（道路与铁道工程专业论文）膨胀土路堤桩板墙土工离心模型试验研究.pdf

西南交通大学硕士学位论文第1 页 摘要 膨胀土是一种富含亲水性矿物并具有特定结构和特殊工程性质的粘 土，多以非饱和的状态存在，遇水则膨胀变形，失水则收缩干裂，具有较 大的往复胀缩性。我国工程界曾将膨胀土看作“坏土，具有“逢堑必崩、 无堤不塌 之说。因此，膨胀土的工程问题已成为一个世界性的研究课题。 昆明至河口铁路是我国西南地区重要的出海通道之一，是规划中泛亚 铁路重要组成部分。昆河线玉溪至蒙自段铁路建设过程中，线路频繁穿越 膨胀岩土地区；因此，膨胀岩土路基是该工程中最常见的路基病害之一。 膨胀土是目前我国工程建设中常见的特殊岩土病害之一。 本文结合昆河线玉蒙段在建铁路工程，简要介绍了膨胀土的研究现状 和工程性质以及各种评判参数，对云南蒙自地区玉溪至蒙自铁路段内及成 都龙潭寺的膨胀土进行了室内土工实验和三轴剪切试验进行对比，取得两 种膨胀土的物理和力学指标。 以玉蒙线d k 9 9 + 6 4 8 d k 9 9 + 7 0 0 段工点为原型，运用相似原理设计和制 作了土工离心试验模型。土工离心试验就路堤加筋、路堤不加筋两种工况， 以及最优含水量及富水两种含水条件进行模拟测试。试验中测试抗滑桩及 挡土板变形及受力状况、路基变形情况等。通过模拟试验结果分析，得出 膨胀土地区桩板墙及加筋路堤工程性能，评价膨胀土路基加筋及膨胀土路 堤桩板墙结构的处治效果。为玉蒙铁路膨胀土地段路基设计、施工提供科 学依据，并为后期云南玉溪蒙自膨胀土地区处治膨胀土危害提供参考。 关键词：膨胀土离心模型试验桩板墙加筋土路堤 西南交通大学硕士学位论文第1 i 页 a b s t r a c t e x p a n s i v es o i li sas p e c i a lc l a yw h i c hc o n t a i n st h em i n e r a lt h a tg e t sc l o s e t ow a t e ra n dh a sp a r t i c u l a rs t r u c t u r ea n dp a r t i c u l a rc h a r a c t e ro fe n g i n e e r i n g ，i t m o s t l ye x i s t sb yn o t - s a t u r a t e d ，s w e l l e dw i t hw a t e ra n ds h r a n kw i t h o u tw a t e r ， t h i sc h a r a c t e rc a nb ec h a n g e de x t e n s i v e l y e x p a n s i v es o i lh a db e e nl o o k e da s “b a ds o i l ”i no u rc o u n t r y 。t h e r e f o r e ，t h ep r o b l e mo fe x p a n s i v es o i lh a sb e e na c o s m o p o l i t a nr e s e a r c hs u b j e c t k u n m i n g - h e k o ur a i l w a yi so n eo ft h ei m p o r t a n tr o u t e w a yt ot h es e ao f s o u t h w e s ta r e ao fo u rc o u n t r y ，i tt h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ep a n a s i a r a i l w a yi np r o g r a m m i n g i nt h ec o n s t r u c t i o no fk u n m i n g - h e k o ur a i l w a yi n m e n g z ir e g i o n ，t h er o u t ep a s st h r o u g ht h ee x p a n s i v er o c k & s o i lh i g hf r e q u e n c y ； s oe x p a n s i v es o i lr o a d b e di st h ef r e q u e n t l yd i s e a s eo ft h ep r o j e c tc o n s t r u c t i o n e x p a n s i v e s o i li sc o m m o ni nt h ec o n s t r u c t i o no fo n eo ft h e s p e c i a l g e o t e c h n i c a ld i s e a s ei nc h i n aa tp r e s e n t 一 t h i sp a p e rb a s e do nt h ey u x i - m e n g z ip a r a g r a p ho ft h ek u n m i n g - h e k o u r a i l w a yi nc o n s t r c t i n g ，g a v eab r i e f i n go nt h er e s e a r c hs t a t u s 、n a t u r ea n d v a r i o u s e v a l u a t i o np a r a m e t e r so fe x p a n s i v es o i l a n dc a r r i e do u tas e r i e so f i n d o o rs o i l t e s ta n dt r i a x i a ls h e a rt e s to fy u x i m e n g z ir a i l w a ye x p a n s i v es o i l a n d c h e n g d ul o n g t a nt e m p l ee x p a n s i v es o i l ，t oa c q u i r e dp h y s i c a l a n d m e c h a n i c a li n d i c a t o r so ft w oe x p a n s i v es o i l a n di td e s i g n e da n dm a d et h ee x p a n s i v es o i lp i l e s h e e tr e t a i n i n gw a l l e m b a n k m e n t c e n t r i f u g e t e s tm o d e l p r o t o t y p e t o y u x i m e n g z ir a i l w a y d k 9 9 + 6 4 8 - - - d k 9 9 + 7 0 0r e s e a r c hp r o j e c t sb yc a l c u l a t e do ns i m i l a rp r i n c i p l e s t os i m u l a t ep i l e s h e e t r e t a i n i n gw a l la n dr e i n f o r c e ds o i l o fy u x i m e n g z i r a i l w a ye x p a n s i v e s o i le m b a n k m e n t t h es i m u l a t et e s ti n c l u d e dt w ot e s t c o n d i t i o n s ，u n r e i n f o r c e de m b a n k m e n ta n dr e i n f o r c e de m b a n k m e n t a n de v e r y e x p e r i m e n tc o n d i t i o nc o n t a i n e dt w oc a t e g o r i e s ，o p t i m u mw a t e rc o n t e n t c o n d i t i o na n dr i c hw a t e rc o n d i t i o n t ot e s t e dt h es t r a i no fs l i d e r e s i s t a n tp i l e a n dr e t a i n i n gp l a t ea n dd e f o r m a t i o no fr o a d b e da n ds l i d e r e s i s t a n t p i l e r e s p e c t i v e l yi ne v e r yc e n t r i f u g em o d e lt e s t t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft e s t r e s u l t s g o t t h ew o r kp r o p e r t yo fr e i n f o r c e d e x p a n s i v e s o i le m b a n k m e n t p i l e - s h e e tr e t a i n i n gw a l l a n de v a l u a t e dt h et r e a t m e n te f f e c to fi t i ti st h e 西南交通大学硕士学位论文第l n 页 b a s e sf o rd e s i g no fy u x i - m e n g z ir a i l w a y e x p a n s i v es o i lr o a d b e d a n dt o p r o v i d er e f e r e n c et ot r e a tt h ed i s e a s e so fe x p a n s i v es o i lf o ro t h e r sp r o je c t si n y u x ia n dm e n g z i 。 k e yw o r d s ：e x p a n s i v es o i l ，e m b a n k m e n t ，c e n t r i f u g em o d e lt e s t ，p i l e 一s h e e t r e t a i n i n gw a l l ，r e i n f o r c e ds o i l 西南交通大学 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。 本人授权西南交通大学可以将本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 扫描等复印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 不保密团，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：兹囊善、 日期：2 0 0 8 - 6 - l4 指导老师签名：毫幻丈 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下 独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：亳：超爱 日期：2 0 0 8 6 14 西奄交通大学硕士学位论文第王页 1 1 论文研究背景 第一章绪论 膨胀性土( 装) 是当今工程地质学和岩土力学领域中最复杂的世界性难 题之一。美国每年由膨胀( 岩) 造成的工程建筑物损失甚至超过地震和飓 风。我国阳安线、焦枝线建成通车后若千年，每年治理膨胀土病害造成的损 失累计超过工程修建时的投资。膨胀土对铁路运营造成极大的安全威胁。南 昆线通过的广西、云南等地膨胀土( 岩) 地段路基病害严重，甚至成为其提 速的瓶颈。 膨胀是一种含一定数量亲水矿物并具有特定结构和特殊工程性质的 粘土，多以非饱和的状态存在，遇水则膨胀变形，失水则收缩甚至开裂，具 有较大的反复胀缩性，其波限、塑限和塑性指数均较大，天然状态下常处于 较坚硬状态，强度很高，遇水则迅速吸水膨胀软化，强度降低。由于初期人 们对膨胀土认识不足，未能采取合理恰当的处治措施，因此膨胀土常给工程 建设带来严重灾害。1 9 6 9 年，第二次国际膨胀会议给膨胀土的定义是； 膨胀土是一种对环境变化，特别是湿度变化非常敏感的粘土，其结果是随着 湿度的增减土体发生膨胀或收缩，并产生膨胀压力或收缩裂缝，影响其胀缩 性的主要矿物是蒙脱石。在我国过去的文献中，定义的膨胀土是种吸水膨 胀，失水收缩的粘性土，并没有产生膨胀压力这项内容。后来随着人们对膨 胀认议麴深入，这些定义也不断得妥深化。并将具有较强膨胀性的以伊利 石为主要矿物成分的粘土也归入膨胀土的范畴。这也是对膨胀土认识的深 化。 ， 昆明至河口铁路是我国西南地区重要的出海通道之一，是规划中泛亚铁 路中国境内部分。昆河线玉溪至蒙自段铁路建设过程中，线路频繁穿越膨胀 岩土地区；嚣此，膨胀岩土路基是该瑷髫中最常见的路基瘸害之一。膨胀 是目前我国工程建设中常见的特殊岩土病害之。由于膨胀土病害，每年造 成大量的人员生命及国家财产损失。滇南地区玉溪至蒙自铁路沿线分布第三 系膨胀主( 岩) 共1 4 段计6 2 k m ，占线路总长1 4 1 k m 的4 4 ，主要以第三 系泥岩( 母岩) 及第四系坡残积层为主，部分为冲洪积和坡洪积层，般厚0 2 m ，弱部厚达1 5 m 。此外，在石灰岩地区，零墅分布有残积型膨胀性红糖 西南交通大学硕士学位论文第2 页 土。第三系呈多个内陆盆地沉积分布于不同地段，为湖泊沼泽相沉积，由浅 色碎属岩组成，岩石成岩作用差，泥岩普遍其中等膨胀性，个别霹达强膨胀 性。试验表明，建水盆地、漾田面甸盆地、倘旬盆地、鸡街盆地和蒙自盆 地的第三系地层均表现为较强的膨胀性，野外膨胀岩，( 土) 的地貌特征和装 体崩解特性很弱显，特别以高家座燕子洞及个嚼蒙自一带最为严重。据 选做自由膨胀率的2 4 2 组土工试验判断，有1 6 6 组( 占6 9 ) 的自由膨胀率 达钧以上，最大达1 3 6 ；粥离子交换容量为2 0 1 。5 - 5 4 1 5 m m o l 1 0 0 9 ；蒙 脱石含量为9 - 4 6 2 1 。从以上数据可看出，膨胀岩土是玉蒙铁路中最突出 的岩土工程问题，为了研究玉蒙铁路膨胀土路基，解决膨胀土对铁路不良影 响的闯题，滇南铁路公司联合铁二院、西南交通大学开展了大量膨胀土室内 土工试验，现场试验及土工离心模拟试验等科研工作。 本论文所涉及室内模拟试验的段落麓试验段d k 9 9 + 6 4 8 - d k 9 9 + 7 0 0 ， 属( 面甸) 断陷盐地低中山剥蚀地貌，地面高程1 3 2 7 - 1 3 5 5 m ，横向小沟槽 发育，地表植被较差，多被垦为旱地。居民点零星分布，有乡间便道相通。 上覆第鲻系全新统坡残积( q 4 d l + e 1 ) 黏土( 膨胀土) ，下伏上第三系( n ) 泥 灰岩、泥岩夹砂岩。段内未见构造形迹；地震动峰值加速度为0 2 0 9 ，地震 动反应谱特征周期为0 。4 5 s 。地表水主要为沟槽季节性流水和坡露径流，接 受上游和大气降雨补给，向下游低洼处排泄；地下水主要为第四系松散土层 中的孔隙潜水、泥岩夹砂岩风化带内的裂隙水；表水及地下水对砼均无侵蚀 性。段内特殊岩土为膨胀主、膨胀岩。膨胀土主要为第四系坡残积层及泥岩 的全风化带( w 4 ) 、部分强风化带( w 3 ) ，呈棕黄、灰黄、灰褐色，硬塑状， 黏性较强，一般厚0 - - 一2 m ，具遇水膨胀、软化、崩解，失水收缩、开裂等特 征。膨胀岩主要为上第三系( n ) 泥岩夹砂岩的部分强风化带( w 3 ) 及弱 风化带( w 2 ) ，呈棕黄、棕褐、灰白、青灰色，泥质结构，胶结不紧密，遇 水膨胀、软化、崩解，失水收缩、开裂，属膨胀岩。因英成岩作角差，取样 难度较大。该段线路设计以路堤形式通过，路堤设计方案为桩板墙结构路堤， 路堤填料为附近隧道弃土及工地附近取土场取土，一般为弱中膨胀土。填 筑过程中路堤土体中加土工格栅。为了确定膨胀土路堤桩板墙结构形式及路 基加筋对处理玉蒙线膨胀土路堤的效果，故立项进行现场及室内试验研究。 通过室内模拟试验来模拟工程现场情况。 1 2 研究现状 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 西南交通大学硕士学位论文第3 页 中对膨胀土的特殊性就有了认识，遗憾的是这些问题并未引起研究者们 的足够重视，直到六十年代才在有关文献中觅刘对这方面的论述。以往 对膨胀土的研究主要就组成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进 行了探讨。国内许多学者，如廖世文“，、刘特洪川、李生林n ，等对多年来 膨胀土研究所取得的成果进行了系统的归纳总结。以下主要就膨胀土强 度特性、膨胀土边坡稳定等几个方面匡内研究现状与进展进行简要评述。 在土坡破坏理论和抗剪强度取值方法研究方面，不同的学者在各自 研究的基础上提出了不网的理论和选取强度的办法，加深了对膨胀土强 度特性及破坏机理的认识。l - bj r r u m ，提出了渐进性破坏理论，认为 由于裂隙的存在和开挖边坡所产生的应力释放，造成膨胀土强度的不均 匀性和疲力差异，当土中某一点的剪应力增加到等予该点土的抗剪强度 时，则该点产生剪切破坏。a w b i s h o p ”1 和b j e r r u m 1 提出了滞后破坏 理论，认为膨胀堑坡出于应力集中和吸水等原因会造成质软化，因 而使c7 随时间而减小引起滞后破坏。朱梅生，提出了极限平衡一弹性理 论，认为，膨胀土边坡的首次滑动是因为坡脚附近首先产生剪切区( 塑性 区) ，该区由于应交软化而强度降低，从而导致坡体破坏。据此，他建议 穿过剪切区的滑弧采用残余强度，剪切区以外的滑弧采用峰值强度。另 外在地袭拉裂区范围蠹的强度取为零。潘君牧提出了气候作用层分带法， 认为，边坡土体在气候引起的风化作用下，作用层的强度会随时间衰减， 从而引起边坡的破坏。他根据边坡土体风化程度随深度的变化分为三层， l 层为强风化层，土体破碎，能充分蒸发，并迅速吸水，干缩湿胀尤为 明显，建议采用残余强度；2 层为过渡层，采用峰值强度与残余强度之 平均值；3 层为未风亿层，可视为保持原状的性质，采用峰值强度。 廖世文提出了胀缩效应法，认为，膨胀土边坡的变形演化实际上是土体 在风化营力作用下，由于反复干缩湿胀效应，其抗剪强度逐渐衰减的过 程，并建议采用模拟边坡土体干缩湿效应的方法测试膨胀土的抗剪强度。 廖济川提出了分期分带法，认为，确定膨胀土的抗剪强度考虑以下三个 方面：强度分带的界限。为使界限明确，按地下水位上下分别取强度 值；强度使用期限。按短期及长期稳定分别取不排水及排水强度值； 膨胀土的工程特性。对胀缩性考虑长期浸水或干湿效应，对超固结为 渐进性破坏，对裂隙性为裂隙状态。刘祖德、李柏乔等建议了分段取值 西南交通大学硕士学位论文第4 页 法。d g f r e d l u n d 等人提出以两个独立的应力分量( 口一以) 和( 以一以) 来表达非饱和土的强度，其成果己得到国际公认和局部采用，但由于目 前的吸力测试技术仍较繁难复杂，所以也未能在工程实践中大量应用。 索洛昌，吉勃斯，廖济川，l i t d ，柯尊敏，毕露刘，b h ，k a t t i ，r k 1 ， 包承刚h 们等对胀缩性对膨胀土的抗剪强度的影响进行了研究。对膨胀土 的抗剪强度问题，正由初期只考虑膨胀性而逐渐趋向考虑较符合工程实 际的受荷条件及干湿效应下的抗剪强度。强度的降低值也由定性而渐趋 定量。 l bj r r u m ，l e e ，廖济川，t i e d e m a n n ，h v o r s l e v ，h e i f e l i ，s k e m p t o n ，a w ， k a n j i ，李妥德，张颖钧，赵泽三，b o z o z c k ，v i l o ，k y ，r i z k a i l a ，v n 】，马 骥，许年金，曹可之，湛壮丽，等对超固结性和裂隙性对膨胀土的抗剪强 度的影响进行了研究。对超固结性膨胀土目前多集中在渐进性破坏的机 理及残余强度的研究，但在工程实践中如何合理应用残余强度还没有得 到很好解决。裂隙性对膨胀土的抗剪强度的影响主要表现在应力应变关 系、试样大小和使土体软化方面。从现场发生的滑动面来研究裂隙分布 及土体中各类型的强度一反算法，这一较合理的途径得到了大力的研究， 但反算法结果的可靠性取决于滑动面形态的精确度及理论分析的合理 性。总的看来，对膨胀土的研究以对原状土的研究居多，对重塑土的研 究相对较少。柯尊敬对膨胀性填土在不同浸水条件下膨胀后的抗剪强度 进行了研究。卢肇钧n ”，李生林，刘特洪1 4 ，对击实膨胀土及混合土的强 度进行了研究，建立了一个描述填筑土的强度与填筑条件的经验关系， 并对膨胀土分类填筑接触面的强度变化趋势作了一些探讨。廖世文，余 镇麟，王小军，赵中秀，余湘娟，王媛，基文贵，李妥德，黄赓祖，马 时冬，刘麟德，对膨胀土改性土的性质进行了研究。 国内外不少学者对膨胀土滑坡机理、滑坡的基本特性即牵引性和浅 层性进行了探讨。李妥德等，李秉生，廖济川，扬成斌，p e c k ，r b ，李 伟，王帧1 4 等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、简易设计法等边坡稳定分析法，黄尚燕h ， 对膨胀土路堤边坡的破坏模式、稳定性分析方法进行了分析和探讨。 1 3 研究内容 膨胀土( 岩) 具有非常明显的区域性，膨胀土( 岩) 地区路基的稳定性 吞南交通大学硕学位论文第5 页 与区域膨胀土( 岩) 的工程性质有关，其它地区的工程经验只能借鉴，不能 照搬。针对玉蒙线高燕度地震区( 度) 膨胀主( 岩) 路基，如俺应对膨胀 土( 岩) 的不良工程地质问题，是迫切需要解决的关键技术问题。本论文从 下述两方面进行研究： 一是研究玉蒙线膨胀土( 岩) 用作路基填料的判定条件和适用范围，从 路堤长期稳定性角度出发，研究并提出合理经济的路堤结构型式，解决膨胀 土( 岩) 地区路基填料不足，减少取弃土，增强投资效益。二是研究膨胀主 ( 岩) 路基合理边坡及其支护结构型式，以保证路堤边坡的长期稳定。 论文采用常规室内土工试验研究了玉蒙线膨胀土的物理力学性质，并采 用工离心模拟试验研究膨胀土路堤桩板墙抗滑桩及挡土板的受力和变形、 路基的沉降变形等，通过土工离心试验结果分析为工程设计及建设提供指导 及依据，并为后期铁路运营及维护提供参考。并炎其它膨胀土地区交通及工 程建设提供参考经验。 蓖南交通大学矮士学位论文第6 页 第二章膨胀土工程特性 膨胀土是指粘粒成分主要有强亲水矿物组成，液限w l 4 0 ，且具有 明显胀缩特性豹黏性土。它在一定的荷载作用下，仍具有胀缩性麓。膨胀土 的这种显著的吸水膨胀，失水收缩特性，给工程建设带来了极大的危害，是 大量的轻型房屋发生开裂、倾斜，公路及铁路路基发生破坏、塌滑，堤岸路 堑发生滑坡。根据1 9 9 3 年第七届国际膨胀土会议的报道，当时由于膨胀土 而引起的损失每年超过1 0 0 亿美元，比洪水、飓风和地震造成的损失总和还 要高一馈多。在我国，据不完全统计，在膨胀土地区修建的各类工业及民用 建筑物，因地基胀缩变形而导致损坏和破坏的有1 0 0 0 万m 2 。全国通过膨胀 土地区的铁路线路占铁路总长的约1 5 - 2 5 ，因膨胀带来的危害十分 严重。膨胀土在全世界分布甚广。我国是膨胀土分布最广的国家之一。据现 有资料，广西、云南、湖北、安徽、四川、河南、山东等2 0 多个省市、自 治区均有膨胀主分布。随着人们对膨胀土的重视，开始把膨胀作为一种特 殊土来进行研究，发现膨胀土的特殊工程性质是受其特殊的矿物化学成分所 控制的h l 。 2 1 膨胀土的特征 2 1 1 膨胀土工程地质特征 根据我国二十几个省市区的资料，膨胀土多出露于二级及二级以上河 谷阶地、山前和盆地边缘及丘陵地带，地形坡度平缓，无明显的天然陡坡。 我国膨胀土处少数形成于全新o t ( 0 4 ) 外，其地质年代对属第四纪晚更新世或 更早一些。 1 ) 、在自然条件下，多呈硬塑或坚硬状态，具黄、红、灰白等色，常里 斑状，并含有铁锰质或钙质结核。土中裂隙发育，有竖向、斜交、水平三种， 又称裂土。距地袭l - - 2 m 内，常有竖向张开裂缝，裂缝面呈油脂状或蜡状 光泽，常见光滑面和擦痕。 2 ) 、多出露予二级及二级，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。 3 _ ) 、具有吸水膨胀，失水收缩和反复胀缩变形的特点，在季节性干湿气 候变化下，常导致路基或边坡的破坏。 西南交通大学硕士学位论文第7 页 4 ) 、膨胀土地区地下水多为上层滞水或裂隙水，无统一水位，随着季节 水位变化，常引起地基和路基的不均匀胀缩变形n ，。 2 1 2 膨胀土的工程性质 膨胀土的工程性质，主要有胀缩性、裂隙性、超固结性、崩解性、风 化特性、强度衰减性。胀缩性是指膨胀土吸水后体积增大而产生膨胀，失水 后体积减小而产生收缩的性质，并且膨胀土的这两种变形是可逆的，“膨胀 土 这一名称也是基于这一特性而得来的。膨胀性可以表现为膨胀量，但是 如果土的膨胀受阻，则会产生一种内应力即膨胀力，这将会给一些工程造成 灾害。膨胀土失水到一定程度则会产生裂隙。影响膨胀土胀缩性的主要内因 是土的矿物成分和微结构，主要外因则是水份和气候条件。 裂隙性是指膨胀土中普遍发育有多种特定形态的裂隙。裂隙的产生与 胀缩性密切相关。天然状态下的膨胀土大多处于非饱和状态，受大气条件影 响，失水到一定程度则会收缩产生裂隙，这种由于土体失水而产生的裂隙称 为原生裂隙；另外，膨胀土中还有一种裂隙，由于坡体滑动时各点的位移不 均匀，导致滑坡体扭转、局部隆起或形成叠一瓦状的块体而形成，这种裂隙 称为次生裂隙，次生裂隙还包括由于边坡开挖卸荷应力释放而产生的裂隙。 从裂隙的走向来分，裂隙可分为垂直裂隙、水平裂隙和斜交裂隙。裂隙将土 体分割成具有一定几何形状的块体，破坏了土体的完整性，削弱了土体的结 构强度，并使雨水容易进入，从而引起土体的破坏。 超固结性的形成对于膨胀土来说，除了在地质历史过程中，曾经承受 过比现在上覆压力更大的荷载作用外，还和因次固结作用形成的胶结物质的 结构强度有关。超固结性使得天然状态下膨胀土孔隙比较小，干密度较大， 初始结构强度很高。 崩解性是指膨胀土放入水中容易崩解。不同类型的膨胀土其崩解性不 一样，这与土的粘土矿物、结构、胶结性质以及初始含水量有关。一般由蒙 脱石组成的强膨胀土，放入水中后即刻发生崩解，且几分钟内即可完全崩解； 由伊利石等组成的弱膨胀士，浸入水中后则需要经过较长时间才能逐步崩 解，且有的崩解不完全。 风化性包括物理风化和化学风化。物理风化仅使土颗粒形状和土体外 观结构等发生变化，物理风化对膨胀土的主要影响就是加剧裂缝的发育。化 学风化还会改变土的矿物成份，从而影响土的膨胀性能。按照膨胀土风化程 度，可将其分为强、弱、微三层：强风化层位于地表或或边坡表层，厚度约 西南交通大学硕士学位论文第8 页 1 0m 1 5m ，受大气作用与生物作用强烈，干湿效应显著，土体碎裂多呈 沙砾与细小鳞片状，结构联结完全丧失；弱风化层位于地表浅层，厚度约 1 0m 1 5m ，大气与生物作用有所减弱，但仍较强烈，干湿效应也较明显， 土体割裂多呈碎块状，结构联结大部分丧失；微风化层位于弱风化层以下， 厚约1 0m 左右，大气与生物作用己明显减弱，干湿效应也不显著，土体基 本保持有规则的原始结构形体，结构联结仅部分丧失。 强度衰减性是指膨胀土的强度会随着环境条件的变化而衰减。膨胀土 的抗剪强度为典型的变动强度，峰值强度很高，残余强度很低。天然状态下 膨胀土一般含水量都比较低，且由于超固结性明显，土体初始强度一般都很 高，一般现场开挖或推土机铲土都很困难，随着干湿循环和风化作用的影响， 抗剪强度将大幅度衰减。强度衰减的幅度与速度和土体的物质组成、土的结 构和状态、风化作用以及胀缩性的大小有关。廖世文、廖济川和孔官瑞等人 认为膨胀土土体破坏的过程，就是由于土体经过往复的干缩湿胀，强度逐渐 衰减引起的，。 上述膨胀土的各项工程性质不是并立的，而是相互关联的。其中胀缩性 是由土的矿物成分、胶结物质成分和结构特征引起的，是膨胀土最主要的最r 本质的内在工程特性，是其他各项工程性质的基础，膨胀土也因此而得名。 裂隙性和崩解性是胀缩性的外在表现，裂隙破坏了土体的完整性，使雨水更 易进入土体，致使土体崩解软化，并逐渐向周围扩展，同时负孔隙水压力( 吸 力) 也迅速降低，由此大大降低了土的抗剪强度，使土体容易沿薄弱面滑动， 影响土坡稳定性。超固结性和风化性会加剧土的胀缩性，促进裂隙的发育和 崩解的进行。而强度衰减性则是上述性质的作用结果，是膨胀土工程特性的 综合表现。“晴天一把刀，雨后一泡糟 是民间对膨胀土性质随外部环境而 变化的生动写照哺，。 2 2 膨胀土的分类 人们对膨胀土的认识，首先是从其工程性质开始的，后来又深入到其矿 物组成和微观结构的层次。我国初期对膨胀土有多种称呼，典型的有膨胀土、 胀缩土、裂土、膨润土等。国内乃至国际上在很长一段时间内没有注意到以 伊利石为主要矿物成分的某些粘土也具有膨胀性这一事实。这些充分反映了 初期人们对膨胀土认识的片面性。 认识上的不全面反映在膨胀土的判别和分类上，就是有多种名称和分类 方法出现，我国文献中对膨胀土的不同称呼如上所述。至于分类方面，除了 西南交通大学硕士学位论文第9 贾 自由膨胀率这一基本指标外，有人建议用最大胀缩性指标分类，有人用风干 含水量分类，有入嗣塑性图分类，有入用灰色聚类法分类，有人建议翔灰色 关联分析法分类，有入建议用模糊数学法分类，还有人建议用人工神经网络 分类，也有入建议用综合指标进行判别和分类。固前倾向予按自由膨胀率和 塑性图来判别膨胀土，并将膨胀土分为弱、中、强三类，另外还有人建议按 照塑性指数、小于2 zm 颗粒的百分含量以及粘土活性等将膨胀土分为弱、 中、强、极强四类“。 根据膨胀土的胀缩性能强弱，可将膨胀土分为三类，即强膨胀土、中等 膨胀土、弱膨胀土，其分类标准及其物理力学性质见表2 1 。 表2 1 膨胀土胀缩性分类 主要粘小于自由膨线总胀 膨胀土类 努终地质特征矿物0 0 0 5 m m 粘胀率缩率 别 成分粒含爨( ) ( )( ) 灰白色、灰绿色，粘 土细腻，滑感特强，网状 蒙脱石 强膨胀土 5 0 8 0 4 裂隙极发育，易风化呈细为主 粒状、鳞片状 棕、红、灰色，粘土 中等膨胀中含少量粉砂，滑感较强，蒙脱石、 3 5 5 05 5 8 02 - 4 土 裂隙较发育，易风化呈碎 伊利石 粒状，含钙质结核伊利石 黄、褐色为主，粘主 中含较多粉砂，有滑感，蒙脱石， 弱膨胀土裂隙发育，易风化呈碎粒伊利石， 5 ，c c 0 6 6 ( w l 一2 0 ) ， 表3 - 4 土的液、塑限试验结果 界限含水量( )玉蒙红粘土玉蒙膨胀土龙潭寺膨胀土样品个数 液限( ) 6 7 0 1 5 2 1 4 4 6 8 26 塑限( )3 7 3 22 9 4 0 2 4 2 56 西南交通大学硕士学位论文第2 5 页 位于a 线之上。且i p 4 ，w l 5 0 。所以该土属于高塑性粘土( c h ) 。由 塑性指数可以看枣，玉蒙铁路膨胀土的可塑性很强。 3 1 4 击实试验 本次击实试验取玉蒙线红粘土、玉蒙线膨胀土、成都龙潭寺膨胀土分别 进行。试验中所用标准击实仪技术性能如下：击锤质量2 5 k g ，锤底直径 5 0 c m ，落高3 0 c m ；击实筒盎径1 0 0 ，0 m m ，篱高1 2 7 。3 m m ，体积1 0 0 0 0 e d ； 单位体积击实功能6 0 7 5 k j m 3 ；单位面积冲量3 k p a s o 试验过程中利用标准 击实仪，通过手动击实，控制击实次数为2 5 次，击实过程中注意击锤从要 求的高度，并保持其自由铅直下落。通过试验得到试验数据如表3 5 所示， 根据击实试验结构可作出于密度与含水量关系曲线，如图3 2 、图3 3 所示。 表3 - 5 击实试验数据 玉蒙线红粘土玉蒙线膨胀土 龙潭寺膨胀土 含水量于密度含水量 干密度含水量于密度 ( ) ( g e r a 3 ) ( ) ( g c m 3 ) ( ) ( g c m 3 ) 2 2 11 1 291 ，3 51 3 41 4 1 2 7 。7王王g1 5 薹薹2 81 7 。5 1 4 6 3 1 31 1 31 6 91 3 22 0 4 1 5 3 3 1 91 2 62 3 51 3 8 2 2 41 5 7 3 7 71 3 4 2 9 1 1 4 8 2 4 81 6 0 4 2 91 2 6 3 3 41 4 12 7 41 5 2 4 0 ，3耋3 e3 1 毒1 4 5 由击实试验结果可看出，玉蒙红粘土的最大干密度为1 3 4g c m 3 ，最优 含水量为3 7 7 ；玉蒙膨胀土的最大干密度为1 4 8g c m 3 ，最优含水量为 2 9 1 ；龙潭寺膨胀土的最大干密度为1 6 0g c m 3 ，最优含水量为2 4 。8 。 西南交通大学硕士学位论文第2 6 页 y 叭 e u 91 , 8 1 21 41 61 82 02 22 42 62 83 0 3 23 43 63 84 0 y n u o ) 三1 9 越 翟1 8 巾 1 7 1 ，6 1 5 1 4 1 ，3 图3 2 玉蒙线膨胀土干密度与含水量的关系 1 2 1 4 1 61 82 02 22 42 6 2 83 03 2 含水瓤z ) 图3 3 龙潭寺干密度与含水量的关系 7 6 5 4 3 n j 屯tjf趟籽卜 西南交通大学硕士学位论文第2 7 页 3 1 5 自由膨胀率 自由膨胀率是指以人工制备的通过0 5 m m 筛的烘干土，在蒸馏水中浸 水膨胀增加的体积与原体积的比值，以百分数表示。这是测定粘性土样在无 结构的情况下的自由膨胀率，供评价粘性土膨胀势能的参考。试验前先对量 筒容积和刻度进行标定。 本次实验中取三个玉蒙铁路工点现场膨胀土试样，三个成都龙潭寺膨胀 土试样，分别进行自由膨胀率测试，实验结果见表3 6 ，按照表3 7 的判别 标准分别对试样进行判定，并将实验结果进行比较。 由表3 - 6 可知：玉蒙线膨胀土万e f = 4 7 ，红粘土万。，= 2 0 5 龙潭寺膨胀 土6 e f = 7 7 5 。膨胀土规范按自由膨胀率大小划分膨胀土的膨胀潜势强 弱心”，见表3 7 。此类判别方法用于确定膨胀土的地基容许承载力，也可以 判定膨胀地基的膨胀等级。 表3 - 6膨胀土自由膨胀率试验结果一览表 干土质试样原量筒不同时间体积体积自由膨 平均值 试样编号量始体积编号读数增量胀率 ( g )( m 1 ) 04 8 ( m 1 )( )( ) 龙潭寺膨胀土 1 4 1 91 01 01 7 27 27 2 7 7 5 龙潭寺膨胀土 1 4 1 51 01 01 8 38 38 3 玉蒙线红粘土 1 3 9 41 0 1 01 1 9 1 91 9 2 0 5 玉蒙线红粘土 1 3 9 41 0 1 01 2 22 22 2 玉蒙线膨胀土 1 4 0 41 0 1 01 4 94 94 9 4 7 玉蒙线膨胀土 1 4 0 61 0 1 01 4 54 54 5 表3 7 膨胀土自由膨胀率与膨胀潜势规定 自由膨胀率( )膨胀潜势 4 0 6 e l 6 5 弱膨胀土 6 5 6 e 9 0 中膨胀土 9 0 万盯 强膨胀土 西南交通大学硕士学位论文第2 8 页 3 1 6 膨胀力 膨胀力肌是指原状土在体积不变时，当膨胀土浸水后膨胀所产生的最 大的内应力。室内土工试验中测定膨胀力一般采用加压平衡法，即用同种压 缩仪，在膨胀土试样浸水饱和即将发生膨胀时，利用增加微量垂直荷重的手 段，使膨胀土试样高度保持不变，当膨胀土试样在某一垂直荷重作用下开始 发生下沉对，该垂直荷重值馨为试验所需确定的膨胀力。 表3 8 玉蒙线膨胀土膨胀力试验表格 含水量( ) 91 5 11 6 92 3 42 9 14 0 3 3 9 0 92 4 2 62 9 2 l4 2 3 84 1 9 54 9 8 膨胀力( k p a ) 3 0 7 93 3 0 12 0 5 62 8 82 0 5 63 0 6 均值 3 4 9 42 8 6 42 4 8 93 5 5 93 1 2 34 0 2 图3 4 玉蒙线膨胀土膨胀力曲线 室内工试验过程中通过浸水加荷平衡法测定膨胀土膨胀力p ，将试验 后所获得数据歹| j 成表格并绘制成曲线图形。通过图形曲线的变纯来分析膨胀 力仇与含水量的关系，分析不同含水量时膨胀力的变化，得出最大膨胀力 时膨胀含水量，为玉蒙铁路工程设计提出理论依据。 表3 - 9 玉蒙线膨胀性红粘土膨胀力试验表格 l 含水量( ) 2 2 1 2 7 83 1 33 7 74 2 9 膨胀力( k p a ) 2 7 81 8 1 29 3 8 40 9 4 90 2 7 4 西南交通大学硕士学位论文第2 9 页 3 0 2 5 _ 、 篷2 0 _ r1 5 耋1 0 5 q 玉蒙线红粘土膨胀力曲线 o1 02 03 04 05 0 含水率( ) 图3 5 玉蒙线红粘土膨胀力腑线 从图3 - 4 、图3 5 中能看出，玉蒙红粘土具有和玉蒙膨胀土同样的现象。 就是随着含水量的增高，膨胀力呈现急剧下降的趋势( 由于试验误差，存在 个别突变点) 。根据前面的液、塑限试验，玉蒙线红粘土的塑限为3 7 3 2 。 当含水量为3 7 7 时，膨胀力减4 , n0 9 4 9 k p a 。所以膨胀土的膨胀力和初始 含水量、液限及塑限有密切的关系。对于同种性质的膨胀土而言，在低压力 作用下，士体吸水产生的膨胀力主要取决于起始含水量的大小。起始含水量 小，膨胀力相对要大。 3 。2 膨胀土的判别 膨胀土的判别，是解决膨胀土问题的前提，因为只有确认了膨胀土及其 胀缩性等级才可能有针对性地研究、解决可能造成的危害及需要采取的防治 措施问题。膨胀的判剐方法，一般认为应采用现场调查、鉴定与室内物 理性质和胀缩特性试验指标鉴定相结合的原则。即首先根据土体及其埋藏、 分布条件的工程地质特征和己有建筑物的开裂情况调查作初步判断，然后再 根据试验指标进一步验证，综合判别。目前国内外提出作为判别膨胀土的指 标颇多，且至今仍有分歧，用于作为膨胀土的判别指标大体上可以归纳为两 类：一类反映的天然结构与状态，另一类反映土的物质组成成分与水的褶 互作用。前一类指标要求采用原状土样测定，其测定方法较多地受条件限制： 后一类指标反映土粒的基本特性，借扰动样品即可测得，测定条件简便、易 行，故多采用。影响膨胀土胀缩的因素很多，总的说来可分为内因和外因两 西南交通大学硕士学位论文第3 0 页 个方面。内因：如矿物成分、颗粒级配、结构特征等；外因：如气候、降雨 量、水文工程地质条件等。而内、外因的结合所反映的结果表现在：土的胀 缩性、水理性质及力学性质等的指标上。为此，对膨胀土胀缩分类应考虑以 下几个指标：液限( w l ) 、胀缩总率( e p 。) 、塑性指数( i p ) 、天然含水量( w ) 、 自由膨胀率( f 。) 、气候及水文地质条件( c w ) 。 己有研究表明，反映膨胀土土质与土体特性的指标很多。但是哪些是最 主要的指标，哪些是次要的指标，各种指标之间的相互性及其组合关系怎样? 这些都是判别与分类中首先遇到的基本问题。过去，许多单位在膨胀土的判 别与分类中，大多仅以简单的双变量分析为依据。所以，尽管各种判别方法 很多，但是许多方法所选择的判别指标都是具有相同信息的。 为了选择合理的判别和分类指标，首先必须研究反映膨胀土基本性质的 各指标间的相关关系，以及这些指标的各种组合规律。一般能反映土的基本 性质的指标多达1 0 多项，它们之间的组合和相关关系非常复杂。有的指标 在双变量分析中关系并不太显著，可是，当它们与其它多指标组合在一起时， 其相关性就会明显的显示出来。有的指标在相关分析中，虽然有一定的相关 性，但从工程地质观点分析，这些指标本身都不是独立因子，而是随客观环 境变化的变量。例如，有的判别式选用土的天然含水量这一指标，在相关分 析中可能与膨胀有一定的相关性。即土的天然含水量低，膨胀性大；天然含 水量高，则膨胀性小。然而，土的天然含水量却受着地下水位、大气降雨、 蒸发及其季节性变化、风化程度等环境因素的影响，并随这些因素与不同深 度的变化而变化。因此，在膨胀土判别与分类中指标的选择，首先应从胀缩 机理观点出发，选择表征膨胀土特征的独立指标，采用数学手段，以各指标 间的相关分析为基础。在具有相同信息的指标中，应尽量剔除其相关性较小 者，如选出相关性最大的特征指标，建立判别与分类函数，即能比较理想地 实现膨胀土的判别和分类目的。 由此可见，指标的正确选择是膨胀土判别和分类中关键的第一步。若是