应用，而本文公式 因膨胀力p 。和参数m 测定技术简便易行，可为非饱和土抗剪强度的研究工作提供一条新 的探索与发展途径。 龚壁卫口7 1 根据实际工程情况，运用非饱和土的固结快剪，对不同起始密度、含水量的 击实膨胀土进行了抗剪强度试验研究，探讨了非饱和膨胀土在总应力状态下的抗剪强度 特性。认为总应力强度随干密度的增大和含水量的减小而变大：内摩擦角随含水量的变 化较小，而凝聚力变化较大。并得出了以下结论：( 1 ) 非饱和击实膨胀土的总应力强度随 土体的起始含水量、饱和度的增大而减小，随土体的起始干密度增大而增大。( 2 ) 非饱和 击实膨胀土的起始含水量与内摩擦角呈幂函数关系，其相关公式具有巾= 1 2 5 6 7 吨6 “3 2 的形式。起始含水量与凝聚力c 亦呈曲线相关，且该曲线在土样的塑限含水量附近有急 剧变化。分析认为，击实膨胀土的含水量在低于塑限时，具有较高的凝聚力：而超过最优 含水量以后，凝聚力将急剧减小，并接近饱和状态的凝聚力。此外，试样饱和度与起始含 水量也存在类似关系。( 3 ) 非饱和击实膨胀土的总应力强度比相应的饱和土的强度要大， 其中非饱和土的凝聚力比饱和土高出1 0 2 0 倍，内摩擦角则相差无几，说明很小的土中 吸力都将引起较大的凝聚力。从另一个角度讲，土中吸力对总应力强度的贡献可以近似 9 河海大学硕士学位论文 的考虑成一个常数。 缪林昌、仲晓晨、殷宗泽3 认为膨胀土的强度与含水量密切相关。针对这问题进行 了相应的试验研究。结果表明，膨胀土的含水量对其峰值强度、稳态强度都有着强烈影 响，这对工程设计和工程安全检测非常重要。从其研究中可以得到以下有意义的结论：( 1 ) 膨胀土的强度与含水量密切相关，随含水量增加，强度明显降低，粘聚力下降比内摩擦角 下降更明显。( 2 ) 浸水后的膨胀土具有一个稳态强度，其稳态强度值对不同地区及不同含 水量的膨胀土亦不尽相同。这种稳态强度对研究有关的工程安全稳定非常有用。因此， 对于膨胀土的边坡或有关工程，应切实采取必要的防水保湿措施。本文的研究结果反映 了膨胀土强度变化的一个重要侧面，有关膨胀土强度的全面研究还有待深入。 杨庆、张慧珍、栾茂田d 鲫的研究表明膨胀土是一种特殊的非饱和土，经典的土力学 理论在膨胀土问题中已显得无能为力。因此，用非饱和土力学理论来研究膨胀土问题在 理论和实际两方面都具有重大意义。在非饱和土抗剪强度理论中，吸力的量测在工程实 际中仍没有一种简单易行的方法。基于这种实际情况，试图通过其他问接的途径来代替 吸力的量测，以确定非饱和土的吸附强度。对于膨胀土这种典型的非饱和土，膨胀力是 其很重要的性质之一，它的大小受含水量的影响很大；另一方面，膨胀土的抗剪强度也 随含水量的变化而不断地变化。进行了大量的膨胀力试验和抗剪强度试验，以确定膨胀 土的膨胀力与吸附强度是否有一定的关系。通过对黑山土和梅山土的重塑试样试验得到 的试验数据分析发现：膨胀力和含水量之间存在良好的指数关系；粘聚力的对数和内摩 擦角均随含水量的增大线性减小；非饱和膨胀土的吸附强度与膨胀力之间存在较好的线 性关系，并在此基础上优化了非饱和膨胀土抗剪强度公式。通过黑山膨胀土和梅山膨胀 土的慢剪试验，并对试验结果进行了分析，得到以下几点结论：( 1 ) 非饱和膨胀土土样 的剪切应力与剪切位移关系曲线是剪切“软化”型的；而饱和膨胀土( 浸水后) 土样的剪 切应力与剪切位移关系曲线则趋于剪切“硬化”型。( 2 ) 非饱和膨胀土抗剪强度指标即 粘聚力和内摩擦角受含水量的影响较大，均随含水量的增大而减小，并且粘聚力的对数 随含水量的增大呈线性减小，内摩擦角与含水量则具有较好的线性关系。( 3 ) 初始含水 量对膨胀力的影响很大，初始含水量越大膨胀力越小，并且经回归分析可知两者之间存 在良好的指数关系。( 4 ) 通过对膨胀力和抗剪强度试验数据的归纳分析，发现非饱和膨 胀土的吸附强度与膨胀力之间存在较好的线性关系，并据此提出了相应的非饱和膨胀土 的抗剪强度公式。 1 0 第一章绪论 1 2 4 膨胀土胀缩机理研究 目前对膨胀土胀缩机理的研究有多种理论，主要分为三大类m 3 ： ( 1 ) 膨胀土的膨胀取决于组成膨胀土的矿物成分及其结构，以及颗粒表面交换阳离 子成分。不同的矿物成分具有不同的晶格构造型式，这些型式决定着与极性水分子相结 合的难易程度：交换阳离子成分则决定了离子水化作用的强弱以及交换容量的大小，直 接影响着膨胀上的胀缩性。 ( 2 ) 膨胀土膨胀的物理化学理论。这种理论认为膨胀土膨胀的主要原因是在膨胀土 一水体系中膨胀土颗粒表面产生了复杂的物理化学作用，膨胀土的膨胀性质取决于膨胀 土矿物表面结合水水层与扩散双电层的厚度。其中代表性的理论有：双电层理论、渗透 理论。 ( 3 ) 膨胀土膨胀的物理力学理论。该理论认为膨胀土的膨胀是在一定的外力作用下 由膨胀土与水相互作用产生的物理力学效应引起的。如有效应力理论、毛细管理论、弹 性理论、表面张力理论、热渗理论等就持这种观点。 在这些理论中运用最为广泛的是晶格扩张理论和双电层理论。 晶格扩张理论认为：土体的膨胀是由于膨胀土中存在着膨胀的晶格构造，晶格之间 是以范德华力相互连接，水分子容易进入晶胞问形成水膜夹层，从而引起晶胞距离增大， 导致土体体积膨胀。但晶格扩张理论仅仅局限于晶层问吸附结合水膜的楔入作用( 蒙脱 石类具有膨胀晶格构造) ，而没有考虑粘土颗粒间及聚集体间吸附结合水的作用。事实 上粘土膨胀不仅发生在晶格构造内部晶层之间，而且也发生在颗粒和颗粒之间以及聚集 体和聚集体之间。 双电层理论认为：粘粒表面带有一定量的负电荷，由于静电引力的作用，在水溶液 中会吸引水中的阳离子到土粒表面上来，带有负电荷的粘土矿物颗粒吸附水化阳离子合 起来称为双电层。双电层内的离子对水分子具有吸附能力，被吸附的水分子在电场力作 用下定向排列，在粘土矿物颗粒的周围形成表面结合水( 水化膜) 。由于结合膜增厚“楔 开”土颗粒，从而使固体颗粒之问的距离增大，导致土体膨胀。双电层理论是基于粘土 颗粒表面双电层中的结合水膜厚度变化来解释粘土胀缩现象的。 对土体胀缩机理研究有利于为膨胀土处理提供理论依据。 河海大学硕士学位论文 1 2 5 膨胀土处理方法 对于膨胀土地基的处理方法，目前已采用的就有很多种，都各有其特色h 1 q 羽。 1 换土 换土就是将膨胀土部分挖除，用非膨胀土或粗粒土包盖。渠道换土的厚度考虑因降 雨而引起土体含水量急剧变化带的深度，一般可采用1 0 2 o m ，即强膨胀土换土厚度 可用2 o m ，中膨胀土用1 o 1 5 m 。换土护坡效果与施工时土的含水量和干重度，土料 土块尺寸，铺土厚度与碾压的质量等因素密切相关。如换土质量符合各项技术指标要求， 并采取一些辅助措施，对渠坡稳定确实有效。河南南阳刁南灌渠北于1 # 跃水闸下游渠段 换土厚度1 5 m ，断面坡度1 ：2 0 ，运行近2 0 年，渠坡未发现破坏迹象。宁夏盐环定杨 黄工程龚儿庄泵站地基膨胀土采用换土处理方法，换成3 ：7 灰土，厚2 5 m 。 换土处理膨胀土地基的方法是最保守、安全的一种处理方法，但这种方法的采用不 仅从经济的角度来说比较昂贵，而且对于所换土料的来源以及挖取膨胀土的存放都是比 较麻烦的。 2 湿度控制 湿度控制法包括预湿和保持含水量稳定。为了控制膨胀土含水量的变化，保持渠坡 或地基土的含水量少受蒸发及防止运行期渠水的渗入而采取的一些必要措施。如施工过 程中预留保护层，衬砌前浸泡膨胀土控制临界湿度等，有时采用塑料膜或沥青盖在膨胀 土的坡面上。 ( 1 ) 预湿法：美国加州中部流域工程圣路易斯工区排水渠，施工时将烹炸概念图浸 润3 0 天或定期洒水使其保持某一临界湿度。临界湿度控制的极限方法与膨胀土液限有 关。当液限为4 0 左右时，含水量控制在2 3 左右；液限1 0 0 ，控制湿度在3 7 左右。 因此，不同性质不同类型的膨胀土，其临界湿度不同。渠道施工时，修正边坡后在3 6 小时内设置混凝土衬砌。这样，当膨胀土浸湿时不会产生大的膨胀力致使混凝土衬砌破 坏。 ( 2 ) 保持含水量稳定 河北岳城水库溢洪道地基是中膨胀性粘土，为防止粘土层在施工期表面干裂或雨水 1 2 第一章绪论 渗入，以及减少对土层的扰动，基坑挖到设计高程以上0 5 m ，作为预留保护层，在浇筑 混凝土前清除。同时为了防止水分浸入裂缝，在开挖及运行期保持建筑物稳定，因此， 在消能段布置了3 7 个减压井，井距2 5 m ，以降低承压水头。此外，为保证建筑物不致因 毖胀变形而产生裂缝，还采取如下处理措施： 混凝土底板按单层配筋，配筋含钢率约1 ，在纵向接缝中，作成焊接横向接 缝中，上下底板互相搭接以防止因地基变形而引起底板凸出现象。 加强基础排水和止水，防止粘土层吸水膨胀变形。溢洪道底板每块尺寸一般为 1 5 m 1 5 m ，各底板之间接缝设橡皮止水，其缝隙填以沥青麻绳及沥青砂，并以二期混凝 土封u ，以防止沥青砂干裂。此外并在底板接缝下设置网状排水沟，这样便可防止水进 入到粘土层内，又可以减少底板下的扬压力。 岳城水库溢洪道是建筑在地质条件复杂的膨胀土地基上的大型建筑物，自1 9 6 8 年 建成后，1 9 7 2 年曾经开闸过水5 0 0 余秒立米。通过2 0 多年的运用，除镇墩及边墙局部 有温度裂缝外，尚未发现建筑物底板有裂缝或表面凸凹不平现象，说明上述措施是有效 的。 这种方法处理膨胀土地基，从理论上来说是可行的，但是在实际使用中不容易精确 做到，存在风险性。 3 通过化学试剂改良膨胀土特性 多年来曾试用化学添加剂诸如石灰和水泥等材料进行膨胀土的化学固化，取得不同 程度的成效。石灰固化作用是由于盐基交换、胶结型、粘土颗粒与石灰的相互作用而显 现出来。掺石灰的主要作用是使膨胀土的液限与膨胀量降低，增大强度。水泥固化作用 是由于钙酸盐和铝的水化物和颗粒相互间的胶结作用，胶结物逐渐脱水和新生矿物的结 晶作用，从而降低了液限和体变，增大了缩限和抗剪强度。因此，国内外的膨胀土渠道 工程，特别是在强膨胀土或裂隙多的中膨胀土的高边坡渠段，广泛采用灰土或水泥土作 衬砌材料，同时坡脚设置支挡结构，然而采用这种处理方案的成败在于所掺石灰或所掺 水泥的技术指标和施工工艺。 倪宏革、周红h 认为膨胀土的反复胀缩变形及强度衰减特性，对路堑边坡具有长期 潜在的破坏作用，而刚性防护措施难以解决此类问题。通过配制一种新型的液体改良剂， 1 3 河海大学硕士学位论文 对膨胀土边坡进行化学喷洒渗透改良，使之形成结硬的表面封闭层，使边坡长期处于稳 定状态，成功实现了膨胀土路堑边坡的柔性防护。 4 土工织物 土工织物在国内外水利工程上作为护坡、防渗、反滤、防洪抢险与地基加固等方面 作用很广泛。诸如黑龙江引嫩工程、引黄济青输水工程等都使用了土工膜作防渗和反滤 取得了良好的效果。 刘祖德教授等在湖北襄樊引丹五干渠采用土工织物处理滑坡，即先挖除膨胀土滑坡 体，然后用土工织物分层铺盖填筑压实，并根据岩土工程性质与土工织物的物理力学参 数确定土工织物铺设长度与问距。该工程采用此法处理滑坡效果良好。 土工织物作为一种新型的建筑材料，虽然反映出较好的工程效果及一定的经济效 果，但是经过很长的时间，渠堤的整体强度将有多大的改善和提高，渠坡是否会继续沉 陷，还有待进一步的观察与测定。 1 3 1 工程概述 1 3 本文研究背景及主要内容 拟建的南水北调中线工程输水总干渠在南阳、沙河及邯郸等地带分布有膨胀土，累 计长度为3 4 6 8 5 k m ，约占总干渠总长( 1 2 6 6 4 9 5 k m ) 的2 7 。其中南阳地区约1 0 0 k m ，以中、 弱膨胀性土为主，其自由膨胀率约为6 0 8 0 ，强膨胀土较少( 2 5 k m ) ：沙河南地区约 6 6 k m ，沙河北地区约5 6 k m ，均以弱膨胀土为主；邯郸地区约4 0 k m ，以中、强膨胀土为主 ( 占近7 0 ) h 引。总干渠穿越膨胀土的渠段长度大，环境条件复杂，制约因素多，将会给 工程建设带来不少的麻烦。膨胀土及其工程问题是南水北调中线工程的关键问题之一， 也是当今岩土工程界的世界级技术难题之一。事实上，早在2 0 世纪7 0 年代初，在南阳 陶岔引水渠的开挖施工中，就曾在膨胀土层中发生过1 3 处大滑坡。后经大量研究，主 要采用支挡加固的方法，才稳定了边坡，但这样不仅耗费了大量资金，也影响了完建的 工期。类似的情况一旦出现，将会严重影响工程的建设和输水的安全性。因此，充分了 解膨胀土特性并寻求一种经济、可行的解决方案以确保工程建设顺利进行与运作正是本 文的致力方向。 1 4 第一章绪论 1 3 2 论文的主要研究内容 本文针对南水北调中线工程南阳段膨胀土，在明确南阳膨胀土的一些基本特性的前 提下，进行了膨胀土的渗透特性、膨胀量特性、膨胀力特性、以及胀缩循环特性等一系 列室内试验，同时考虑用土工袋对膨胀土进行处理，并进行了与膨胀土相同条件下袋装 膨胀土( 以下简称“土袋”) 的特性试验。尽管部分膨胀土特性试验与其他研究人员所做 试验相类似，但本文希望在试验的基础上对一些未定关系或结论做出定论，并且将膨胀 土特性试验结果与土袋特性试验结果进行比较，以此来判定土工袋处理膨胀土的效果。 另外，通过结构与力学关系探讨土工袋处理膨胀土的机理，在此基础上推导经过土 工袋处理后土袋垂直压力的计算公式，并结合袋装膨胀土的浸水变形与强度试验结果验 证其正确性。 河海大学硕士学位论文 第二章膨胀土特性试验 2 1 膨胀土基本特性 膨胀土样取自河南南阳石膏坑，呈灰白色。为了验证取回的土样膨胀性的强弱，我 们采用规范规定的方法做了自由膨胀率的试验。试验的详细结果见表2 1 ，灰白色土样 的自由膨胀率平均值为1 1 9 5 ，根据有关膨胀土分类标准( 表1 1 ) ，取回的灰白色土样 属于强膨胀土5 2 1 。 表2 1自由膨胀率试验记录 量筒不同时间( h ) 体积读数( m 1 )自由膨胀率 试样编号 干土质量( g ) 编号2466 。，( ) 1 0 3 12 1 8 2 1 9 2 1 91 1 9 灰白色十样 1 0 322 2 22 2 02 2 01 2 0 l o o 釜 v 豢8 0 惫7 0 纽 嘲6 0 囊5 0 赵4 0 热 鏊2 0 n _ 臀l o o 、_l 、k - 、 、 、 、 一 、 | 、 ， l o 1 o o l o l 戡径 图2 1 室内试验用强膨胀土颗分曲线 图2 1 为膨胀土的颗分试验结果。膨胀土的颗粒组成以粒径小于o 1 m m 的细粒为主， 1 6 第二章膨胀土特性试验 其中粘粒( 0 0 0 5 咖) 含量高达2 5 。根据南水北调中线工程膨胀土渠坡段工程地质评 价【4 3 】，南阳地区强膨胀土以蒙脱石为主，占3 0 。5 5 ，伊利石和高岭石相对较少， 分别为5 1 3 和5 一8 。 图2 2 为用液、塑限联合测定仪测得的膨胀土含水量与圆锥下沉深度关系曲线。根 据图2 2 得到的膨胀土的塑、液限及塑性指数列于表2 2 中。 也g 塍 州 糕 回 1 0 7 5 3 2 。 一 i 上 i r | 1 1 02 03 04 06 01 0 0 含水率( ) 图2 2 液、塑限联合测定仪测得的膨胀土含水量与圆锥下沉深度关系曲线 表2 2 本项目室内试验所用的膨胀土物理性质试验结果 液 限w ( ) 土样塑 限w p ( ) 塑性指数易( ) ( 圆锥下沉深度1 0 舢 1 1 ) 强膨胀土6 0 23 0 23 0 o 对膨胀土样，进行了击实试验，试验结果见表2 3 及图2 3 。试验确定的膨胀土样的 最优含水率为2 4 。 1 7 河海大学硕士学位论文 表2 3 膨胀士击实试验结果 含水率( ) 1 8 6 32 0 9 72 2 5 32 3 52 5 4 52 8 1 72 9 5 9 击实干密度( g c m 3 ) 1 3 8 8 1 4 1 5 1 4 91 5 4 51 5 3 41 5 0 l1 4 7 2 石、 吕 3 蜊 襁 * 1 6 2 0 2 4 图2 3 膨胀土击实试验结果 2 2 膨胀土渗透特性试验 2 83 2 含水率( ) 土的渗透性，即土中自由水流动的难易程度，是土的重要性质之一。因而按土工 试验方法标准g b t5 0 1 2 3 1 9 9 9 l 对膨胀土进行了渗透特性试验，并控制试样干密 度，其值取为2 种：一种为与袋装膨胀土组合体综合干密度相同的干密度( 1 1 7 k n m 3 ) ； 一种为与土袋单体干密度相同的干密度( 1 2 7 k n m 3 ) ，试验结果见表2 4 畸2 j 。从表中可见 当膨胀土干密度增加，土颗粒之间空隙减小，其渗透系数k 必然随之减小。 表2 4 膨胀士渗透系数 渗透系数k ( c m s ) 土样 干密度( k n f ) 第1 砍第2 砍第3 次平均值 1 1 7 ( 同袋装土组合俸) 3 7 7 木1 0 3 4 7 术1 0 。 3 6 2 丰1 0 。 强膨胀土 1 2 7 ( 同土袋单傩) 1 6 0 木1 0 。1 2 4 丰1 0 - l1 1 1 半1 0 l ，3 2 + 1 0 6 1 8 甾 钙 柏 第二章膨胀土特性试验 2 3 膨胀土膨胀变形特性试验 试验装置如图2 4 所示，试样直径为6 1 8 c m 、高度为2 c m ，水从底部的透水石从下 往上渗入试样中。与膨胀力试验不同的是，膨胀变形试验是在一定的垂直压力下，测定 膨胀土浸水后所产生的变形量。垂直压力根据杆杠原理用砝码施加。试验的稳定标准为 2 h 内变形不超过o 0 1 1 1 1 i i l 。 膨胀土浸水变形量不仅与其初始干密度及初始含水量有关，还与其上覆压力大小有 关。目前进行了初始干密度为1 6 c m 3 ，上覆压力为o k p a 、1 5 l ( p a 、4 0 l ( p a 、1 0 0 k p a 的 浸水变形试验。对于每级压力，膨胀土分别设定二种初始含水量2 0 、2 4 【5 2 1 。 利羯括枉原理施加衙载 盛水容器 下分袭矿i i 保持上载荷载不变，测定膨胀j ：浸水变形爨 钢环 透水祈 图2 4 击实膨胀十浸水膨胀变形量试验装置图 膨胀土在某一压力作用下变形稳定后，由于含水率的增加而产生的附加变形称之为 增湿变形，当这种附加变形超过特定压力下的压缩变形时，